东部平原区地下煤层和地面耕地在空间上存在大面积重叠和采动耕地积水问题[1-2]，作为典型的煤炭和粮食复合主产区[3-4]，承担着国家粮食保障和煤炭资源保供的双重职责，协调煤炭开采与耕地保护的矛盾十分艰巨[5]。当2者发生冲突时，是选择地上的“粮”还是选择地下的“煤”，是煤粮复合区亟待解决的重大现实问题[6-8]。煤粮复合区“煤”与“粮”的关系，选择“煤”意味着“粮”的损失，即耕地损毁，而选择“粮”意味着放弃“煤”，即限制或禁止煤炭资源开发[6-7,9]。因此，新时期应改变这种“零和博弈”的思维局限，探寻资源开发与耕地保护之间的平衡点，最大限度地推动耕地保护和煤炭开发的协调发展。
矿区土地复垦与生态修复是解决矿区生态环境问题的有效手段[10-13]。我国的土地复垦工作历经了几十年的实践[10,14-16]，成效显著，探索形成了土壤重构、地貌重塑、生物修复以及综合利用等技术体系。但是当前的复垦技术都是针对煤炭开采结束后沉陷稳定的土地，传统的采煤沉陷地治理都是“先破坏，后复垦”，损毁状况持续很长时间，导致土地闲置荒芜，耕地资源浪费严重[17-20]。尤其是东部平原煤矿区，多煤层多次开采导致下沉大、积水深、损毁时间长[19-24]，若沉陷完全稳定之后再开始治理，大量土地沉入水中，可恢复利用的土地不多，使得耕地恢复率低[17,25-27]。新时代对绿色发展的需求更为迫切，矿区生态环境修复工作也有待新的突破[11,17,28-29]。
2016年，原国土资源部联合多部门发布《关于加强矿山地质环境恢复和综合治理的指导意见》，明确提出，到2025年要形成“不欠新账，快还旧账”的矿山地质环境保护与治理新局面[28-29]。为此，要改变现状，真正实现“不欠新账”，需要从理念上进行变革，摒弃传统的末端治理的理念，将“源头控制”和“过程治理”作为矿区生态环境治理的新理念[9,30]。要实现矿区生态环境的“源头和过程控制”，就应该在开采前或者开采过程中采取井下减损开采和地面复垦措施，即边开采边修复[15,29,31]。
边采边复的关键技术是复垦时机的优选[15,29,31-32]。在不同的地区、不同的地质采矿条件下，边采边复的影响因素千差万别，设计出的边采边复方案也不尽相同，尤其是复垦时机的选择，不同时间点复垦，复垦的难度以及土地的恢复率不尽相同[33-35]。如复垦时机过早，采煤沉陷影响尚未波及地表，此刻复垦能够提前挽救更多的表土资源，但是会提前挖损耕地，伴随着煤炭的后续开采，采动将会对已开展的复垦工程产生影响[15,36]；如复垦时机过晚，开采活动已经造成较严重的耕地和土壤资源损失，引起后期复垦工程量、成本增加，且复垦难度大[29,31]。因此，动态沉陷过程中选择合适的复垦时机至关重要。
针对复垦时机，一些学者以单一工作面及采区尺度、临界积水条件下开展了系统研究。单一工作面开采条件下，赵艳玲和胡振琪[27]构建了受开采方法、地下水位和表土剥离厚度等影响下的复垦时机模型，实例计算认为自开采47 d为最佳复垦时机。肖武等[37]基于单元法和概率积分法确定了各个地下开采单元对应的地面复垦时机计算模型,并通过实例验证了模型的实际应用可行性。孙杨杨等[33]认为单一工作面随着开采深度的增加，复垦时机不断延迟。陈景平等[34]认为单一工作面随着采厚的增加，复垦时机不断提前。袁冬竹等[35]以单一工作面为例，通过复垦率和土方量的线性交点得到最佳复垦时机。单一采区方面，肖武等[26,36]通过调整7个工作面5种接续的地面沉陷过程与规律，认为工作面跳采方式可以延长复垦时机，但当单一工作面采动地表积水的情况下，跳采技术不可延长复垦时机。此外，以上研究[26-27,36-37]多以采动临界积水条件进行复垦时机优化。井下源头减沉方面，LI Gensheng等[8]以采动临界积水为约束条件，优化工作面宽度，进而延迟复垦时机，但仅适用于首采工作面的复垦时机优化。郭广礼等[6]研究了采空区局部充填减沉技术，实现采动耕地不积水的目的，但对于高潜水位矿区量大面广的耕地而言，仅采取井下减沉措施将会受到充填成本和充填物料来源的限制。基于此，笔者以采区尺度为例，将地下减沉开采技术与地面预复垦技术相耦合，达到井上下采复耦合。
