土地复垦与生态重建基本理论

河南城建学院土地管理教研室马文明土地复垦学

第三章土地复垦与生态重建基本理论

第三章土地复垦与生态重建基本理论主要内容土壤学基本知识生态学基础矿山开采沉陷学景观生态学基础土壤重构理论

1、土壤的概念土壤是指陆地表面能生长植物的疏松表层，就土壤形成的过程讲，未经人工开垦的土壤称为自然土壤；经过开恳耕种以后，它的性状发生了变化，称为农业土壤或耕作土壤。

2、土壤肥力土壤肥力是指具有生长植物的能力。它具有能够充足、全面和持续地供应植物生长以水、肥、气、热的能力，同时还具有协调它们之间的矛盾和抗拒恶劣自然条件影响的能力。

3、土壤母质岩石矿石经各种风化作用使之成为疏松的粗细不同的矿物颗粒，因是形成土壤的基础，故称为土壤母质。

4、土壤质地土壤质地又叫土壤的机械组织。粗细不同的土粒在土壤中占有的不同的比例，这种大小不同粒的比例组合成为土壤质地。（一）土壤基础知识第一节土壤学基础知识5、土壤有机质土壤固相中除了矿物质外，还有一种主要的物质，这就是土壤有机质，它好像是“肌肉”一样，它和矿物质紧密地结合在一起。

6、土壤腐殖质土壤腐殖质是通过有机质的腐化过程产生的，它是土壤中特有的一种有机物，它与土壤的形成过程和土壤肥力有着密切的关系。一般腐殖质为黑色或棕色。7、土壤孔性土壤中有大小不一、形状不一的孔隙，它的多少与大小是由土壤质地、结构、有机质等因素决定的。8、土壤环境背景值是指未受或少受人类活动（特别是人为污染）影响的土壤环境本身的化学元素组成及其含量。（一）土壤基础知识第一节土壤学基础知识9、土壤容重指在自然状态下，单位容积土体的重量。单位容积土体的重量包括土壤空隙在内，过去又称为假比重，单位以(克/立方厘米)表示，土壤容重大体在1.00-1.80之间。10、土壤结构指土壤固体颗粒的结合形式及相应的空隙性和稳定度而言。土壤中经常不以单粒形式存在，一般均具有各式各样的团聚体，称为土壤结构。

11、土壤酸度反应土壤中氢离子的数量，根据氢离子存在于土壤溶液中还是吸附在土壤胶体表面土壤酸度可分为活性酸度、潜在酸度两种。（一）土壤基础知识第一节土壤学基础知识12、土壤养分高等植物生长所必需的16种营养元素，由于植物对它们的需要量不同，将它们分为大量营养元素、中量营养元素、微量营养元素。

大量营养元素一般占植物干物质重量的百分之几十到千分之几，它们是碳、氢、氧、氮、磷、钾六种

中量营养元素占植物干物质重量的百分之几到千分之几，它们是钙、镁、硫三种。

微量营养元素的含量只占植物干物质重量的千分之几到十万分之几，它们是铁、硼、锰、铜、锌、钼、氯7种。在16种营养元素中除碳、氢、氧三者来自空气和水外，其余主要依靠土壤提供，我们把这些靠土壤提供营养元素称为土壤养分。（一）土壤基础知识第一节土壤学基础知识1、自然土壤的土体构造土体构造就是土壤从表层到底层各土层的排列，或称土壤剖面各土层间在其形态特征上是不同的，如颜色、质地、结构松紧情况、物质组成新生体等。这些特征是其内部特征的外部表现。因此，每一类土壤都有它特有的土体构造。一般土壤的土体模式如右图。（二）土体结构第一节土壤学基础知识

D层（基岩）C层（母质）B层（淀积）A层（淋溶）2、农业土壤的土体构造

农业土壤的土体构造状况，是人类长年耕作栽培活动的产物。农业土壤的土体构造又是在不同的自然土壤剖面上发展而来的。因此也是比较复杂的，一般可分为四层，即耕作层（表土层或叫熟土层）、犁底层（亚表土层）、心土层及底土层。（二）土体结构第一节土壤学基础知识

底土层

心土层

犁底层

耕作层（表土层）农业土壤的土体构造第一节土壤学基础知识（二）土体结构（三）土壤质地第一节土壤学基础知识

土壤质地是土壤物理性质之一。指土壤中不同大小直径的矿物颗粒的组合状况。土壤质地是根据土壤的颗粒组成划分的土壤类型。中国（1978）拟定的土壤质地分类是按沙粒、粉粒和粘粒的质量分数划分出砂土、壤土和粘土三类。

（四）土壤结构第一节土壤学基础知识土壤结构：土壤结构是土壤固相颗粒（包括团聚体）的大小及其空间排列的形式，不仅影响植物生长所需的土壤水分河养分的储量与供应能力，而且还左右土壤中气体交流、热量平衡、微生物活动及根系的延伸等。土壤结构分类：①块状结构体；②片状结构体；③柱状结构体和棱状结构体；④团粒结构体。

1、棕壤土类2、褐土土类3、栗钙土土类4、栗褐土土类5、黄绵土土类6、石质土土类7、粗骨土土类8、潮土土类（五）我国主要土类第一节土壤学基础知识一、生态学概念及研究对象第二节生态学基础知识1、生态学概念生态学是由德国生物学家赫克尔（E.Haeckel）于1866年在其所著的《普通生物形态学》一书中首先提出的，他认为生态学是研究生物在其生活过程与环境的关系，尤其指动物有机体与其他动物、植物之间的互惠或敌对关系，他于1886年创立了生态学这门学科。英国生态学家Elton定义是“科学的自然历史”。澳大利亚生态学家Andrewartha认为，生态学是研究有机体的分布与多度的科学，强调了对种群动态的研究。我国著名生态学家马世骏认为生态学是研究生命系统和环境系统相互关系的科学，他同时提出了社会－经济－自然复合生态系统的概念。一、生态学概念及研究对象第二节生态学基础知识1、生态学概念虽然不同学者给生态学下的定义很不同，一般可以归纳为三类：第一类研究重点是自然历史和适应性；第二类强调的是动物的种群生态学和植物的种群生态学；第三类是生态系统生态学。这三类定义反应了生态学发展的不同阶段，也强调了基础生态学的不同研究分支领域。第二节生态学基础知识一、生态学概念及研究对象2、生态学的研究对象由于生物是呈等级组织存在的，由生物大分子－基因－细胞－个体－种群－群落－生态系统－景观直至生物圈。可见，从分子到生物圈都是生态学的研究对象。生态学涉及的环境也十分复杂，从无机环境（岩石圈、大气圈、水圈）、生物环境（植物、动物、微生物）到人与人类社会，以及由人类活动所导致的环境问题，因此生态学研究的范围也十分广泛。

