非穩(wěn)沉采煤沉陷區(qū)前置式治理技術(shù)的實(shí)踐

張 燕

（長治市煤礦技術(shù)服務(wù)中心，山西 長治 046000）

山西省沁水煤田長治礦區(qū)近年來的大規(guī)模開采，導(dǎo)致形成大面積采煤沉陷區(qū)，破壞了植被和生態(tài)環(huán)境，損毀了土地，污染了環(huán)境，帶來一系列環(huán)境和社會(huì)問題。因此積極探索采煤沉陷地治理模式，可使治理后的采煤沉陷地獲得較好的生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，意義重大。長治礦區(qū)對(duì)于穩(wěn)沉采煤沉陷區(qū)的治理較多，而未穩(wěn)沉區(qū)域由于長期處于持續(xù)下沉階段，幾乎沒有進(jìn)行治理。針對(duì)這一情況，長治市煤礦技術(shù)服務(wù)中心提出非穩(wěn)沉沉陷區(qū)前置式治理的超前治理模式[1-2]，并對(duì)該種模式的基本技術(shù)要求和注意事項(xiàng)進(jìn)行了探討。該治理模式在長治市常村煤礦進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，效果顯著。

1 概況

1.1 采煤沉陷地基本情況

山西長治礦區(qū)含煤面積1 781.3 km2，境內(nèi)已累計(jì)探明煤炭資源量341.8×108t，目前有煤炭礦山30多個(gè)，煤炭年產(chǎn)量8000×108t。當(dāng)前隨著煤炭資源的進(jìn)一步開發(fā)，資源與環(huán)境問題愈來愈突出。長治礦區(qū)主采煤層3～6層，可采厚度一般為2～13 m，由于全部為地下開采，所造成的主要問題是采煤沉陷對(duì)土地資源的破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年12月，礦區(qū)累計(jì)沉陷土地可達(dá)72 000 hm2，且每年以近2500 hm2的速度遞增。礦區(qū)現(xiàn)有沉陷區(qū)35處，其中2 m以下淺層沉陷區(qū)約占1/3。地面沉陷破壞了地表植被，改變了土地用途，使大片沉陷的土地?zé)o法耕種，河流被迫改道，地面建筑被毀，交通中斷，很多原先人煙稠密的村莊沉陷成為大水面，生態(tài)失衡遭到嚴(yán)重破壞。

1.2 當(dāng)前治理模式存在的問題分析

長治礦區(qū)從2000年開始對(duì)采煤沉陷地進(jìn)行治理，已累計(jì)治理采煤沉陷地面積2 735.7 hm2，治理率達(dá)38%，但存在的問題也較多。在長治礦區(qū)沉陷72 000 hm2的土地中，未穩(wěn)沉區(qū)達(dá)2 845.32 hm2。未穩(wěn)沉沉陷區(qū)地層尚不穩(wěn)定，且受繼續(xù)沉陷的影響，基本沒有進(jìn)行大規(guī)模的工程建設(shè)修復(fù)，主要進(jìn)行非正規(guī)生態(tài)修復(fù)以及發(fā)展水產(chǎn)、水禽養(yǎng)殖等短期養(yǎng)殖業(yè)。目前，國內(nèi)一般采用破壞后再治理的傳統(tǒng)治理模式，這種治理模式存在著以下主要問題：

（1）在沉陷過程中（2年以上）土地資源不能有效利用。

（2）在長期沉陷過程中，沉陷區(qū)土地荒涼，植被雜生，出現(xiàn)亂種、亂建、亂倒等現(xiàn)象，環(huán)境受到破壞，給后期治理工作帶來嚴(yán)重阻礙。

（3）大規(guī)模沉陷后的土壤資源，在土地平整、挖深墊淺等治理工程中，重新搬運(yùn)增加成本。

（4）由于沉陷地下沉積水，在治理過程中耕作層難以保護(hù)和利用。

2 采煤沉陷區(qū)前置式治理模式分析

2.1 前置式治理模式

采煤沉陷區(qū)前置式治理是指在采煤區(qū)域沉陷下沉量科學(xué)預(yù)測的基礎(chǔ)上，采用挖深墊淺等工程手段對(duì)即將沉陷或正在沉陷的區(qū)域進(jìn)行超前治理的一種治理方式。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢分析

采煤沉陷區(qū)前置式治理模式的主要技術(shù)優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：

（1）有效保護(hù)耕作層，保障耕地質(zhì)量。在治理工程區(qū)域有利于取出耕作層，集中堆放備用。耕作層保護(hù)雖然增加了部分治理費(fèi)用，但能有效提高土地質(zhì)量，提高作物生長水平，也使礦山企業(yè)減少了肥力補(bǔ)償費(fèi)。

（2）可以進(jìn)行大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)，降低治理成本。據(jù)初步估算，與后置式治理相比，前置式治理可以降低治理土方工程費(fèi)用的30%～40%，且工期可以減少2/3，也降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，效率大幅度提高。