理想化的复垦时机是地表沉陷刚刚开始积水时开展复垦工程，此时没有土壤因积水而损失，可以抢救出更多的土方及恢复更多的耕地[25,37-38]，也就是采动临界积水。然而，实际施工时的复垦时机会受到自然因素和人为因素的多重影响，往往开始复垦工程时地表已经出现一定深度的积水[17]。为此，复垦时机的延迟伴随着耕地率的下降，那么所允许的积水深度区间是多少，允许的耕地率下降的区间是多少，还需要进一步分析，进而揭示浅积水情景下的复垦时机优选的条件。恰当的时机选择能够最大限度地挽救更多的土壤资源，同时，也能够使已开展的复垦工程最小限度地受到后续开采的不利影响。因此，需要建立客观合理的边采边复时机优选模型，为复垦时机的选择提供科学依据。
1 边采边复时机影响因素及类型划分
1.1 复垦时机的影响因素
1.1.1 自然因素
影响复垦时机的自然因素包括区域地下水位、地质条件、煤层赋存等，其是经自然演变形成，客观上难以改变，也称为影响复垦时机的内在因素。
地下水位直接影响复垦时机，主要取决于地下水位埋深与地表下沉值之间的空间关系，如图1所示。通常，地下水位埋深与复垦时机之间存在正比关系，即同一地表下沉值，水位埋深越浅则地表积水时间越早，进而复垦时机越早[17]。
图1 开采沉陷与地下水位及地表积水的空间关系
Fig.1 Spatial relationship between mining subsidence and groundwater level and surface ponding
地质条件是通过覆岩力学性质影响复垦时机，覆岩是采场引起地表沉陷的传播介质[7,39]。该介质具有典型的层状特性，且各层状厚度、位置和空间组合关系不同，则传递采动沉陷的能力亦不同。通常，覆岩强度与复垦时机成反比，即覆岩越坚硬对沉陷向上传递的阻隔作用越大，此时地表积水的工作面启动距越大，积水时间也就越晚。与此同时，覆岩强度与下沉系数成反比，当覆岩存在巨厚松散层时，采动下沉系数偏大，甚至大于1，此时采动地表积水和复垦时机将提前。
煤层作为矿井开采的经济地层，其不同厚度、埋深、倾角、层数等赋存状态均是复垦时机优选的核心影响要素。通常，深厚比与复垦时机成反比关系，即煤层埋深越大，复垦时机越晚，可采厚度越大，复垦时机越早[40]；煤层倾角，特别是急倾斜煤层地表沉陷盆地具有非对称性，一般沉陷盆地偏向下山方向[7,39]，则下山方向的复垦时机较早；而煤层数量对复垦时机的影响较为复杂，通常数量越多，复垦次数和时机越多，此外多煤层的空间组合关系也会影响复垦时机。
1.1.2 人为因素
相对于自然因素来说，人为因素具有多变性，对复垦时机的影响最为广泛和复杂，也是复垦时机优化的核心研究内容。人为因素也称为外在因素，其可分为四大类：地下开采因素、复垦施工因素、农时农事因素、政策因素。
地下开采是复垦时机选择的源头影响要素。相对于地下水位的直接影响而言，开采因素对复垦时机具有间接影响，这是由于地下采煤是通过岩层移动和地表变形等介质传递而影响复垦时机的选择。此外，开采因素具有典型的多变性，不同开采布局、采掘接替、回采方向、采矿方法、开采速度和顶板管理方式等均会产生不同的地表沉陷特征，进而影响地表积水过程和复垦时机[7,36,39-41]。实践证明，也可以优化开采措施来控制地表动态沉陷形态和积水时间[6]。例如，跳采—全采技术虽然不能改变地表最终沉陷形态，但是可以将采动地表变形分为2个阶段：跳采阶段通过优化采宽来控制地表下沉量，达到延迟复垦时机和保护耕地的目的；全采阶段可借助地表沉陷的快速集中释放特点，及时开展复垦工程，达到缩短复垦周期的目的。
复垦施工影响因素包括预挖深垫浅工艺、施工成本和工人熟练程度等[15,31,42]，该部分也特指一些非技术因素，影响过程具有不可预见性。不同的挖深垫浅工艺因涉水施工的难易所需的最佳复垦时机不同，例如，挖掘机、推土机和铲运机因难以涉水施工所需的复垦时机较早，泥浆泵次之，挖泥船最晚。与此同时，受复垦成本的影响，企业会以减小复垦土方量的方式降低复垦投资，往往会大幅推迟复垦时机，甚至稳沉后才开始复垦工程。工人熟练度影响复垦工程的进度，如非专业工人操作延迟复垦进度，则会适当将复垦时机提前。
农时农事因素包括作物播种至收割，以及与之相对应的农活[29,31,37,43]。当预设垫浅区耕地未损毁时，农民仍会播种，此时提前剥离表土和压占耕地农户不愿意，甚至会被举报，进而影响垫浅区的复垦时机。预设的挖深区内临近作物成熟时，若要开展挖土将被视为一种浪费粮食的行为，复垦时机被迫延迟。农闲时开始复垦，可以充分利用农村富裕的劳动力资源，此时农户也愿意配合复垦施工，进而可加快复垦进度和时间，