第二节生态学基础知识一、生态学概念及研究对象2、生态学的研究对象由于生态学研究对象的复杂性，它已发展成为一个庞大的学科体系。根据其研究对象的组织水平、类群、生境以及研究性质等可划分为如下几类。（1）根据研究对象的组织水平划分。可以把生态学分为分子生态学、进化生态学、个体生态学或生理生态学、种群生态学、群落生态学、生态系统生态学、景观生态学与全球生态学等。（2）根据研究对象的分类学类群划分。生态学起源于生物学，可根据生物的一些特定类群将生态学分为普通生态学、植物生态学、动物生态学、微生物生态学、陆生植物生态学、哺乳动物生态学、昆虫生态学、地衣生态学，以及各主要物种的生态学，如鸟类生态学、鱼类生态学等。第二节生态学基础知识2、生态学的研究对象（3）根据研究对象的生境类别划分。由于不同的生物有不同的生存环境，根据研究对象生境类别划分为陆地生态学、海洋生态学、淡水生态学、岛屿生态学、森林生态学、草原生态学、沙漠生态学、农田生态学、城市生态学等。（4）根据研究的性质划分。生态学的研究分为理论研究和应用研究两大类，因此，可分为理论生态学和应用生态学。理论生态学涉及生态学进程、生态关系的数学推理及生态建模，如能量生态学、功能生态学等；应用生态学主要是将生态学原理应用到人类生产活动的许多方面，如农业生态学、工业生态学、宇宙太空生态学、放射生态学、森林生态学、草地生态学、自然资源生态学、城市生态学、污染生态学、环境生态学、恢复生态学、生态工程学、人类生态学、社会生态学、人口生态学、经济生态学、生态伦理学等。（5）根据生态学与其他学科的关系划分。根据生态学和其他学科相结合可分为系统生态学、能量生态学、化学生态学、物理生态学等。（一）生态学概念及研究对象（二）生态系统第二节生态学基础知识1.生态系统的基本概念生态系统一词是英国植物生态学家A．G．Tansley于1936年首先提出来的。在1965年丹麦哥本哈根会议上决定采用生态系统一词，此后生态系统便得到了广泛的应用。生态系统就是在一定空间中共同栖居着的所有生物(即生物群落)与其环境之间由于不断地进行物质循环和能量流动过程而形成的统一整体。地球上的森林、草原、荒漠、湿地、海洋、湖泊、河流等，不仅它们的外貌有区别，生物组成也各有其特点，并且其中的生物和非生物构成了一个相互作用、物质不断循环、能量不断流动的生态系统。（二）生态系统第二节生态学基础知识2.生态系统的组成和结构1）生态系统的基本组成地球表面的各种不同的生态系统，不论是陆地还是水域，大的或小的，一个发育完整的生态系统的基本成分都可概括为生物成分(生命系统)和非生物成分(环境系统)两大部分，包括生产者、消费者、分解者和非生物环境四种基本成分。2）生态系统的结构生态系统结构是指生态系统中生物的和非生物的诸要素在时间、空间和功能上分化与配置而形成的各种有序系统。生态系统的结构是生态系统功能的基础。（二）生态系统第二节生态学基础知识3、生态系统功能

生态系统的生物生产生态系统的生物生产由初级生产和次级生产两大部分组成。绿色植物通过光合作用吸收和固定太阳能，从无机物合成、转化成复杂的有机物的过程称为初级生产，或称为第一性生产。初级生产以外的生态系统的生物生产，统称为次级生产，或第二性生产。生态系统的能量流动植物通过光合作用所同化的第一性生产量成为进入生态系统中可利用的基本能源。这些能量遵循热力学基本定律在生态系统内各成分之间不停地流动或转移，使得生态系统的各种功能得以正常进行。能量流动从初级生产在植物体内分配与消耗开始。

第二节生态学基础知识3、生态系统功能

生态系统的物质循环生命的维持不但需要能量，而且也依赖于各种化学元素的供应。如果说生态系统中的能量来源于太阳，那么物质则是由地球供应的。生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进人生态系统，被其他生物重复利用，最后再归入环境中，称为物质循环，又称生物地球化学循环。

生态系统的物种流动物种流动是指物种的种群在生态系统内或系统之间时空变化的状态。

生态系统的信息流动生态系统的功能除体现在生物生产过程、能量流动和物质循环过程以外，还表现在系统中各生命成分之间的信息传递。

（二）生态系统（三）生态平衡第二节生态学基础知识1.生态平衡的概念生态系统的平衡是指某个主体与其环境的综合协调。从这一意义上说，生态系统的各个层次都涉及到生态平衡的问题。如种群和群落的稳定不只受自身调节机制的制约，同时也与其他种群或群落及许多其他因素有关。这是对生态平衡的广义理解。狭义的生态平衡就是指生态系统的平衡，简称生态平衡。具体来说，在一定时间内，生态系统中生物各种群之间，通过能流、物流、信息流的传递，达到互相适应、协调和统一的状态，处于动态的平衡之中，这种动态的平衡称为生态平衡。（三）生态平衡第二节生态学基础知识2.生态平衡的标志（1）生态系统中物质和能量的输入、输出的相对平衡;

（2）在生态系统整体上，生产者、消费者、分解者应构成完整的营养结构;

（3）生物种类和数量的相对稳定;

