濟源市克井煤礦塌陷區治理技術

豆靖濤，張錦靈，李金剛

（1.河南省地質環境監測院，河南鄭州450000；2.河南省地礦局第五地質勘查院，河南鄭州450001）

1 工程概況

治理區位于濟源市克井鎮東北部，東至河口村，西至康村，南至渠馬線，北至引沁渠南，距克井鎮4.5km，距濟源市10km，距侯月鐵路盤古車站約1km，交通發達便利。施工區位于克井盆地，四面環山，僅在萬羊山至孔山之間形成了一個約5km寬的出口，整體地面塌陷，造成面積約5km2的耕地發生破壞，礦區生態環境惡化。依據野外調查，目前塌陷仍明顯的有10處塌陷坑，最大塌陷坑面積0.54km2，塌陷深度一般為2～5m，最大塌陷深度約9m。

2 工程地質條件

治理區地貌類型為坡洪積群，主要由分選性差、混雜堆積的中更新統亞粘土、卵礫石組成。由于地下采礦活動，使原來較為平整的地塊塌陷形成洼地等微地貌。

該區屬華北地層區，區內除北部的低山區有奧陶系基巖出露外，全為第四系覆蓋。依據鉆孔資料，治理區地層層序自上而下劃分為4個主層，分別為：

第①層：耕土（Q4pd）黃褐色，松散，以粉質粘土為主，含碎石及植物根系等，厚度為0.1～1.18m，主要分布于北部田間道路以及治理區廠礦周邊。

第②層：粉質粘土（Q4pl+dl）褐黃色，可塑，局部硬塑，刀切面光滑，韌性、干強度中等，無搖震反應，夾雜少量卵石，局部含大量姜石，含量約占35%，含白色鈣質條紋，偶見蝸牛殼殘片，局部呈灰褐色，局部區域含碎石，粒徑約1～3cm，含量約占30%，平均厚度3.4m，層頂深度一般為1.03m，層底深度4.44m。

第③層：碎石（Q3pl+dl）灰白色，中密，局部松散，母巖成分以灰巖為主，呈棱角狀，粒徑約1～5cm，最大粒徑大于7cm，局部粉質粘土充填，平均厚度2.86m，層頂深度一般為3.86m，層底深度6.72m。

第④層：卵石（Q3pl+dl）灰白色，中密，局部密實，母巖成分以灰巖為主，呈亞圓狀，粒徑約2～5cm，最大粒徑大于7cm，局部粉質粘土充填，偶見漂石。

3 物探2線解譯分析

探測項目區內地表以下大于400m深度內地層及巖土結構情況，并通過布置深孔補充解釋物探成果中的異常點，其次通過物探測井就能一步完善物探成果，查明項目內采空區的分布位置及穩定性，為進一步開展設計和施工提供參考。

2線剖面（圖1），綜合分析，在550～750號點的的下方，低電阻率異常呈采空塌陷充水特征；在750～1050號點的的下方，標高+40m以上位置，較高電阻率異常呈采空塌陷部分充水特征；1250～1550號點，標高-40m以上位置，電阻率呈橢圓狀高阻體半封閉圈，結合實際地質情況，推測為采空區未完全塌陷、局部形成空洞或采煤巷道的反映；在1650號點下方，標高+200m的位置，低電阻率異常呈采空塌陷充水特征。

野外調查地裂縫主要集中在該線的1500～1700號點，近2年沉降明顯，主要由濟聯煤業有限公司三礦采煤巷道及巷道周邊的采煤引起。深孔SK01位于1500號點，揭露172～174.2m為采空區；深孔SK02位于950號點，揭露142～144m為采空區，190～192m為煤層，這些都與物探剖面解譯基本相符。

4 治理原則

根據土地資源的生態、地質條件，結合當地社會經濟、人文特點，對治理區土地資源按照“宜農則農、宜林則林、宜建則建”的原則，開展礦山地質環境綜合治理。采取綜合工程治理措施對破壞的地質環境進行治理。針對此次治理，對采煤沉陷穩定區的土地進行土地整理恢復成耕地，優先治理采煤沉陷穩定區、優先恢復耕地、優先治理成區連片地區，反之暫不穩定區恢復成生態農業觀光區。

