李樹志

(中煤科工集團(tuán) 唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

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采煤沉陷區(qū)城市建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

李樹志

(中煤科工集團(tuán) 唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

[摘要]以淮北礦區(qū)為例對采煤沉陷區(qū)城市建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究，根據(jù)長期的巖移觀測、采空區(qū)建筑物沉降監(jiān)測與采動區(qū)“活化”機(jī)理研究，提出了基于城市建設(shè)規(guī)模性土地利用的煤層群開采沉陷地區(qū)域性穩(wěn)定概念和評價方法，創(chuàng)建了煤炭開采沉陷區(qū)域穩(wěn)定評價與控制、建筑群抗變形等技術(shù)體系，解決了采煤沉陷區(qū)城市建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了采煤沉陷區(qū)直接建設(shè)高層建筑群的技術(shù)突破。

[關(guān)鍵詞]采煤沉陷；城市建設(shè)；巖移規(guī)律；區(qū)域穩(wěn)定評價；建筑群抗變形

礦業(yè)城市是國家建設(shè)所需礦物原料和能源的主要供應(yīng)基地，在支持國家能源工業(yè)進(jìn)步和社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時也造成大面積土地沉陷，影響了礦業(yè)城市的建設(shè)發(fā)展和礦區(qū)農(nóng)民的生產(chǎn)生活。十八大以來，我國大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，提出要節(jié)約集約利用資源，推動資源利用方式根本轉(zhuǎn)變，加強全過程節(jié)約管理，大幅降低能源、水、土地消耗強度，提高利用效率和效益。開發(fā)利用采煤沉陷區(qū)大量的土地資源作為城市建設(shè)用地是實現(xiàn)土地節(jié)約利用的有效途徑。如何在煤炭資源開發(fā)過程中，結(jié)合國家的小城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略，實現(xiàn)煤炭資源開發(fā)與礦區(qū)小城鎮(zhèn)協(xié)調(diào)建設(shè)、土地集約節(jié)約利用、農(nóng)民安居樂業(yè)是亟待解決的問題。

1采煤沉陷區(qū)概況

淮北市地處安徽省北部淮北平原中部，北部為黃泛沖積平原區(qū)，土壤肥沃，地面平整，南部為古老河湖沉積平原，地勢較低?；幢钡V區(qū)沖積層較厚，一般32～84m，市域內(nèi)地表水系發(fā)育，全市河流有十多條，屬淮河水系。地下水豐富，水位較高，全市平均淺層地下水位埋深2.37m。

淮北市作為全國重要的煤炭能源基地，煤炭開采歷史悠久，境內(nèi)現(xiàn)已形成地表沉陷區(qū)總面積為150km2；主城區(qū)規(guī)劃區(qū)中部存在著由岱河、相城、朱莊、楊莊、雙龍公司(原張莊)等煤礦長期開采后所形成的大面積采煤沉陷區(qū)。各煤礦開采煤層基本情況見表1。

2厚沖積層高潛水位礦區(qū)地表移動變形時空規(guī)律及形成機(jī)理

淮北礦區(qū)沖積層是全國最厚的礦區(qū)之一，潛水位較高，表土層上半部內(nèi)有數(shù)個流砂層，厚度從10～30m不等，下部多為含礫石黏土層，隔水性好。地表移動特征受表土影響較嚴(yán)重。煤系地層巖性中硬偏軟，以泥巖、砂巖為主，泥巖占50%以上，淮北市主城區(qū)規(guī)劃內(nèi)覆巖屬于較軟弱類。

表1　各煤礦開采煤層基本情況統(tǒng)計

通過研究現(xiàn)場長期觀測數(shù)據(jù)，總結(jié)出淮北礦區(qū)采煤沉陷地表變形與殘余變形時空規(guī)律。

(1)下沉系數(shù)偏大根據(jù)楊莊、雙龍公司(張莊煤礦)、岱河礦12個地表觀測站觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，研究區(qū)下沉系數(shù)q為0.8～1.15，下沉盆地中最大下沉點下沉量偏大。隨著沖積層厚度h的增加，q值有所增大。當(dāng)沖積層厚度h<90m時觀測站平均下沉系數(shù)q為1.01，當(dāng)h>120m時觀測站平均下沉系數(shù)q為1.08，主要原因是由于沖積層較厚，其占采深比例較大，沖積層內(nèi)有2～4層含水流砂層，受煤炭開采疏排水與松散層疏水共同作用影響，含水層固結(jié)，地表下沉系數(shù)增加0.2～0.4。