（4）生态系统之间的协调。

第二节生态学基础知识（三）生态平衡3.导致生态平衡失调的原因自然因素

主要是指自然界发生的异常变化，或自然界本来就存在的对人类和生物的有害因素。如火山爆发、山崩海啸、水旱灾害、地震、台风、流行病等自然灾害，都会使生态平衡遭到破坏。这些自然因素对生态系统的破坏是严重的，甚至可使其彻底毁灭，并具有突发性的特点。但这类因素常常是局部的，出现的频率并不高。第二节生态学基础知识（三）生态平衡3.导致生态平衡失调的原因人为因素

人为因素主要是指人类对自然资源不合理的开发利用以及工农业生产所带来的环境污染等。人为因素对生态平衡的影响往往是渐进的、长效性的，破坏程度与作用时间、作用强度紧密相关。在人类生活和生产过程中，导致生态系统失去平衡的主要原因有如下三种。

（1）物种改变人类有意或无意地造成某一生态系统中某一生物消失或往其中引入某一物种，都可能对整个生态系统造成影响，甚至破坏一个生态系统。

（2）环境因素的改变工农业生产的迅速发展，使大量污染物质进入环境，从而改变环境因素，影响整个生态系统，甚至破坏生态平衡。

（3）信息系统的破坏许多生物在生存过程中都能释放出某种信息素(一种特殊的化学物质)以驱赶天敌、排斥异种，取得直接或间接的联系以繁衍后代。

（三）生态平衡4.生态平衡的保持保持生态平衡，促进人类与自然界的协调，已成为当代亟待解决的重要课题。人类与自然及生态系统的关系是一种平衡和协调发展的关系。人类是受自然约束的生物种，它的生存和繁衍也必须受自然资源和生物量的限制，受环境的约束。要使人类与自然协调发展，保持生态平衡，人类的一切活动，首先是生产活动，都必须遵守自然规律，按生态规律办事。否则，人类就会遭受自然的无情惩罚。事实证明，人类只有在保持生态平衡的条件下，才能求得生存和发展。当今生态学和生态平衡规律已成为指导人类生产实践的普遍原则。要解决世界五大问题（即人口、粮食、能源、自然资源、环境保护），必须以生态学理论为指导，并按生态规律办事。对环境问题的认识和处理，必须运用生态学的理论和观点来分析。环境质量的保持与改善以及生态平衡的恢复和重建，都要依靠人们对生态系统的结构和功能的了解，及生态学原理在环境保护中的应用。第二节生态学基础知识（四）生态工程复垦

生态工程复垦是根据生态学和生态经济学原理，应用土地复垦技术和生态工程技术，对沉陷、挖损、压占等采矿破坏土地及其它各种人为活动和自然灾害损毁的土地进行整治和利用。它是广义的农业复垦，其实质是在破坏土地的复垦利用过程中发展生态农业，按照生态学中的生态位原理、食物链原理和养分循环原理等，建立一种多层次、多结构、多功能集约经营管理的综合农业生产体系。矿区生态工程复垦规划的内容有系统结构规划和工艺规划，结构规划又包括营养结构、平面结构、垂直结构和时间结构规划等，其中营养结构规划是基础。第二节生态学基础知识（四）生态工程复垦

生态工程复垦不是某单一用途的复垦，而是农、林、牧、副、渔、加工等多业联合复垦，并且是相互协调，相互促进,全面发展；它是对传统土地复垦技术，按照生态学原理进行的组合与装配；它是利用生物共生关系，通过合理配置农业植物、动物、微生物，进行立体种植、养殖业复垦；它是依据能量多级利用与物质循环再生原理，循环利用生产中的农业废物，使农业有机废弃物资源化，增加产品输出；它充分利用现代科学技术，注重合理规划，以实现经济、社会和生态效益的统一。第二节生态学基础知识

地下矿产采出后，开采区周围岩土体的原始应力平衡状态受到破坏，岩土体出现位移和变形，应力重新分布，达到新的平衡。在此过程中，岩土体上出现的位移和变形称之为开采沉陷（miningsubsidence）。不仅可能对矿山工程本身造成影响和危害，还可能对其他岩土工程及含水层和地面的工程和耕地造成影响及危害，它早已成为采矿工程中的一个重大科学技术课题而受到人们关注。矿山开采沉陷工程学的研究内容主要有：采矿引起岩土体位移与变形的机理和规律，减小岩土体位移与变形的采矿技术，采动区建（构）筑物变形的机理与规律及其保护加固措施，受采动影响的岩土体及建（构）筑物变形的监测与预计技术，受护建（构）筑物保护矿柱设计技术，矿区与开采沉陷有关的环境影响评价与保护技术以及矿区建设规划等。

一、矿山开采沉陷工程的研究对象和任务第三节矿山开采沉陷学第三节矿山开采沉陷学当开采范围足够大时（0.2H～0.3H，H为采深），岩层移动发展到地表，在地表形成一个比采空区范围大得多的下沉盆地。根据观测和研究，在岩层移动过程中，开采空间周围岩层的移动形式可归结为以下几种：

1、弯曲——这是岩层移动的主要形式。

2、岩层垮落（或称冒落）——矿层采出后，采空区周边附近上方岩层便弯曲而产生拉伸变形。

3、煤被挤出（又称片帮）——一部分采空区边界矿层在支承压力作用下被压碎挤向采空区，这种现象称为片帮。二、矿山开采沉陷规律第三节矿山开采沉陷学

4、岩层沿层面滑移——在开采倾斜矿层时，岩石在自重重力的作用下，除产生沿层面法线方向的弯曲以外，还会产生沿层面方向的移动。

5、垮落岩石下滑（或滚动）——矿层采出后，采空区为冒落岩块所充填。

6、底板岩层隆起——底板岩层较软时，矿层采出后，底板在垂直方向减压而水平方向受压，导致底板向采空区方向隆起。由于岩体破坏后其导水性能提高，对水体下采矿至关重要，所以在水体下采矿中将上覆岩层划分为三带：垮落带、裂缝带和弯曲带；将底板以下岩体也分为三带：底板采动导水破坏带、底板阻水带和底板承压水导升带。二、矿山开采沉陷规律第三节矿山开采沉陷学（一）地表移动的基本概念