5 耕地恢復治理區分項工程設計與施工

5.1 表土剝離工程

為保持土壤肥力，在平整過程中對原有耕地采取地力保持工程措施，充分保留和利用耕作層土壤，即平整時保留一定厚度的耕作層，因此治理區在進行挖填方工程之前，首先進行表土剝離。能滿足農業正常產出的土層厚度為0.4m以上，耕作層在0.3m左右。鉆孔資料揭露，耕地恢復治理區的耕作層厚度一般為0.5～0.9m，平均厚度約0.74m，因此在挖填方工程之前，首先表土剝離，堆放一邊，待土地平整后，再均勻覆蓋在耕地表面，以保證土地的質量，通過對治理區土壤調查，治理區土壤類型屬于含碎石粘土。表土剝離后就近堆放于還未施工的田塊中，避免重復運輸，覆蓋土層分層壓實，壓實系數不小于0.9，平整后場地標高允許偏差10cm，表面平整度允許偏差8cm，平整后地塊坡降不大于2%。

5.2 挖填方工程

該區的挖深一般為1～1.7m，最大挖深達3m（含表土剝離厚度）。因此結合上述地層的密度、外形特征，挖填時，以地塊為單位，采用挖高填低的方式，填方部位分層壓實，分層厚度為0.3～0.5m。如在施工中發現地裂縫應及時處理，處理方法，采用挖掘機沿地裂縫深挖1m，兩側分別超挖0.3m，再采用粘性土分層回填壓實至地表下0.5m，再采用壤土回填至地表。覆蓋土層分層壓實，壓實系數不小于0.9；土壤厚度不小于50cm，厚度誤差小于5cm，土壤中的磚、碎石塊應予以挑練。因治理區耕植土中含碎石相對較多，在磚、碎石塊篩選后，可能無法保證覆土厚度為50cm，因此在挖填方過程中，應先預留一部分細土用以補充該部分土損。平整工程過后，治理區各個田塊在實際允許的坡度之內，沿著原始整體地形的坡向均已整平，便于后期的耕作澆灌，而相鄰田塊之間大體上沿著原始整體地形坡向，階梯式的高程差不超過1.5m。

5.3 田間道路工程

該區道路在土地整平后，在原有的田間道路位置上重新修建。鋪設道路之前需在現有道路的基礎上進行挖填方整平，道路設計高差不大，多余挖方量用于道路路基保護（見圖2）。

圖2 田間道路橫斷面圖（單位：mm）

擬修建道路均為水泥混凝土道路，按路槽開挖線進行施工，若在實施開挖中偏離開挖線，應重新修整。將開挖路槽的土方棄至兩側路肩并進行碾壓處理。防止雨水侵蝕土壤。使用機械開挖路槽土方時，實際施工的溝槽應適當留有修整余量，再用人工修整。需先挖好路槽，做好路基。路槽土質為Ⅳ類土。結構從下至上依次為壓實路床、三七灰土厚0.3m和混凝土厚0.2m。三七灰土要求無雜質，土的粒徑不得大于15mm；灰粒不得大于5mm，摻40%水泥，鋪筑時用機械或人工鋪平，用6～8t壓路機碾壓，要求表面平整密實。路基中不含雜物，路基土濕度不得超過20%，路基土要求碾壓或夯實，干容重不小于15kN/m3，路基橫坡同路面，不能讓路基積水。基層施工完成后，在基層上做混凝土面層。在道路兩旁種植綠化植物，在植物配置上總體上遵循地域原則，使景觀在統一中求變化，形成其特定的植物群落。

圖3 田坎剖面圖（單位：mm）

5.4 田坎護坡工程

耕地恢復治理區內田塊之間田坎高度為1.5m左右，為保護田坎，提高田坎穩定性，防止田坎坍塌和水土流失，設計在田坎處修建石質干砌田坎。田坎斷面呈梯形，下底寬0.56m，埋入地面以下0.2m，上底寬0.3m，高出地面0.1m，總高1.8m，外坡角度為80°（見圖3）。砌筑田坎之前應對地基進行夯實，高度變化的地方，應以此尺寸為基礎進行調整。砌筑程序為先砌“角石”、再砌“面石”、最后砌“腹石”。角石用以確定建筑物的位置和開頭，在選石與砌筑時須加倍注意，要選擇比較方正的石塊，先行試放，必要時須稍加修鑿，角石的位置砌筑方法必須準確，角石砌好后，就可把樣線掛到角石上。面石可選用長短不等的石塊，以便與腹石交錯銜接。面石的外露面應比較平整，厚度略同角石。砌筑面石也要先行試放和修鑿。石塊分層砌筑，須大面向下放穩，盡量減小石縫間隙，使石塊相互結合緊密。砌筑要求平整、穩定、密實、錯縫、內外搭接，且兩個分層高度間的錯縫不得小于8cm。必要時設置拉結石，不得采用外面塊石、中間填心的方法。