政策影响因素包括耕地保护政策、复垦政策及配套的监管[10,29]。现今严格的《基本农田保护条例》不允许提前开展预挖深垫浅工程，使得在现有政策下需待耕地积水后方可进场施工，则复垦时机被迫推迟。此外，复垦政策上对于复垦耕地面积超过一定指标的矿山缺乏市场化的激励措施，导致矿企也不愿为了多恢复耕地(多投资)而将复垦时机提前，便消极地待稳沉后才开始复垦。
1.2 复垦时机类型
1.2.1 临界积水下的复垦时机
在无外来土源的情况下，为了预挖取更多的土方量及降低复垦施工难度，需要结合地表沉陷过程开展复垦时机的优选[37,42,44]。然而，复垦时机太早会过早挖损耕地，此时产生的大量土方将大幅度提前压占耕地，高陡的预堆土将存在水土流失和失稳的现象。但复垦时机太晚，就会失去大量的土方，导致复垦耕地面积难以保障，若此时仍继续延迟复垦时机，甚至将出现末端复垦模式，如图2所示。
图2 不同复垦时机下的复垦布局
Fig.2 Reclamation layout for different reclamation timings
为了避免复垦时机太早或太晚而影响耕作和复垦率，需要优选最佳的复垦时机以平衡耕地保护和地下开采的关系。通过分析采动地表动态沉陷形态和耕地动态积水过程，可以发现耕地损失的原因在于沉陷积水，恢复耕地的核心在于抢救土壤。因此，理想的复垦时机就是不让一粒土壤进入水中，即临界积水状态，此时将地表沉陷达到临界积水的时刻作为理想的复垦时机或理论复垦时机。所谓临界积水就是指采动地表下沉值与潜水位埋深相等。然而，对于采区尺度来说，当单一工作面采动地表沉陷大于潜水位埋深时，复垦时机将大幅提前至首采工作面临界积水时刻。但是现代化矿井采区的服务年限往往达10 a之久，大型矿井甚至更长，将首采工作面作为复垦时机使得耕地过早损毁，此时开始复垦为时过早，也会显著增加采区复垦周期。因此，为延长耕地使用寿命和延迟复垦时机，可采取井下减沉和控沉措施使地表沉陷小于潜水位埋深[6]，延缓达到临界积水的时间。
1.2.2 浅积水下的复垦时机
现场施工受到多重人为因素的影响，通常无法按照理论复垦时机顺利开展复垦工程[37,42,44]。特别是现有耕地保护政策不允许提前挖损和压占耕地，使得复垦时机需待地表出现积水后方可开展复垦工程，这种受多重因素影响下的复垦时机称为实际复垦时机，该复垦时机在东部采煤沉陷地复垦中较为常见。
沉陷地实际施工时地表往往处于浅积水状态，但受可挖掘取土线(受当地条件和施工机械限制的最大取土下界)的限制，不同积水深度开始复垦可抢土厚度和可抢土方量不同，2者之间呈现负相关关系，但是当沉陷中部最大下沉值大于可挖掘取土线时，该区域取土量将骤降为0，如图3所示。由于无外来土源，则可挖取土方量与复垦耕地面积成正相关，进而积水深度下的复垦时机与复垦耕地面积存在负相关关系。因此，针对浅积水条件下的复垦时机，需要揭示积水深度对复垦率和复垦布局的影响规律，以预测复垦时机为任意浅积水深度所对应的复垦率。
图3 不同复垦时机可抢土深度及土量变化
Fig.3 Changes of excavatable digging deeps and earthworks at different reclamation timings
2 边采边复时机模型
2.1 边采边复的理论复垦时机模型
2.1.1 采动地表临界积水下沉值
区域潜水位埋深相对稳定，沉陷积水是地表动态下沉将潜水位埋深逐渐抬高，直到潜水位出露地表[21-22]。因此，需要确定采动地表临界积水下沉值[17]，一方面可以指导复垦时机的选择，另一方面能以临界下沉值为目标函数研究井下开采沉陷控制措施[6]。基于此，采动地表积水临界下沉值为地表原标高与潜水位标高之差，即潜水位埋深。
2.1.2 采动地表积水启动距及积水角量参数
在确定了地表临界积水下沉值后，需要进一步揭示该下沉值与工作面推进的空间关系。提出采动地表积水启动距，即地表临界积水时所对应的工作面推进距离，该距离可用临界积水角表示(图4)，满足：
(1)
其中，tan ∂为临界积水角正切值；H为开采深度；d为临界积水启动距。临界积水下的理论复垦时机为
(2)