1.地表移动盆地当地下工作面开采达到一定距离后，地下开采便波及地表，使受采动影响的地表从原有标高向下沉降，从而在采空区上方地表形成一个比采空区大得多的沉陷区域，这种地表沉陷区域称为地表移动盆地，或称下沉盆地。常用的定量指标有：下沉、水平移动、倾斜、曲率、水平变形、扭曲和剪应变。目前，对前5种指标研究得比较充分，而后两种指标使用的较少，一般工程问题中不使用。

三、地表移动变形及破坏规律第三节矿山开采沉陷学（一）地表移动的基本概念

(1)下沉地表点的沉降叫下沉，用w表示，是地表移动向量的垂直分量。用本次与首次观测点的标高差表示，即：三、地表移动变形及破坏规律第三节矿山开采沉陷学（一）地表移动的基本概念

(2)水平移动地表下沉盆地中某点沿某一水平方向的位移叫水平移动，用u表示。用本次与首次测得的从该点至控制点水平距离差表示，即

三、地表移动变形及破坏规律第三节矿山开采沉陷学（一）地表移动的基本概念

(3)倾斜地表倾斜是指相邻两点在竖直方向的下沉差与其水平距离的比值，用以反映地表移动盆地沿某一方向的坡度，通常用i表示。即：三、地表移动变形及破坏规律第三节矿山开采沉陷学（一）地表移动的基本概念

(4)曲率地表曲率是两相邻线段的倾斜差与两线段中点间的水平距离的比值，用以反映观测线断面上的弯曲程度。由下式进行计算：三、地表移动变形及破坏规律第三节矿山开采沉陷学（一）地表移动的基本概念

(5)水平变形地表水平变形是指相邻两点的水平移动差与两点间水平距离的比值，通常用表示。由下式进行计算：三、地表移动变形及破坏规律第三节矿山开采沉陷学（一）地表移动的基本概念

2.充分采动和非充分采动

(1)充分采动充分采动，是指地下矿层采出后地表下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大值，此时的采动状态称为充分采动。

(2)非充分采动采空区尺寸（长度和宽度）小于该地质采矿条件下的临界开采尺寸时，地表最大下沉值未达到该地质采矿条件下应有的最大下沉值，称这种采动为非充分采动。

三、地表移动变形及破坏规律第三节矿山开采沉陷学第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律非充分采动时的地表移动盆地

第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律临界充分采动时的地表移动盆地

临界开采尺寸，1.2～1.4倍采深

第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律超充分采动时的地表移动盆地

第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律倾向临界充分采动第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律

非充分采动第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律3.地表移动盆地的主断面

地表移动盆地内各点的移动和变形不完全相同，在正常情况下，移动和变形分布具有以下规律：（1）下沉等值线以采空区中心为原点呈椭圆形分布，椭圆的长轴位于工作面开采尺寸较大的方向；（2）盆地中心下沉值最大，向四周逐渐减小；（3）水平移动指向采空区中心，采空区中心上方地表几乎不产生水平移动，开采边界上方地表水平移动值最大，向外逐渐减小为零。水平移动等值线也是一组平行于开采边界的线簇。

第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律

由于下沉等值线和水平移动等值线均平行于开采边界，移动盆地内下沉值最大的点和水平移动值为零的点都在采空区中心，因此通过采空区中心与矿层走向平行或垂直的断面上的地表移动值最大。通常就将地表移动盆地内通过地表最大下沉点所作的沿矿层走向和倾向的垂直断面称为地表移动盆地主断面。沿走向的主断面称为走向主断面，沿倾向的主断面称为倾向主断面。

第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律从主断面的定义可知，水平和缓倾斜煤层开采时，地表移动盆地主断面有如下特征：在主断面上地表移动盆地的范围最大；在主断面上地表移动量最大；在主断面上不存在垂直于主断面方向的水平移动。最大下沉角，就是在倾向主断面上由采空区的中点和地表移动盆地的最大下沉点（在基岩面的投影点）的连线与水平线之间在矿层下山方向一侧的夹角，用表示。第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律（1）近水平煤层地表移动盆地

第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律（2）缓倾斜和倾斜煤层地表移动盆地

第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律（二）地表移动盆地边界的确定1.地表移动对建（构）筑物的影响

地下开采引起的地表移动变形，使位于移动影响范围内的建（构）筑物产生移动变形，当建（构）筑物移动变形大于其允许值时，建（构）筑物将被损害。建（构）筑物不需维修仍能保持正常使用所允许的地表最大变形值，称为临界变形值。在有关规程中规定，我国长度小于20m的砖石结构建筑物的临界变形值为：倾斜i=3mm/m，曲率k=0.2mm/m2，水平变形ε=2mm/m。

(1)下沉和水平移动对建（构）筑物的影响地表均匀地、平缓地下沉和水平移动可使建（构）筑物位置发生变化，但不会使建（构）筑物内产生较大附加应力，也不会使其损害。第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律（二）地表移动盆地边界的确定1.地表移动对建（构）筑物的影响

(2)地表倾斜对建（构）筑物的影响地表倾斜会使位于其影响范围内的建（构）筑物歪斜，特别是底面积很小而高度大的建（构）筑物，如水塔、烟囱、高压线铁塔等，如果地表倾斜过大，则可能使建（构）筑物重心偏离基础底面，使其倾覆。倾斜会使铁路、公路、管线等坡度发生改变，增加行车阻力，改变水流方向。(3)地表曲率对建（构）筑物的影响地表曲率变形使建（构）筑物地基产生弯曲，从而使建（构）筑物产生附加应力。正曲率（地表上凸）可使建（构）筑物中间受力大、两端受力小。产生倒八字形裂缝，负曲率则可使建（构）筑物中间受力小两端受力大，产生正八字形裂缝。第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律（二）地表移动盆地边界的确定1.地表移动对建（构）筑物的影响