6 生態農業觀光區

生態農業觀光區主要位于中社—大社一線以北、引沁濟蟒渠以南，區內礦山地質環境問題主要是地面塌陷、地裂縫和土地資源破壞。野外調查及鉆孔揭露林地區的土層相對較薄，一般為10～20cm，耕作層下部為卵石和碎石，土壤貧瘠，如果大面積挖填整平，將會嚴重影響林區的耕作能力；同時該區的穩定性較差，不適宜進行工程治理，因此設計在現有地塊內種植經濟果木，為后期政府規劃成休閑采摘區做好基礎。在樹種的選擇上堅持以市場為導向，以效益為中心，結合現場的土質條件，選擇一些相對耐旱的經濟果木，做到生態、經濟、社會效益和諧發展；堅持“區域化布局，規模化和良種化發展”和因地制宜選擇種植模式。經濟果木工作量應當地政府要求，林地治理區在種植果木時避開廠區內的養殖場和現有成規模的樹林，在養殖場周邊可適當布置，既美化環境，又增加效益。生態農業觀光區共種植石榴、棗樹、山楂、蘋果、核桃等各種果木共127884棵。為保證果木的成活率以及滿足后期生長對土質的要求，在樹坑內部進行土質置換（挖方土與一定量的有機肥配比），土果木帶土球移栽，樹坑挖方量用于周邊土地平整。穴深、穴寬均勻0.6～1m，將有機肥和本土混合后，施入穴底，再將心土依次回填，每穴加有機肥2～3kg。定植時做到根理直，下踏緊，上表松，以樹苗為中心，圍堆成水盤狀，灌足清水定根。在新填土方處挖穴，應將穴底適當踩實。土質不好的應加大穴的規格。如在施工中發現地裂縫應及時處理，處理方法為：采用挖掘機沿地裂縫深挖1m，兩側分別超挖0.3m，再采用粘性土分層回填壓實至地表下0.5m，再采用壤土回填至地表。栽植后及時澆水養護，每棵樹澆水量在10kg左右，為保證成活率，栽植后的3個月，平均每一個星期澆水養護一次，遇到少雨季節可適當縮短養護周期。果樹定植1～2年內，行間未封行時，可間種作物，充分利用土地資料，以短養長。

7 人工湖治理區

7.1 人工湖治理總體工程部署

考慮治理區與政府發展規劃要求，對塌陷穩定區內的現有沼澤地，因地制宜治理成人工湖。用以改善當地的生態環境，美化鄉鎮。同時帶動農業的發展。采用挖填方工程，防滲工程、引排水工程和生物工程等綜合治理該區。在該區地層分布的基礎上，為有利于湖區引排水和泄洪，結合當地政府以及安全考慮，湖水深定為1.8m。根據地質勘察報告可知，湖底的地層主要是第四系含卵石、碎石較多的粉質粘土，湖區挖方用于周邊土地平整和湖區微地貌。

圖4 U型渠剖面圖（單位：mm）

7.2 防滲工程

防滲膜施工鋪設膨潤土防水毯(GCL)前基層必須夯實整平，夯實度達85%以上。表面應平整，不應有凸出2cm以上的巖石和其它物體，也不能有明顯的空洞、裂縫。表面應基本干燥，不能有明顯的水漬和坑洼。基層、立面部位的陰、陽角應做成圓弧形或鈍角。鋪設施工完的膨潤土防水毯(GCL)，必須于當日（保證不被水淋濕）完成保護層的施工。對膨潤土防水毯(GCL)單層襯墊的防滲防水施工工程，在施工結束并驗收合格后，應迅速用比重大于2.0的土、砂子和石粒或者混凝土及磚石進行壓實保護。所有回填土宜用砂子或過篩后的土，不得含有粒徑10mm以上的石子等雜物。回填土必須進行夯實（或壓實、振搗等），回填土的密實度應大于85%，且夯實后的厚度不小于300mm。在夯實、壓實過程中，注意不要損壞膨潤土防水毯(GCL)。如有損壞，應及時進行修整。已鋪設完成的膨潤土防水毯（GCL）應在當日完成HDPE膜的施工或鋪設300mm厚粘土保護層；在施工邊緣部位必須進行保護。