(2)下沉范圍大，下沉平緩(主要影響角正切tanβ值小)全礦區(qū)tanβ平均值為1.74，一般變化在1.33～2.3之間。隨著沖積層厚度h增加，tanβ值有所增加，當(dāng)h<90m時，tanβ平均值為1.71；當(dāng)h>120m時，tanβ平均值為1.82。下沉盆地范圍擴(kuò)展較遠(yuǎn)，下沉范圍大與潛水位較高(地表下沉1～2.0m時地面積水)有關(guān)。

(3)水平移動系數(shù)b值較大，并隨沖積層厚度的增大而趨于增大實測水平移動系數(shù)b在0.23～0.47之間，當(dāng)沖積層厚度h<90m時，b的平均值為0.29；當(dāng)h>120m時，b的平均值為0.37。

(4)拐點偏移距較小通過觀測站實測資料求得拐點偏移距較小(0.09～0.12H)，平均值為S=0.104H，對比“三下采煤規(guī)程”附表5-4可以看出，淮北礦區(qū)的拐點偏距相當(dāng)于軟巖的數(shù)值。

研究區(qū)地表移動參數(shù)值見表2。

(5)重復(fù)采動情況下，地表下沉量增加由于受采深、采厚、沖積層厚度、基巖厚度、工作面位置、開采時間等條件的不同，地表變形值存在差異，主要原因是由于受各層開采影響，地表變形相互疊加后抵消或增加造成的。

表2　研究區(qū)地表移動參數(shù)值

(6)地表移動初始期和活躍期較短，但下沉值占總下沉量的比例大在采深為71～327m條件下，總移動期為130～433d，初始期3～75d?；钴S期占總移動期的53%，而該期間的下沉值卻占總下沉值的80%。

初始期和活躍期占總移動期的67%，下沉量占總下沉量的93%，動靜態(tài)最大下沉比值、最大傾斜比值和最大正曲率比值接近于1，最大負(fù)曲率比值為0.6，說明軟巖移動過程時間短，充分顯現(xiàn)了軟弱覆巖特征。地表下沉速度及下沉曲線見圖1。

圖1　地表下沉速度及下沉量曲線

(7)地表殘余變形均勻偏小淮北礦區(qū)地表殘余變形均勻偏小，衰退期地表穩(wěn)定，地層塌陷比較密實。這是由于該區(qū)地表沖積層較厚，可采煤層數(shù)較少，開采時間相對集中，煤層傾角平緩且上覆巖層巖性整體偏軟、冒落充分，現(xiàn)代礦業(yè)集團(tuán)長期采用大規(guī)模正規(guī)長壁開采，開采范圍大、工作面布設(shè)整齊、煤層回收完整、地質(zhì)資料準(zhǔn)確等多種因素共同作用造成的。

(8)地表移動分布地表下沉和水平移動實測分布與概率積分法計算值符合程度較好，但在下沉盆地邊緣部分，概率積分法曲線收斂較快?？傮w分析，可以用概率積分法描述礦區(qū)下沉和水平移動值的分布。

綜合地表變形與殘余變形時空規(guī)律可以看到，淮北礦區(qū)高潛水位、厚沖積層(分布2～4層含水流砂層)、軟弱覆巖、淺埋深條件下長壁開采，根據(jù)流固耦合理論，受疏排水、含水層固結(jié)等因素影響，地表下沉系數(shù)增加0.2～0.4，開采沉陷范圍增大、下沉平緩、穩(wěn)沉速度快、移動變形衰退期地表穩(wěn)定、地面殘余下沉量小、殘余變形均勻偏小、地層沉陷固結(jié)密實，這一特點與一般軟巖地表移動規(guī)律截然不同，有利于保護(hù)建筑物，比較適宜地面建設(shè)。