(4)地表水平变形对建（构）筑物的影响地表水平变形通过建（构）筑物基础与周围土体的摩擦力而传递给上部建（构）筑物，使建（构）筑物产生附加应力和压应力，导致建（构）筑物拉坏和压坏，在门窗洞口、墙体、基础上产生裂缝。拉伸变形使管道、电缆拉断，使铁路钢轨轨缝加大。压缩变形使轨缝挤死，从而导致铁轨上鼓或侧弯而发生行车事故等。第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律（二）地表移动盆地边界的确定2.地表移动边界按照地表移动变形值的大小以及其对建（构）筑物及地表的影响程度，可将地表移动盆地划分出三个边界：最外边界、危险移动边界和裂缝边界。(1)移动盆地的最外边界移动盆地的最外边界，是指以地表移动变形为零的盆地边界点所圈定的边界。在现场实测中，考虑到观测的误差，一般取下沉10mm的点为边界点，最外边界实际上是下沉10mm的点圈定的边界。多年来的观测表明，有时水平移动为10mm的边界较下沉为10mm的边界大，有的学者建议取两者的最外边界作为移动盆地的最外边界。第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律（二）地表移动盆地边界的确定2.地表移动边界(2)移动盆地的危险移动边界移动盆地的危险移动边界，是指以临界变形值确定的边界，表示处于该边界范围内的建（构）筑物将会产生损害，而位于该边界外的建（构）筑物则不会产生明显的损害。我国一般采用i=3mm/m、k=0.2mm/m2和ε=2mm/m三个临界变形值中最外一个值确定的边界为危险移动边界。值得注意的是，不同结构的建（构）筑物能承受最大变形的能力不同，各种类型的建（构）筑物都对应有相应的临界变形值。(3)移动盆地的裂缝边界移动盆地的裂缝边界，是指根据移动盆地的最外侧的裂缝圈定的边界。第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律（二）地表移动盆地边界的确定2.角量边界描述地表移动盆地形态和范围的角量参数主要有以下几种：边界角、移动角、裂缝角、松散层移动角、充分采动角。

(1)边界角在充分采动或接近充分采动条件下，地表移动盆地主断面上盆地边界点（下沉为10mm）至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为边界角。当有松散层存在时，应先从盆地边界点用松散层移动角画线和基岩与松散层的交接面相交，此交点至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为边界角。按不同的断面，边界角可区分为走向边界角、下山边界角、上山边界角、急倾斜矿层底板边界角，分别用δ0、β0、γ0、λ0表示。第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律（二）地表移动盆地边界的确定2.角量边界

(2)移动角在充分采动或接近充分采动条件下，地表移动盆地主断面上三个临界变形中最外边的一个临界变形值点至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为移动角。当有松散层存在时，应从最外边的临界变形值点用松散层移动角画线和基岩与松散层交接面相交，此交点至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为移动角。按不同断面，移动角可区分为走向移动角、下山移动角、上山移动角、急倾斜矿层底板移动角，分别用δ、β、γ、λ表示。第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律（二）地表移动盆地边界的确定2.角量边界

(3)裂缝角在充分采动或接近充分采动条件下，地表移动盆地主断面上，移动盆地最外侧的地表裂缝至采空区边界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为裂缝角。按不同断面，裂缝角可区分为走向裂缝角、下山裂缝角、上山裂缝角、急倾斜矿层底板裂缝角，分别用δ“、β”、γ“、λ”表示。

(4)松散层移动角松散层移动角用φ表示。它不受矿层和基岩倾角的影响，主要与松散层的特性有关。第三节矿山开采沉陷学三、地表移动变形及破坏规律（二）地表移动盆地边界的确定2.角量边界

(5)充分采动角在充分采动条件下的地表移动盆地主断面上，移动盆地平底的边缘（在地表水平线上的投影点）和同侧采空区边界的连线与矿层在采空区一侧的夹角称为充分采动角。按不同断面，充分采动角可区分为走向充分采动角、下山充分采动角、上山充分采动角，分别用φ3、φ1、φ2表示。第三节矿山开采沉陷学第三节矿山开采沉陷学四、矿山开采沉陷的预计理论

地表沉陷的预计方法大致可分为剖面函数法、影响函数法（概率积分法）、连续介质力学方法、数值模拟和物理模拟法等。预计所需要的参数和资料有：开采几何要素，如采深、采厚、开采面积等；开采沉陷参数，如下沉系数、水平移动系数、拐点偏移距、主要影响角正切、边界角、充分采动角等；地层结构和岩体的物理力学性质参数，如煤层的倾角、断层、褶曲、弹性模量及强度参数等。这里仅主要介绍我国常用的影响函数法（概率积分法）。第三节矿山开采沉陷学四、矿山开采沉陷的预计理论

概率积分法：从预计手段看，现在应用较广的理论模型为随机介质理论，即概率积分法。作为随机介质的颗粒体介质，其移动规律可抽象为介质是由类似于砂粒或相对来说很小的岩块这样的介质颗粒组成的，颗粒完全失去了联系，可以相对运动。颗粒介质的运动用颗粒的随机移动来表征，并把大量的颗粒介质的移动看作是随机过程。第三节矿山开采沉陷学四、矿山开采沉陷的预计理论任意点变形计算:

利用概率积分法计算有限开采时地表任意点下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形的公式：第三节矿山开采沉陷学四、矿山开采沉陷的预计理论从概率积分的模型可以看出：有限开采的地表移动变形为两个半无限开采的地表移动变形通过几何叠加而得出的。第三节矿山开采沉陷学四、矿山开采沉陷的预计理论地表移动变形最大值计算:

—煤层法线采厚，m；

—下沉系数；

—煤层倾角，deg；

—水平移动系数；

—主要影响半径，m。式中：—地表最大下沉值，mm；

—地表最大倾斜值，mm/m；

—地表最大曲率值，10-3/m；

—地表最大水平变形值，mm/m；

—地表最大水平移动值，mm；第三节矿山开采沉陷学四、矿山开采沉陷的预计理论预测参数选取

概率积分法参数应包括下沉系数（q0及q1）、主要影响角正切（tgβ）、水平移动系数（b）、拐点偏移系数（s）、开采影响传播角（θ）等，参数选取应考虑重复采动的影响。必须说明参数选取的来源与依据，可以采用类比的方法确定，也可以根据相关规程分析计算确定。第三节矿山开采沉陷学四、矿山开采沉陷的预计理论地表移动持续时间：包括初始期、活跃期和衰退期三部分。地表下沉速度大于50mm/月（1.7mm/d）（煤层倾角小于45o），或大于30mm/月（煤层倾角大于45o）的时间称为活跃期；从地表移动期开始到活跃期开始的阶段成为初始期；从活跃期结束到移动期结束的阶段成为衰退期。基本稳沉时间:

一般是指地表移动持续时间的初始期和活跃期。第三节矿山开采沉陷学四、矿山开采沉陷的预计理论地表移动持续时间计算地表移动持续时间可通过公式计算，在无实测资料的情况下，地表移动的延续时间(T)可根据以下公式计算：式中：T—形成稳定沉陷地面移动的延续时间，d；

H—工作面平均开采深度，m。地表移动基本稳沉时间一般为地表移动的初始期和活跃期，一般为地表移动持续时间的60～70%。第三节矿山开采沉陷学五、金属矿山开采沉陷的预计理论地下开采金属矿，由于矿脉赋存条件、开采规模、开采工艺、顶板管理方式和围岩力学性质等强度与煤炭资源截然不同，其引发的地面塌陷规律也是不同的，采用煤炭系统常用的概率积分法对金属矿开采引发的地面塌陷进行评价预测是不合理的。根据《金属非金属矿山安全规程》和《采矿设计手册》的有关规定，该类矿山目前只能综合地利用多种方法对该矿山采用半定性、半定量的方法对其进行预测评价。第三节矿山开采沉陷学五、金属矿山开采沉陷的预计理论运用类比法，结合矿区实际地质情况、围岩强度、矿体埋深和开采工艺，确定该矿地表移动范围计算公式：端部地表移动范围计算公式：

上盘地表移动范围计算公式：

下盘地表移动范围计算公式：H1——开采深度范围内围岩的厚度，H2——第四系沉积层厚度，平均约为3m；

——端部移动角；

——上盘移动角；

——下盘移动角；

——第四系表土上盘移动角。（一）景观第四节景观生态学1、景观的概念景观，作为视觉美学上的概念，是指反映地形地貌景色的图像；作为地理学上的解释，是指某一地理区域的综合地形特征。在景观生态学中，景观，即一个空间异质性的区域，由相互作用的生态系统组成，以相似的形式重复出现。它强调空间异质性，其空间尺度随研究对象、方法和目的而变化，而且突出了生态学系统众多尺度和等级结构的特征。景观由景观要素组成，景观要素是地面上相对同质的生态要素或单元，按照各种景观要素在景观的地位和形状，可将景观要素分成斑块、廊道和基质三种类型，它们之间通过景观的能量流、养分流和物种流而相互作用。景观具有如下5个特征：

(1)景观由不同空间单元镶嵌组成，具有异质性；

(2)景观是具有明显形态特征与功能联系的地理实体，其结构与功能具有相关性和地域性；

(3)景观既是生物的栖息地，更是人类的生存环境；

(4)景观是处于生态系统之上，全球环境之下的中间尺度，具有尺度性；

(5)景观具有经济、生态和文化的多重价值，表现为综合性。（一）景观第四节景观生态学（二）景观生态学第四节景观生态学

1、景观生态学的概念

景观生态学是研究景观、运用景观再造技术将采煤沉陷破坏的区域进行合理景观要素配置，格局、功能和动态以及景观规划管理的综合性学科。Forman和Godron(1986)将景观生态学定义为:

研究由相互作用的生态系统组成的异质土地区的景观结构、景观功能及景观变化的学问。

（二）景观生态学第四节景观生态学2.景观生态学的研究内容景观生态学的研究对象和内容可以概括为3个基本方面。景观结构，即景观组成单元的类型、多样性及其空间关系。景观功能，即景观结构与生态学过程的相互作用或景观结构单元之间的相互作用。景观动态，即指景观在结构和功能方面随时间推移发生的变化。（二）景观生态学第四节景观生态学3、景观要素

无论是在景观生态学还是在景观生态规划中，斑块(path)一廊道(corridor)一基底(matrix)模式都是构成并用来描述景观空间格局的一个基本模式。

斑块是在景观的空间比例尺上所能见到的最小异质性单元，即一个具体的生态系统；

廊道是指不同于两侧基底的狭长地带，可以看作是一个线状或带状斑块，连接度、结点及中断等是反映廊道结构特征的重要指标；

基底是景观中范围广阔、相对同质且连通性最强的背景地域，是一种重要的景观元素。它在很大程度上决定着景观的性质，对景观的动态起着主导作用。景观要素间的联系景观之间的空间联系分为两种方式。一是网络结构，包括由廊道相互连接形成的廊道网络，和由同质性或异质性景观斑块通过廊道的空间联系形成的斑块网络；另一种是生态交错带，由异质性斑块空间邻接形成，它的显著特点是具有边缘效应。（二）景观生态学第四节景观生态学（二）景观生态学第四节景观生态学4、景观结构与格局

在景观生态学中，结构与格局是两个既有区别又有联系的概念。比较传统的理解是，景观结构包括景观的空间特征(如景观元素的大小、形状及空间组合等)和非空间特征(如景观元素的类型、面积比率等)两部分内容，而景观空间格局(1andscapepattern)一般指大小和形状不一的景观斑块在空间上的配置。另外，这两个概念均为尺度相关概念，表现为大结构中包含有小的格局，大格局中同样含有小的结构。不过，现阶段许多景观生态学文献往往不再区分景观格局和景观结构之间的概念差异。（二）景观生态学第四节景观生态学景观结构类型根据Forman意见，景观结构可分为四大类：①分散的斑块景观；②网状景观；③交错景观；④棋盘状景观。（二）景观生态学第四节景观生态学

景观格局类型

Forman和Godron(1986)将景观格局分为以下几类：①均匀分布格局；②聚集型分布格局；③线状格局；④平行格局；⑤特定组合或空间连接。景观对比度：景观对比度是指邻近景观单元之间的相异程度。景观粒度：景观尺度上有粗粒和细粒景观之分。

5、异质性(heterogeneity)

异质性是景观生态学的重要概念，指在一个景观区域中，景观元素类型、组合及属性在空间或时间上的变异程度，是景观区别于其他生命层次的最显著特征。景观异质性原理不仅是景观生态学的核心理论，也是景观生态规划的方法论基础和核心。地球上多种多样的景观是异质性的结果，异质性是景观元素间产生能量流、物质流的原因。（二）景观生态学第四节景观生态学6、尺度(scale)