其中，V为工作面推进速度。为求取临界积水角，需要以临界下沉值反算临界积水启动距。通常，该启动距为非充分采动，可采用开采沉陷理论进行计算。
P12～P56为地表积水新增范围；W0为采动地表临界下沉量
图4 采煤沉陷积水启动距及相关角量参数
Fig.4 Starting distance and relevant angular parameters of surface ponding caused by mining subsidence
为进一步揭示积水启动距之后的地表动态积水范围与工作面进尺之间的空间关系，将地表积水边界与开切眼侧煤壁连线，其与水平面所夹的锐角称为积水边界角[45]。其满足：
(3)
式中，tan ρ为采动地表积水边界角正切值；R1为地表积水边界与煤壁侧的水平距离，可现场测量得到。
近水平煤层采动地表沉陷盆地具有对称性，同理工作面侧的积水边界角与开切眼侧相同。理论上，工作面推进距离与地表积水边界增量相同，也就是说地表积水边界增速与工作面推进速度相同，进而工作面上方积水边界的复垦速度应与工作面推进速度相同。地表积水扩展也具有一定的周期性，进而可以根据工作面旬进尺或月进尺预测地表任意点的复垦时机，或某一区段所对应的复垦周期。因此，工作面方向的积水边界所对应的复垦时机可利用积水边界角推导出任意积水边界点Pwi开始复垦时工作面所处的空间位置，其满足：
(4)
综上所述，采动地表积水启动距与临界积水角可将井上下采复时空过程有机耦合，明确了初次复垦时机与地下开采时空位置关系，而积水边界角进一步揭示了采动积水边界处的复垦时机与工作面开采速度的关系，以此预测地表各点所对应的动态复垦时机。
2.1.3 临界积水下的工作面临界宽度模型
与单一工作面开采所不同的是，采区空间尺度大，开采周期长，其内还存在多个采煤工作面。为此采区地表积水时空尺度也相应增大，进一步增大了复垦周期和复垦范围。然而，采区可以通过优化工作面尺寸和工作面接续来控制地表积水时间和空间范围，以此延迟首采工作面地表积水和复垦时机。基于此，需要构建地表临界积水下的工作面临界宽度模型，该模型为非充分采动条件下的工作面宽度[46-47]，有必要区分实际工作面宽度和计算工作面宽度[20]，如图5所示。
S为采空区中部至原点距离
图5 非充分采动下的采宽计算示意
Fig.5 Schematic diagram of panel width calculation under insufficient mining
在此定义计算采宽与实际采宽和拐点偏移距之间的关系，其满足：
D0=D-S1-S2
(5)
其中，D0为计算采宽；D为实际采宽；S1和S2为采空区顶板左右两端拐点偏移距。根据叠加原理求出地表下沉量：
(6)
其中，W0为有限开采时的地表下沉量；We为半无限开采地表下沉量；m为采厚；q为下沉系数；α为煤层倾角；r为主要影响半径，取决于岩石的力学性质。应用概率积分函数，令
对式(6)作变元变换，将结果变成误差积分的形式，即
(7)
式中，Wmax为充分采动地表最大下沉量。
由于采动地表下沉盆地的对称性，盆地最大下沉量在采空区中部上方x=D0/2处，则下沉量为
(8)
进一步化简式(8)，得
(9)
式中，
为x=0及x=D0时的地表最大下沉量；tan β为沉陷盆地主要影响角正切值，其满足tan β=H/r。
不同开采宽度所对应的地表下沉值不同，则不能采用下沉系数。对式(9)进一步推导，得到地表下沉率q′的计算公式：
(10)
令式
得到下沉率与误差函数erf(B)的关系：
(11)
根据式(11)，可以地表下沉率为引数，查阅误差函数表获得B值，推导出实际采宽公式：
(12)
式(12)可以通过地表临界积水下沉值计算得到所对应的单一工作面宽度。为继续延迟复垦时机，区段间可采用跳采全采技术。然而，当跳采区段间隔煤柱较小时，将导致地表累计沉陷大于临界下沉值，复垦时机仍会提前，如图6(a)所示。当间隔煤柱较大时，将导致地表明显起伏，影响耕作，如图6(b)所示。因此，需要进一步优化煤柱(全采区段)宽度以控制地表沉陷叠加值和提高采区采出率。
图6 不同工作面宽度采动土地损伤特征
Fig.6 Damage characteristics of subsidence landform and ponding for different panel widths