3基于規(guī)模利用的煤層群開采沉陷地區(qū)域穩(wěn)定性評價與控制技術(shù)

目前，我國對單一地塊采動地基穩(wěn)定性研究較充分但一般面積較小，而城市土地規(guī)劃利用需要對采煤沉陷地從區(qū)域角度進(jìn)行穩(wěn)定性評價與分區(qū)。

3.1多煤層區(qū)域性開采特征

針對淮北市主城區(qū)東部和西南部主要分布有岱河、相城、朱莊、楊莊、雙龍(原張莊)等5個煤礦，可采煤層為3，4，5，6煤，煤礦開采歷史長，煤層埋藏較淺，開采面積大，地表一般都會形成超充分采動盆地。區(qū)域開采特征主要表現(xiàn)為開采范圍距城市由近到遠(yuǎn)發(fā)展、煤層分布區(qū)由外圍向中心開采、多煤層集中開采、多數(shù)煤礦進(jìn)入資源枯竭殘采階段的區(qū)域，形成了大范圍開采穩(wěn)定區(qū)(表3)，為城市發(fā)展創(chuàng)造了條件。

3.2區(qū)域穩(wěn)定性評價概念與分區(qū)方法

表3　各階段采空區(qū)投影面積統(tǒng)計

煤層群開采沉陷地區(qū)域性穩(wěn)定評價是指在城市建設(shè)規(guī)模性土地利用的基礎(chǔ)上，將采煤沉陷地按照穩(wěn)定程度劃分為3個分區(qū)(見圖2)。

圖2　淮北煤炭開采區(qū)域性穩(wěn)定分布

采煤沉陷穩(wěn)沉區(qū)，煤層已全部開采結(jié)束，95%以上地表已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定；采煤沉陷基本穩(wěn)沉區(qū)，煤層大部分開采結(jié)束(局部正在開采或未開采)，80%以上地表已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定；煤炭開采區(qū)，主要煤層正在開采和待開采，大部分區(qū)域地表未達(dá)穩(wěn)定。

3.3多煤層開采地表區(qū)域穩(wěn)定控制技術(shù)

多煤層開采地表區(qū)域穩(wěn)定控制技術(shù)是指將多個可采煤層統(tǒng)一規(guī)劃、分區(qū)由上至下集中開采、縮短煤層群分煤層單獨開采地表沉陷周期。淮北市主城區(qū)規(guī)劃用地范圍內(nèi)3，4，5，6可采煤層利用該技術(shù)進(jìn)行了由淺入深分區(qū)規(guī)劃集中開采，集中開采區(qū)較全井田分層開采地表沉陷穩(wěn)定時間縮短5～10a，為城市向沉陷區(qū)發(fā)展拓展了空間，加速了采煤沉陷區(qū)城市建設(shè)進(jìn)程。

3.4離層和采空區(qū)聯(lián)合注漿控制地表沉陷技術(shù)

在采煤沉陷未穩(wěn)沉區(qū)內(nèi)，利用注漿泵為動力源，將具有充填膠結(jié)性能的漿液，通過注漿系統(tǒng)，采用“下行分段”注漿方式，先后注入覆巖內(nèi)殘余的離層和下部采空區(qū)。在覆巖移動過程中對離層和采空區(qū)聯(lián)合注漿，使孔隙得到有效充填，加快了采空區(qū)穩(wěn)定，縮短了沉陷區(qū)地表穩(wěn)定時間，減少了地表殘余變形量，使地表沉陷得到有效控制。

4采煤沉陷區(qū)城市建筑群抗變形建設(shè)技術(shù)體系

目前，我國采煤沉陷區(qū)建筑抗變形技術(shù)對中高層和高層抗變形技術(shù)研究的較少，缺乏規(guī)模性與系統(tǒng)性。中煤科工集團(tuán)唐山研究院通過長期深入研究厚沖積層長壁開采地基“活化”機(jī)理，建立了地基穩(wěn)定性綜合評價模型，創(chuàng)建了采煤沉陷區(qū)城市建筑群抗變形建設(shè)技術(shù)體系。