（3）可以有效提高土地利用效率。采用后置式治理，一般需要在治理單元所有煤層全部采完穩(wěn)沉后方可治理。單一煤層需要2～3年時(shí)間，在多層煤區(qū)域，有的需要10年以上時(shí)間，在首層煤開采后，沉陷的土地即處于荒蕪的狀態(tài)。前置式治理僅在治理過程中不能利用，治理后土地即可利用。

（4）可以有效保護(hù)土壤資源。后置式治理難以利用深部沉陷區(qū)土壤資源，前置式治理將預(yù)測的深層沉陷區(qū)土壤資源提前運(yùn)出回填淺層沉陷區(qū)，使深層沉陷區(qū)的土壤有效利用。

（5）可進(jìn)行大手筆規(guī)劃。后置式治理時(shí)沉陷區(qū)環(huán)境嚴(yán)重破壞，深淺不一，一般只能因地制宜進(jìn)行治理。前置式治理時(shí)，治理區(qū)地質(zhì)環(huán)境簡單，可根據(jù)發(fā)展所需進(jìn)行大手筆規(guī)劃，綜合治理，高效利用采煤沉陷區(qū)。

2.3 技術(shù)要求

前置式治理的基本步驟為：煤礦開采資料收集→地表現(xiàn)狀地形測量→下沉量預(yù)測→治理規(guī)劃→標(biāo)高設(shè)計(jì)→表土層剝離→挖填方→表土層覆蓋→高程復(fù)測→后續(xù)工程。在治理過程中要把握好以下關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）準(zhǔn)確預(yù)測沉陷等值線。充分掌握開采區(qū)域煤層層數(shù)、產(chǎn)狀、采厚、埋深、上覆巖性以及開采布局、開采時(shí)序，根據(jù)長治礦區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律研究成果，建立數(shù)學(xué)模型，采取概率積分預(yù)計(jì)方法進(jìn)行地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)，科學(xué)選取預(yù)測參數(shù)，采用礦區(qū)開采沉陷預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算地表移動(dòng)數(shù)值，確保沉降預(yù)測的可靠性。

男人和女人在思考問題的時(shí)候關(guān)注的視角是不一樣的，男人多是理性動(dòng)物，更關(guān)注邏輯和怎么解決現(xiàn)實(shí)中的問題；而女人則更偏向于感性，溝通的主要目的是獲得情感上的認(rèn)同和溫暖。這樣的一種不對(duì)稱，很容易造成一些溝通中誤解。

（2）科學(xué)確定兩個(gè)標(biāo)高，即填方區(qū)回填標(biāo)高和挖方區(qū)底板標(biāo)高。根據(jù)沉陷區(qū)綜合利用規(guī)劃，科學(xué)確定設(shè)計(jì)標(biāo)高，厘清下沉值、現(xiàn)狀標(biāo)高、同填厚度、穩(wěn)沉后標(biāo)高之間的關(guān)系，充分考慮同填土松散系數(shù)等數(shù)值，確保沉陷穩(wěn)沉后達(dá)到一次性治理目的。

（3）平衡挖填方量。挖方、填方是工程治理的主要部分，土方量的計(jì)算直接關(guān)系到工程造價(jià)。一般要求，獨(dú)立區(qū)域工程的挖、填方量需大體平衡，以縮短運(yùn)輸距離和節(jié)省工程費(fèi)用。

（4）正確把握好沉陷時(shí)序與治理時(shí)序接點(diǎn)。充分了解擬治理區(qū)域煤層賦存狀況，掌握礦山開采計(jì)劃及該區(qū)域同采時(shí)間和次序，科學(xué)預(yù)測地表沉陷時(shí)間。治理結(jié)束時(shí)間一般不超過開始沉陷時(shí)間的2年。

（5）保護(hù)好耕作層。在治理前，選定合適的區(qū)域堆放耕作土。治理時(shí)，首先剝離耕作土，一般剝離厚度在0.3～0.5 m。

3 前置式治理模式實(shí)踐應(yīng)用

3.1 工程概況

長治礦區(qū)常村煤礦采煤沉陷區(qū)達(dá)2 655.4 hm2，治理區(qū)位于常村煤礦3、4、5、6四個(gè)煤層開采區(qū)域，地表全部受到采動(dòng)影響，處于不均勻下沉、局部沉陷積水狀態(tài)，嚴(yán)重影響城市景觀。由于大部分區(qū)域需3～10年才能趨于穩(wěn)沉，根據(jù)城市發(fā)展控制性規(guī)劃，決定采取超前治理措施，合理利用土地和水域資源。

3.2 治理措施

常村煤礦非穩(wěn)沉采煤沉陷區(qū)前置式治理措施如下。

采用中國礦業(yè)大學(xué)開采損害及防護(hù)研究所研制的礦區(qū)開采沉陷預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)今后由于老采空區(qū)巖石固結(jié)引起地表殘余移動(dòng)變形情況以及今后礦區(qū)開采回收將來形成的采空區(qū)進(jìn)行了預(yù)計(jì)，穩(wěn)沉后區(qū)域殘余+未采煤層下沉量最大下沉有6 m之多。