要使跳采后地表为预设的平底型沉陷盆地，关键是要对全采宽度进行优化设计[20]。跳采阶段未达到充分采动，则可采用概率密度函数对非充分采动地表变形进行预计[6,47]。每个跳采工作面可视为独立开采单元，各跳采沉陷叠加为地表下沉的总和[48]。根据概率积分法，在定采留比的情况下，跳采地表任意点下沉可用式(13)计算：
(13)
式中，n为区段个数；L为最大下沉点到开采边界的距离。
由图6可知，只要留设的全采中心点下沉与跳采中心点的下沉值相等，那么采动地表将出现一个平底型下沉盆地，由式(3)推导得到此时全采区段宽度满足式(14)：
C≤0.94r-D
(14)
通过式(12)和(14)可以分别计算临界积水下的跳采实际采宽和全采宽度。
综上所述，结合复垦时机需求，可以将跳采全采地表下沉分为2个阶段，如图7所示：第1阶段为跳采沉陷控制阶段，此阶段地表最大下沉量为潜水位埋深，实现了跳采阶段不必开始复垦的目的；第2阶段全采可视为多工作面联合开采，首个全采工作面地表沉陷叠加将大于水位埋深，进而可将复垦时机推迟到全采阶段，该阶段可利用地表沉陷的快速集中释放特点，及时开展复垦工程。
图7 跳采阶段和全采阶段采动地表沉陷与潜水位的空间关系
Fig.7 Spatial relationship between surface subsidence and groundwater level in skip-mining stages and backing-mining stages
2.2 浅积水下的边采边复实际复垦时机模型
所提出的临界积水复垦时机往往是一种理想化的复垦时机[8,25]，而现场施工受众多不可控等人为因素影响，有时难以在临界积水时刻进行复垦，而多是在浅积水状态才开始复垦工程。为此有必要结合实际复垦时机的影响因素，厘清动态下沉与潜水面埋深的动态关系(图8)，以此为出发点，构建边采边复实际复垦时机模型。
图8 浅积水下的边采边复实际复垦时机
Fig.8 Actual reclamation timing of concurrent mining and reclamation with shallow ponding depth
由开采沉陷原理可知[6-7,39-40]，地表下沉取决于地质与采矿条件，而地质条件与采矿技术条件分别包含多种子因素，其满足式(15)函数关系：
W=f(G1,G2,G3,…,M1,M2,M3,……)
(15)
式中，W为地表下沉量；Gj为影响地表下沉的各类地质子因素j=1，2，3，……；Mj为影响地表下沉的各类采矿子因素。
地表积水的前提是明确影响潜水位变化的自然因素和人为因素，满足：
Hw=f(Hw1,Hw2,Hw3,……)±Hwx
(16)
其中，Hwk为影响积水的自然因素，包括降雨、水文地质、地形地貌和土壤特性等，其为多种因素构成的复杂函数共同影响潜水位，k=1,2,3，……；Hwx为影响积水深度的人为因素，包括采掘布局、复垦施工和复垦政策等，其影响复垦工程进场时间和复垦周期，进而影响复垦开始时的潜水位埋深。
地表积水时间取决于采动地表下沉值与潜水位埋深的空间关系[7,45]。理论复垦时机是一个关于采动地表沉陷与该时刻地表临界积水的关系式，其满足：
T0=f(W0,Hw)
(17)
前文所述复垦时机还需在理论复垦时机的基础上，考虑多重客观因素影响下的复垦时机决策分析[31,37,42]，得到实际复垦时机：
Tp=T0+t′
(18)
式中，Tp为实际复垦时机；t′为人为因素影响下的时间间隔。
3 临界积水下的理论复垦时机优选
3.1 临界积水下的井下减沉开采布局
为验证理论复垦时机模型，选取淮南顾桥煤矿北一采区为案例，地质采矿参数见表1。通过式(12)获得跳采工作面临界宽度为155.68 m，为满足工作面支架宽度参数需求，选取宽度为150 m。通过式(14)计算得到跳采全采工作面临界宽度之和为357 m，同理取全采工作面临界宽度为210 m。
表1 矿井北一采区地质采矿参数及跳采全采工作面临界宽度
Table 1 Geological mining parameters and critical width of skip-panels and back-panels in North No.1 Mining District
潜水位埋深/m采厚/m开采深度/m下沉系数tan β临界下沉量/m跳采工作面临界宽度/m全采工作面临界宽度/m1.003.08000.902.101.00150210