尺度是景观生态学的另一个重要概念，指研究对象时间和空间的细化水平，任何景观现象和生态过程均具有明显的时间和空间尺度特征。7、景观连通性和连接度景观连通性是指景观元素在空间结构上的联系，而景观连接度是景观中各元素在功能上和生态过程上的联系。

（二）景观生态学第四节景观生态学（三）景观生态学应用第四节景观生态学

对景观生态学的简要介绍可以看出，景观生态学原理对矿区土地复垦生态重建有较好的指导意义。

(1)用于评价采矿、复垦等人类行为对景观结构、功能的影响及在景观变化中的作用，并用于土地复垦与生态重建规划。

(2)从景观生态学原理出发，矿区土地复垦遵循因地制宜原则不一定能获得理想的景观格局，为获得理想的景观格局，在遵循因地制宜原则的同时，应对影响景观变化趋势的有关参数进行人为调控。（三）景观生态学应用第四节景观生态学

对景观生态学的简要介绍可以看出，景观生态学原理对矿区土地复垦生态重建有较好的指导意义。

(3)根据斑块、模地、廊道间的相互作用关系，应将村庄、道路的规划纳入矿区土地复垦与生态重建规划中。目前大多数矿区在沉陷与复垦后，将村庄大部搬迁至未受沉陷影响的周边地区，大大减弱了村庄斑块与模地的关系，这对生产是非常不利的。

(4)生态演替与景观异质性的关系极为密切。景观元素的动态变化会使生态系统朝着一定的方向演化，景观异质性的大小对生态系统的稳定性具有重要的意义。在矿区土地复垦和生态重建时，应将生态演替与景观生态学原理结合起来应用。第五节土壤重构理论

土壤是植物赖以生存的基础，没有良好的土壤母质，作物与植被的建立就无从谈起或者说很难达到良好的效果。有关研究表明，现代复垦技术研究的重点应该是土壤因素的重构而不仅仅是作物因素的建立，为使复垦土壤达到最优的生产力，构造一个较优的土壤物理、化学和生物条件是最基本的和最重要的内容。土地破坏和复垦过程中都会对土壤进行了扰动，复垦后的土壤条件直接关系到复垦的成败和效益的高低，因此，重构一个较高土壤生产力的土地一直是土地复垦技术革新的动力和方向。有关研究表明，现代复垦技术研究的重点应该是土壤因素的重构而不仅仅是作物因素的建立，为使复垦土壤达到最优的生产力，构造一个最优的土壤物理、化学和生物条件是最基本的和最重要的，所以，土壤重构是土地复垦的研究重点和核心任务。一、复垦土壤重构的概念与内涵第五节土壤重构理论

土壤重构（soilreconstruction,soilrestoration）即重构土壤，是以工矿区破坏土地的土壤恢复或重建为目的，采取适当的采矿和重构技术工艺，应用工程措施及物理、化学、生物、生态措施，重新构造一个适宜的土壤剖面与土壤肥力条件以及稳定的地貌景观，在较短的时间内恢复和提高重构土壤的生产力，并改善重构土壤的环境质量。土壤重构必须全面考虑到自然成土因素对重构土壤的潜在影响，采用合理有效的重构方法与措施，最大限度地提高土壤重构的效果，并降低土壤重构的成本和重构土壤的维护费用。一、复垦土壤重构的概念与内涵第五节土壤重构理论

土壤重构的目的是重构并快速培肥土壤，消除污染，改善土壤环境质量，恢复和提高重构土壤的生产力，恢复土壤生态系统。对主要以土壤为重构材料的，恢复重构土壤的生产力是主要方面；对以矿区废弃物为主要重构物料的，应该在恢复重构土壤生产力的同时采取相应的污染处理与防治措施，减轻或消除土壤以及对作物的污染。土壤重构最经济、有效的方法是将矿区土壤重构与采矿工艺相结合，在某些情况下，可以不增加成本而构造出比采矿前更好的土壤。土壤重构过程与采矿工艺脱节必然导致复垦费用高、效果差。总之，土壤重构应该与采矿工艺密切结合，统筹考虑，应该将土壤重构或土地复垦一开始就纳入矿山开采设计，走在矿山开采之前。二、土壤剖面重构是复垦土壤重构的关键第五节土壤重构理论

土壤剖面（soilprofile）在土壤学上是指一个具体土壤的纵切面。一个完整的土壤剖面包括土壤形成过程中所产生的发生学层次及母质层次，不同层次的组合形成土体构型。土壤剖面重构（soilprofilereconstruction），概括地说就是土壤物理介质及其剖面层次的重新构造。是指采用合理的采矿工艺和剥离、堆垫、贮存、回填等重构工，构造一个适宜土壤剖面发育和植被生长的土壤剖面层次、土壤介质和土壤物理环境。可根据矿区具体条件，考虑重构物料特性，并分析所在区域的土壤形成条件，预测土壤发育过程，来制定土壤剖面重构计划。

二、土壤剖面重构是复垦土壤重构的关键第五节土壤重构理论

土壤剖面重构是土壤重构最为基础的第一步。土壤/介质剖面重构是决定土壤重构成败与效益高低的关键，人为构造一个适宜的土壤初始剖面层次是土壤重构最重要的任务之一。只有构造一个适宜土壤肥力因素发育的土壤介质层次，才有可能以较小的投入在较短的时间内进一步有效地培肥改良复垦土壤，达到土壤重构的目的和效果。土壤剖面重构与采矿工艺密切结合往往是最为有效的方法，需要根据当地具体的区域土壤地理条件，将矿山设计、开采与重构工艺融于一体。三、复垦土壤重构的类型第五节土壤重构理论

按煤矿区土地破坏的成因和形式，土壤重构主要可分为以下3类：即采煤沉陷地土壤重构，露天煤矿扰动区土壤重构和矿区固体污染废弃物堆弃地土壤重构。排土场土壤重构是露天煤矿土壤重构的主要内容。沉陷地土壤重构根据所采取的工程措施可分为充填重构与非充填重构。非充填复垦重构措施包括疏排法重构、挖深垫浅法重构、梯田法重构等重构方式。按土壤重构过程的阶段性，可分为土壤剖面工程重构以及进一步的土壤培肥改良。而土壤剖面工程重构是在地貌景观重塑和地质剖面重构基础之上的表层土壤的层次与组分构造。土壤培肥改良措施一般是耕作措施和先锋作物与乔灌草种植措施。三、复垦土壤重构的类型第五节土壤重构理论