3.2.2 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)最終下沉量預(yù)測結(jié)果，結(jié)合長治礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理規(guī)劃、采煤沉陷區(qū)土地綜合整治規(guī)劃、土地利用總體規(guī)劃和城市總體規(guī)劃，本著宜水則水、宜林則林、宜建則建的原則，科學(xué)控制標(biāo)高，將該區(qū)域分為兩個(gè)施工區(qū)（I區(qū)、Ⅱ區(qū)），已穩(wěn)沉區(qū)域恢復(fù)為建設(shè)用地，非穩(wěn)沉區(qū)域主要恢復(fù)為公園、綠地與湖泊水面，局部地塊恢復(fù)為建設(shè)用地。

3.2.3 非穩(wěn)沉區(qū)域前置式治理措施

（1）建設(shè)用地、公園與綠地控制標(biāo)高的確定。已穩(wěn)沉區(qū)域標(biāo)高設(shè)計(jì)參照原地面標(biāo)高確定，未穩(wěn)沉區(qū)域標(biāo)高設(shè)計(jì)按預(yù)測沉陷等值線和原地面標(biāo)高共同確定。根據(jù)預(yù)測等值線和現(xiàn)狀標(biāo)高，填方為城鎮(zhèn)建設(shè)用地標(biāo)高的海東路以南I區(qū)I1-1、Ⅱ區(qū)Ⅱ1-1地塊，地塊填方標(biāo)高為+33.0 m，龍山路以東I區(qū)I1-3地塊填方標(biāo)高為+32.5 m。填方為公園與綠地標(biāo)高的淮海東路以南I區(qū)I2-1地塊，填方標(biāo)高為+32.5～+33.0 m，人民路以北Ⅱ區(qū)Ⅱ2-1地塊預(yù)測沉陷最深，設(shè)計(jì)標(biāo)高確定為+ 36.0 m，最終穩(wěn)沉標(biāo)高為32.5 m。填方厚度按區(qū)塊沉陷等值線確定，原則上塌多少填多少，一般為1.0～6.5 m。

（2）表土“剝離還原”治理措施。在區(qū)域內(nèi)無積水淺表沉陷的旱地沉陷區(qū)，地貌變化不大，下沉程度較淺的區(qū)域，在對(duì)表土進(jìn)行剝離后，利用機(jī)械進(jìn)行推高墊低，修平復(fù)整后表土還原，并改進(jìn)水利條件，恢復(fù)為公園、綠地。

（3）“挖深墊淺”治理措施。對(duì)于沉陷區(qū)凹凸不平、深淺不一的區(qū)域，在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)械施工，挖深墊淺，在呈現(xiàn)區(qū)的深部取土填在淺部，淺部平整為建設(shè)用地，深部恢復(fù)為湖泊水面。

3.2.4 水面標(biāo)高設(shè)計(jì)和土方平衡

（1）水面標(biāo)高設(shè)計(jì)。按設(shè)計(jì)水域預(yù)測沉陷等值線和現(xiàn)狀標(biāo)高，結(jié)合長治礦區(qū)周邊水庫和附近河流的常年水位、洪水位標(biāo)高以及淮水北調(diào)、水域庫容的要求，確定治理區(qū)水面設(shè)計(jì)標(biāo)高為+ 30.5 m，最深水底設(shè)計(jì)標(biāo)高為+25 m。

（2）土方平衡。對(duì)建設(shè)用地、公園與綠地區(qū)域進(jìn)行表土剝離，設(shè)計(jì)剝離表土121.22×104m3，并對(duì)公園與綠地治理后進(jìn)行表土覆蓋。項(xiàng)目區(qū)挖方量2 398.22×104m3，填方量2 395.45×104m3，余土方量主要堆放于I1-2區(qū)粉煤灰堆場內(nèi)。

3.3 效果分析

常村煤礦非穩(wěn)沉采煤沉陷區(qū)，充分利用沉陷土地和水資源，治理成了公園、綠地與湖泊水面的生態(tài)環(huán)境，形成了農(nóng)業(yè)、休閑、旅游于一體的生態(tài)公園體驗(yàn)園區(qū)，促進(jìn)了當(dāng)?shù)爻料輩^(qū)生態(tài)改善和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

4 結(jié)論

采煤沉陷區(qū)前置式治理模式是在各地穩(wěn)沉區(qū)域成熟治理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的一種全新的治理模式，是值得繼續(xù)探索實(shí)踐的一種沉陷地治理模式。長治礦區(qū)在不斷的探索中初步掌握了技術(shù)要領(lǐng)，該前置式治理模式在常村煤礦中進(jìn)行了運(yùn)用，取得了一定成效，下一步可進(jìn)行全面推廣應(yīng)用。