矿井北一采区设计服务年限30 a，区内原采矿设计包含22条工作面，工作面由北向南推进，为了释放瓦斯压力工作面由西向东间隔跳采，工作面平均宽度为250 m，长度2 210～2 863 m，如图9(a)所示。在参照了原采矿布局的基础上优化得到了边采边复时机需求下的采矿布局，如图9(b)所示。经优化，区内共布设工作面31条，其中跳采工作面16条，全采工作面15条，工作面由西向东顺序跳采。
图9 矿井北一采区原开采布局和优化后的开采布局
Fig.9 Original mining layout and optimized mining layout in North No.1 Mining District
3.2 减沉开采下的理论复垦时机优选
经开采沉陷预计，获得了跳采全采及原工作面采动土地沉陷形态，如图10所示：① 首个跳采工作面地表最大下沉值为1.00 m(图10(a))，实现了单一工作面采动地表不积水；② 3条跳采工作面采动地表叠加下沉值仍被控制在临界下沉值1.00 m以内(图10(b))；③ 整体跳采后形成了一个下沉值为1.00 m，面积为1 088.99 ha的平底型沉陷盆地(图10(c))；④ 首个全采工作面地表叠加下沉值为2.20 m(图10(d))，此时地表将积水；⑤ 原采矿设计中首采工作面地表最大下沉量为1.8 m，此时潜水位将出露地表(图10(e))。基于此，可以看出，优化后的跳采宽度成功地将地表沉陷控制在临界下沉值之内，避免了采动地表积水，此时不必开展复垦。然而，全采阶段地表最大下沉值大于潜水位埋深，该积水时刻便是采区理论复垦时机。因此，相比于原开采设计，跳采全采临界宽度成功地将复垦时机延迟到了全采阶段，即延迟复垦时机和耕地使用寿命12.5 a。
图10 矿井跳采阶段、全采阶段及原始单一工作面采动地表沉陷形态
Fig.10 Subsidence landform during skip-panels stages,full-panels stages and original single panels
4 浅积水下的实际复垦时机优选
4.1 浅积水下的边采边复情景模拟
案例选取山东龙固煤矿3条工作面，平均采深800 m，采厚9 m，走向长度1 500 m，倾向长度260 m。模拟了3种采厚情景7、9、11 m，在潜水位埋深3 m时，积水深度为0、1、2、3 m开始复垦时所对应的复垦面积和复垦布局变化，并与传统复垦和不复垦进行了对比，见表2和图11。
由表2和图11可知：
图11 采厚9 m时不同复垦时机下的复垦空间布局
Fig.11 Reclamation layout under different reclamation timings with the mining thickness of 9 m
表2 不同复垦时机下的复垦效果对比
Table 2 Comparison of reclamation effects in different reclamation timings
情景复垦时机最大下沉量/m水域面积/hm2耕地面积/hm2耕地率/%可挖取土方量/万m3情景1临界积水3.0068.12272.4080.00313.88积水1 m4.0077.98262.5577.10277.97积水2 m5.0096.29244.2471.72207.35传统复垦5.35112.87227.6566.85154.09不复垦5.35153.54186.9954.91—情景2临界积水3.0069.68270.8579.54380.02积水1 m4.0073.84266.6878.31369.50积水2 m5.0078.51262.0176.94347.62积水3 m6.0093.16247.3772.64274.31传统复垦6.60133.95206.5760.66131.97不复垦6.60165.03175.4951.54—情景3临界积水3.0076.44264.0877.55427.38积水1 m4.0080.16260.3676.46412.35积水2 m5.0083.67256.8675.43389.18积水3 m6.0088.29252.2374.07361.55传统复垦8.14148.18192.3556.49116.01不复垦8.14174.54165.9848.74—