4.1厚沖積層長壁開采地基“活化”機(jī)理

綜合探測技術(shù)研究表明，厚沖積層長壁開采地表移動穩(wěn)定后，開采引起的地下空洞、離層、裂縫和垮落帶中欠壓密、孔隙中飽水等現(xiàn)象仍長期存在。地表新增荷載、地震活動、鄰區(qū)開采、斷層活化、地下水動態(tài)變化等，都可能打破原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使采煤沉陷區(qū)“活化”，空隙、裂縫和空洞的再壓密及壓密過程中巖塊轉(zhuǎn)動和蠕變，會導(dǎo)致地表再次出現(xiàn)相對較大的不均勻沉降，形成地表殘余變形。

4.2厚沖積層采動地基穩(wěn)定性綜合評價模型

厚沖積層采動地基“活化”是多種因素共同作用的結(jié)果，考慮沖積層內(nèi)潛水層厚度、地表新增荷載狀況、開采方式、開采深度與采厚、開采結(jié)束時間、煤層傾角、覆巖巖性、地質(zhì)構(gòu)造等采動地基穩(wěn)定性影響因素，建立采動地基穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系，采用模糊數(shù)學(xué)理論將主要因素對穩(wěn)定性影響程度進(jìn)行定量化處理，采用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，最終建立了采動地基穩(wěn)定性綜合評價模型。

4.3采動區(qū)建筑物與地基的應(yīng)力和位移分布規(guī)律

針對淮北礦區(qū)地質(zhì)采礦條件、采空區(qū)地表不同位置建筑物及各種建筑類型，采用有限元法深入系統(tǒng)研究不同條件下建筑物和地基應(yīng)力、位移分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)垮落帶及開采邊界處殘余變形大，應(yīng)力主要集中在柱、梁、基礎(chǔ)相互連接處，建筑物基底壓力在不同沉陷區(qū)位置、基礎(chǔ)部位上變化劇烈，如圖3所示。

4.4采空區(qū)城市建筑群抗變形技術(shù)體系

通過多年的采煤沉陷區(qū)建筑試驗與實踐研究，中煤科工集團(tuán)唐山研究院創(chuàng)新提出了與工程地質(zhì)特點、地質(zhì)采礦條件、殘余變形量、回填地基特性相適應(yīng)的建筑物高度(低層、多層、中高層、高層)、體型尺寸、基礎(chǔ)型式、結(jié)構(gòu)類型等抗變形建筑結(jié)構(gòu)措施，創(chuàng)建了采煤沉陷區(qū)城市建筑群抗變形技術(shù)體系(見表4)，在采煤沉陷區(qū)內(nèi)建成了大面積高層建筑群，實現(xiàn)了沉陷區(qū)建筑以低層、多層為主到高層為主的技術(shù)突破。

圖3　采動區(qū)建筑物基底壓力變化規(guī)律

表4　淮北采煤沉陷區(qū)抗變形建筑技術(shù)體系

注：表中僅為部分層高建筑技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)最不利情況確定建筑物結(jié)構(gòu)型式，“-”表示禁止建筑。

5采煤沉陷區(qū)城市建設(shè)

研究成果在淮北城市建設(shè)發(fā)展中得到充分應(yīng)用，完成了285km2的城市發(fā)展規(guī)劃，利用采煤沉陷區(qū)120km2，其中城市建設(shè)用地60km2。截至2014年底，主城區(qū)采煤沉陷區(qū)城市建設(shè)面積42km2，占城市建成區(qū)面積的53.3%；建設(shè)多層、中高層、高層建筑物面積累計2.750×107m2；形成了大面積城市高層建筑群，提高了土地容積率，實現(xiàn)了土地的節(jié)約集約利用、生態(tài)環(huán)境的改善和土地價值的增值。