按复垦所用主要物料特性的不同，可分为土壤的重构、软质岩土的土壤重构、硬质岩土的土壤重构、废弃物填埋场及堆弃地的土壤重构等等。在不同土壤类型区，自然成土因素对重构土壤的影响和综合作用不同，土壤的发育和形成过程各异。按区域土壤自然地理因素和地带土壤类型来划分，复垦土壤重构可分为：红壤区的土壤重构、黄壤区的土壤重构、棕壤区的土壤重构、褐土区的土壤重构、黑土区的土壤重构等等。三、复垦土壤重构的类型第五节土壤重构理论

复垦土壤重构可分为工程措施重构与生物措施重构。工程重构主要是采用工程措施（同时包括相应的物理措施和化学措施），根据当地重构条件，按照重构土地的利用方向，对沉陷破坏土地进行的剥离、回填、挖垫、覆土与平整等处理。工程重构一般应用于土壤重构的初始阶段。生物重构是工程重构结束后或与工程重构同时进行的重构“土壤”培肥改良与种植措施，目的是加速重构“土壤”剖面发育，逐步恢复重构土壤肥力，提高重构土壤生产力。生物重构是一项长期的任务，决定了土壤重构的长期性。三、复垦土壤重构的类型第五节土壤重构理论

根据重构目的和重构土壤用途分类：土壤重构根据目的和用途可分为耕地土壤重构、林地土壤重构、草地土壤重构；其中耕地土壤重构的标准最高。

耕地土壤重构是将恢复后的土地用于作物种植，是沉陷区土壤重构的重点研究目标，它要求重构土地平整、土壤特性较好、具备一定的水利条件。工程重构结束后应及时进行有效的生物重构措施，进一步改良培肥土壤。三、复垦土壤重构的类型第五节土壤重构理论

林地土壤重构是将重构后的土壤作乔灌种植，是重构物料特性较差时的主要重构方式，它对重构土壤层的标准要求较低，地形要求亦不是很严，允许地表存在较大的坡度。林业重构一般侧重其环境与生态效益，在此基础上才能考虑经济效益。所选先锋树种应该对特定恶劣立地条件有较强的适应性。对未达到土壤环境质量标准的废弃地的重构，可栽植能吸收降解有害元素的抗性乔灌品种，达到逐步净化重构土壤的目的。

草地土壤重构国内研究较少，西方发达国家相关研究较多，可与乔灌措施相结合使用。四、复垦土壤重构的一般方法第五节土壤重构理论

矿山复垦土壤重构的方法因具体重构条件而异，不同采矿区域、不同采矿类型、不同采矿与复垦阶段的土壤重构方法各不相同。

1、土壤重构的方法

煤矿区土壤重构的一般方法概括地如图1所示。土壤重构方法的确定首先要考虑到具体的采矿工艺和岩土条件；其次，土壤重构方法应该考虑到重构后的“土壤”物料组成与介质层次要与区域自然成土条件相协调；第三，土壤重构还要考虑到破坏土地复垦后的利用方向、法律法规要求、复垦资金保证等其他一些相关因素。四、复垦土壤重构的一般方法第五节土壤重构理论

四、复垦土壤重构的一般方法第五节土壤重构理论

2、土壤重构的一般程序土壤重构是一个长期的过程，土壤重构的一般程序是：首先考虑的是地貌景观重塑，它是土壤重构的基础和保证；然后是表层土壤剖面层次重构，目的是构造适宜重构土壤发育的介质层次；最后是重构土壤培肥改良措施（主要是生物措施），促使重构介质快速发育，短期内达到一定的土壤生产力。特别是对于利用矿山固体废弃物作为主要重构物料的土壤介质，只有采取适当的生物措施才能使重构物料逐步发育，从而形成土壤特性。四、复垦土壤重构的一般方法第五节土壤重构理论

3、在土壤重构的设计和实施中的注意问题

(1)采矿工艺及岩土条件对土壤重构方法的影响。土壤重构要以具体的采矿工艺和当地的岩土条件为基础，不同的采矿工艺和岩土条件要求采取不同的重构方式：井工采煤往往造成不同程度的地表沉陷，沉陷地的土壤重构可采用直接利用法、修整法、疏排法、挖深垫浅法、充填法等方法；露天矿土壤重构应该十分注重采排工艺的紧密结合，不考虑土壤重构的采排工艺必然会大大增加土壤重构的难度和成本，一般要求对表土进行剥离和回填，以及地质剖面重构及地貌景观重塑；对少土区来说，表土的剥离与回填最为关键；在无土区，则需要对各扰动层次进行样品分析，选择合适层次的物料作为替代“土壤”覆盖于表层；黄土区土层深厚，对表土的剥离与回填要求不高，但需要采取有效的水土保持措施防止水土流失，恢复植被，重建生态；在土壤重构的初期，偏重工程措施和物理化学方法，复垦的后期则多用生物生态措施。四、复垦土壤重构的一般方法第五节土壤重构理论

(2)区域土壤形成因素对土壤重构方法的影响。区域土壤形成因素必然对重构土壤产生长期的稳定的影响，并最终决定重构土壤的发育方向。土壤重构虽然是人为构造和培肥土壤，但是，人工措施只有与自然成土因素相协调，全面考虑到自然成土因素对重构土壤的影响，才能有效地发挥作用，从而使重构土壤最终与生态环境相协调，降低重构土壤的维护和管理费用。(3)复垦区域其他相关条件对土壤重构方法的影响。复垦区破坏土地利用方向的依据是相关法律法规以及区域土地利用总体规划，它们决定了破坏土地是否恢复为农林草用途，此为土壤重构的依据。复垦的投资是土壤重构的资金保证，复垦资金的多少，关系到土壤重构工艺和措施的选择，从而影响到重构土壤的质量。第五节土壤重构理论

4．土壤重构的方法步骤

对剧烈扰动的复垦土地，首