① 以临界积水时机为起点，随着复垦时机的延迟，地表积水深度越大，损失的表土资源越多，复垦后能恢复的耕地面积和耕地率逐渐减小，所对应的水域面积不断增加；② 地表沉陷深度越大，传统复垦的耕地面积越小，其与边采边复的耕地面积差距越明显；③ 从临界积水时机到积水2 m时，虽然复垦效果有所下降，但是总体上差异较小。
由此表明，虽然临界积水时机是理想状态下开始复垦的最优时机，但是在实际操作中复垦工程开始施工的时间还受到诸多因素的影响，真正开始复垦施工的时间可能有所延迟，只要在积水条件允许的范围内，可以适当延迟复垦时机。这也增大了实际复垦时机的选择区间，为后续开展多因素影响下的时机决策提供了基础。
4.2 浅积水下的实际复垦时机优选
为了获取积水深度与复垦率之间的定量关系，首先对3种不同情景下的积水深度进行归一化处理。积水深度的单一变化转换为复垦时积水深度与该情景下最大积水深度的比值，将其定义为积水相对深度，复垦后的耕地率转变为比临界积水时刻复垦减少的耕地率，见表3。
表3 积水深度与复耕率的变化
Table 3 Changes of ponding depth and reclaimed farmland rate
情景复垦时机积水深度/m最大积水深度/m积水相对深度耕地率/%临界积水时刻耕地率/%比临界积水时刻复垦减少的耕地率/%情景1积水1 m1积水2 m22.350.425 577.100.851 171.7280.002.908.27情景2积水1 m1积水2 m2积水3 m33.600.277 878.310.555 676.940.833 372.6479.541.232.606.90情景3积水1 m1积水2 m2积水3 m35.140.194 676.460.389 175.430.583 774.0777.551.092.123.48
将积水相对深度与比临界积水时刻复垦减少的耕地率进行曲线拟合，建立积水深度与耕地率之间的函数关系，如图12所示，其满足指数曲线公式：
图12 不同积水深度下的复垦时机与复垦率变化
Fig.12 Changes of reclamation timing and reclamation rate under different ponding depths
y1=0.006e2.954x1,R2=0.957
(19)
其中，x1为积水相对深度；y1为相对于临界积水时刻减少的耕地率。通过式(19)即可计算矿井任意积水深度开始复垦时，其对应的耕地率比理论复垦时机的耕地率减少量。
由式(19)计算了积水相对深度每增加0.1，耕地率减少量的变化幅度。当积水相对深度超过0.6之后，耕地减少量的变化幅度超过了1%，出现急剧减少现象。积水相对深度为0.6时，耕地率比临界积水时刻复垦的耕地率降低3.65%。
反之，当需要使复垦耕地率指标达到一定数值时，可以利用式(19)的反函数式(20)来计算达到该耕地率应当控制的积水相对深度：
y1=0.339ln x1+1.721
(20)
当需要将耕地率所允许的差值控制在5%时，可通过式(20)计算积水相对深度为0.706 7，按照本研究区3种情景的最大积水深度，情景1采厚7 m中，可在积水深度为0～1.66 m进行复垦，情景2原始采厚9 m中，可在积水深度为0～2.54 m进行复垦，情景3采厚11 m中，可在积水深度为0～2.49 m进行复垦。
综上所述，浅积水条件有2种优选复垦时机的途径：一是根据积水相对深度增加所对应的耕地率变化幅度，确定开始出现急剧增大的点，该点的积水相对深度作为该地质采矿条件下的最优复垦时机；二是以复垦耕地率指标为约束条件，通过耕地率的减少量计算积水相对深度，以获取在该约束条件下的最优复垦时机区间。
5 讨论与结论
5.1 讨 论
首先，随着东部耕地的稀缺程度不断增加，耕地允许市场化、跨区域交易，例如安徽省规定淮南耕地指标价格约为389.98元/m2(皖自然资〔2020〕46号)。耕地占用税26.25元/m2(皖财税法(2019)969号)。青苗补偿费用2.70元/(m2·a)(淮府办〔2011〕7号)。淮南耕地产值5.10元/(m2·a)(水稻3.00元/(m2·a)，小麦2.10元/(m2·a))。挖深区水产养殖产值15.00元/(m2·a)。边采边复多恢复的耕地可以减少耕地购买资金、耕地占用税和每年的青苗补偿费，增加耕地和水产养殖产出效益，而边采边复的土地复垦成本通常小于30.00元/m2。因此，地面边采边复技术具有显著的投入产出效益优势，若考虑复垦耕地和水域长期产出效益，效果更佳，充分体现土地复垦“功在当下，利在千秋”的特点。