6結(jié)論

(1)系統(tǒng)研究提出了淮北礦區(qū)高潛水位厚沖積層地質(zhì)采礦條件下的巖移規(guī)律、殘余變形特點及預(yù)測方法，揭示了高潛水位厚沖積層現(xiàn)代長壁開采地表移動持續(xù)時間短、下沉值大、影響范圍廣的特點及殘余變形均勻偏小的機(jī)理，使得區(qū)域性采煤沉陷區(qū)不進(jìn)行采空區(qū)注漿處理，僅采取抗采動變形建筑結(jié)構(gòu)措施即可進(jìn)行高層建筑群建設(shè)，為采煤沉陷區(qū)城市建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

(2)提出了基于城市建設(shè)規(guī)模性土地利用的煤層群開采沉陷地區(qū)域性穩(wěn)定概念和評價方法，對淮北市城區(qū)附近5個煤礦形成的120km2采煤沉陷區(qū)進(jìn)行了區(qū)域穩(wěn)定性評價，劃分為采煤沉陷穩(wěn)沉區(qū)、基本穩(wěn)沉區(qū)和開采區(qū)，確定60km2采煤沉陷區(qū)近期可進(jìn)行城市建設(shè)。提出了多煤層開采地表區(qū)域穩(wěn)定控制、未穩(wěn)沉區(qū)巖層內(nèi)部離層帶與采空區(qū)注漿的地表沉陷控制技術(shù)，加快了采空區(qū)穩(wěn)定，減少了地表殘余變形，解決了淮北市城市建設(shè)用地瓶頸制約。

(3)根據(jù)長期的巖移觀測、采空區(qū)建筑物沉降監(jiān)測與采動區(qū)“活化”機(jī)理研究，提出了厚沖積層長壁開采地基穩(wěn)定性評價方法與預(yù)測參數(shù)。在多年采煤沉陷區(qū)建筑試驗與實踐研究的基礎(chǔ)上，提出了與建筑物高度(低層、多層、中高層、高層)、工程地質(zhì)特點、地質(zhì)采礦條件、殘余變形量、回填地基特性相適應(yīng)的中高層和高層建筑體型尺寸、基礎(chǔ)型式、結(jié)構(gòu)類型，創(chuàng)建了采煤沉陷區(qū)城市建筑群抗變形技術(shù)體系，解決了在采煤沉陷區(qū)內(nèi)建設(shè)大型高層建筑群的抗變形技術(shù)難題。

(4)采煤沉陷區(qū)城市建設(shè)提高了土地容積率，實現(xiàn)了土地節(jié)約集約利用，為礦業(yè)城市發(fā)展提供廣闊空間，有效保護(hù)耕地，避免工農(nóng)矛盾，對于促進(jìn)礦業(yè)城市經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Studying and Application of Key Technology of Urban Construction in Mining Subsidence Area

LI Shu-zhi

(China Coal Technology & Engineering Group Tangshan Research Institute，Tangshan 063012，China)

Abstract：It taking urban construction in mining subsidence area in Huaibei coal district as an example，on the basis of long time rock movement observation，building subsidence monitoring around gob area and research on mining area ‘a(chǎn)ctive ‘ principle，then concept and evaluation method of region stability of mining subsidence area with coal seams mining based on scale land use of urban construction，evaluation and controlling of mining subsidence area stability and anti deformation technology of building group were put forward，key technology of urban construction in mining subsidence area was solved，technology broke through that cluster of high-rise buildings in mining subsidence area could be constructed directly.

Key words：mining subsidence；urban construction；rock movement rule；region stability evaluation；buildings anti deformation

[收稿日期]2015-08-12

[基金項目]國家科技支撐計劃項目：典型礦業(yè)城市受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)及示范(2012BAC13B03)；唐山市科技計劃項目：近郊河流濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用(14130212B)

[作者簡介]李樹志(1960-)，男，河北定州人，研究員，博士，中國煤炭科工集團(tuán)首席科學(xué)家，享受國務(wù)院政府特殊津貼，現(xiàn)任中國煤炭科工集團(tuán)唐山研究院有限公司礦山測量研究所所長; 中國煤炭學(xué)會土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)專業(yè)委員會副主任。

[中圖分類號]TD325.3

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)02-0073-05

礦山環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.020

[引用格式]李樹志.采煤沉陷區(qū)城市建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤礦開采，2016，21(2)：73-77.