其次，所提出的井下减沉+预复垦措施，仅是调整区段接续，并不影响矿井采出率，对矿井的可采储量和资源总价不构成影响。此外，所研究的顾桥煤矿原采矿设计也是采用的跳采+全采技术，技术上具有可行性。优化后的临界工作面宽度仍属于宽条带开采，工作面仍可实现机械化开采。因此，耕地保护下的减沉措施技术可行，且对井下生产和采煤成本影响有限。
第三，当前的采煤成本多是考虑采煤效益的最大化，未将采煤的负外部性进行内部化，例如，以往采煤沉陷所产生的生态环境破坏、耕地损失、粮食减产、农民失业、失地农民的社会保障、人地矛盾等一系列负效应均没有纳入矿井的采煤成本当中，体现在当今采矿设计过度的追求井下的高产、高效率，而忽略了综合效益(社会效益、经济效益和生态效益)的最大化，一旦开始考虑地面保护而采取源头减损措施时，可能会增加井下的采煤成本，但是只要增加的综合效益在可接受范围内即可。此外，采煤经济效益容易核算，也是矿井的常规核算内容，然而采煤产生的负面社会效益和生态效益难以估算，例如生态系统服务价值、碳源碳汇效益、粮食供给效益、土地的可持续效益等。因此，边采边复技术可以进一步平衡矿区地面保护效益和井下采煤效益，避免出现资源诅咒效应，源头上减小传统采煤中出现的社会和生态负效益，该技术也符合国家耕地保护和环境保护政策要求。
综上所述，所提出的井上下平行作业的地面边采边复技术、井下减沉的耕地源头保护措施+地面预复垦措施，具有技术可行、经济合理和生态友好的优势，随着生态文明建设和耕地保护政策的持续推进，该技术可推广应用性更强。
5.2 结 论
(1)高潜水位采煤沉陷地复垦时机与自然因素和人为因素密切相关。复垦时机与采深、开采宽度、覆岩强度成反比关系，而与潜水位埋深、开采速度、采厚成正比关系。通常，边采边复时机的选择应该避开雨季、作物成熟期和农忙期。此外，复垦时机也可以通过井下开采减沉措施进行控制，例如，条带开采、采空区局部充填、限厚开采和离层注浆等均可延迟复垦时机。
(2)基于采动地表积水的动态特性，在条件允许的情况下，提出在采区时空尺度上可依据边采边复的理论复垦时机同步优化工作面宽度和接续，实现延长耕地使用寿命、延迟复垦时机和缩短复垦周期的目的。以顾桥煤矿为例，通过优化工作面宽度和开采接续，成功地将跳采阶段地表最大下沉值控制在临界积水下沉值1 m，进而延迟复垦时间12.5 a。
(3)以山东龙固煤矿为例，从不同采厚情形，不同积水深度(实际复垦时间)所对应的复垦耕地面积和耕地率等方面，研究发现以临界积水时机为起点，随着复垦时机的延迟，地表积水深度越大，损失的表土资源越多，所能复垦的耕地面积和耕地率逐渐减小。在积水深度为0～2 m时，复垦率变化幅度较小，则可以在积水深度允许情况下，适当延迟复垦时机，以此增大实际复垦时机的选择区间，为多因素影响下的复垦时机决策提供科学依据。
(4)利用实例模拟数据和归一化分析，建立了浅积水相对深度与耕地率减少量之间的通用关系模型。基于通用关系模型，可以进一步预测浅积水情景下的边采边复时机优选方法，并给出了在通用关系模型下确定复垦时机的2种途径：以浅积水深度优选复垦时机和以复垦率指标优选复垦时机。
(5)针对高潜水位煤粮复合区边采边复的动态沉陷预抢土特点，为了最大程度地获取土方以及最大程度地体现土地复垦的长期效益，建议打通边采边复用地政策，允许复垦工程提前进场，提倡将临界积水作为最佳复垦时机，避免在已知即将损毁的耕地上为了临时耕地保护而损失大量土壤资源、增加积水复垦难度和错失最佳复垦时机，最终导致永久性失去耕地的现象，从长远角度上得不偿失。
以上边采边复理论复垦时机和实际复垦时机为核心的矿区生态修复技术的提出，将进一步平衡煤粮复合区地下采煤与耕地保护之间的关系，对更好地理解边采边复时机、引导最佳复垦时机的选择和最佳复垦耕地率指标的确定提供了科学依据，将进一步促进井上下采复耦合技术的创新发展。
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