7.3 灌引水工程

渠道主要用于恢復土地復墾區和林地的灌溉功能，保證農作物穩產；同時兼顧人工湖區的引水，保證湖區水質干凈。依據治理區的穩定性分析，渠道采用C20預制混凝土U型槽（見圖4），預制U型槽渠單塊長0.5m，混凝土預制U型槽形狀與規格是一致的，所以模板規格一致，采用鋼模、活動扣件，模板鋼度要求達到2倍安全系數。模具組裝后校核各部位尺寸使其符合要求，并在混凝土澆灌與振搗過程中確保形變在允許偏差范圍內。在常溫下48 h后拆除模板。模板拆除后清洗干凈，重新涂脫模劑。混凝土的養護是保證和提高混凝土質量的重要環節，特別是U型槽結構具有壁薄，外露面積大的特點，養護不及時表面就會出現干裂縫隙，影響工程質量，因而養護工作尤為重要。最常用的養護方法是在混凝土的表面覆蓋濕草簾、濕蘆席等物。一般正常氣溫下，混凝土澆筑后6～18h即可養護，養護要勤灑水，始終保持混凝土表面濕潤狀態，從而使混凝土充分得到養護。

預制U型槽和帽實壓塊轉運到施工現場，搭設砂漿攪拌系統。混凝土預制U型槽在運輸過程中采用人工裝御，碼放場地應平整，以免損壞構件，對于斷裂、破損的構件不得使用。預制混凝土U型槽施工安裝前校核基槽、鋪填砂石，使基槽符合設計要求。為防止不均勻沉降，U型槽渠底部鋪設0.1m厚的砂石墊層并均勻壓實，壓實系數為0.9。預制U型槽砌筑接縫寬20mm，采用M10水泥砂漿砌筑。區內的渠道每隔10m設置橫向伸縮縫一道，內填瀝青油氈止水。為方便后期澆灌，每隔10m設置一12cm×12cm出水孔，內襯材質選用Φ110mmPVC管，出水孔與伸縮縫間距5m。采用M10防滲砂漿勾縫，砂漿達到設計強度后鋪設混凝土預制帽實壓塊，清理現場，校核軸線與標高。型槽鋪設一般從下游開始，使接頭面向上游，每節U型槽應緊貼于墊層上，使槽體受力均勻；所有U型槽應按正確的軸線和坡度鋪設。當坡度較大時可取跌坎、消力井過渡。

7.4 綠化工程

對于湖區景觀的設計，在植物配置總體上遵循以下幾個原則，使景觀在統一中求變化，形成其特定的植物群落。“因地制宜”，根據濟源地區的地理位置及氣候特征，在總體的植物選擇上我們盡量選擇一些鄉土樹種，這樣植物宜于成活，避免跨緯度植物的選擇。在喬木選擇上以國槐、白蠟、柳樹、法桐等為主，并配以花灌木及地被，使整個植物多樣性。“因位制宜”，從現狀的地形勘測可以發現，其地形復雜，有高低陰陽，由此在植物選擇上必須依照這個原則，湖區的水生植物及濕生植物，我們根據不同的水位種植不同的植物，如，在水位相對深些的地方種植荷花，而在湖岸邊則種植水蔥、菖蒲、千屈菜、旱傘草，在湖區中心島則根據景觀效果配置樹形及觀賞價值較高的喬木花灌木等，總之，按照不同的地理位置，順乎花木的生長習性，照顧到游賞的需要，做到配置有方，各得其所。“色相配合”，在沿湖周邊配置柳樹間種紅葉碧桃，使其在水面上營造美麗的倒影，在日光的配合下，形成唯妙的四維光影空間。在湖邊配置一些宿根草花，地被如美人蕉、大花金雞菊、豐花月季等，在色彩上給人視覺的享受。“季季有景可觀”，在設計時根據花期、花色互相襯托搭配，盡量達到月月有花，如春天玉蘭、紫荊，夏天豐花月季、花石榴及各種地被草花等，秋天的烏桕，冬天的火棘、紅瑞木、臘梅等，使四時之景不同。“因景制宜”，在設計中時刻注意疏密得當，是孤植、片植還是群植等這些，這樣有一個主次亮點；因景觀環境不同，從而對植物做細部的推敲配置。

8 結束語

項目實施完成后，該內的耕地得到最大程度的平整，農田道路、灌排渠系和防護林的改善，大大提高土地利用率和農業生產率。土地利用趨向良性循環，增強農業生產的后勁，改善生態環境。對田、水、林的綜合治理，形成穩產的標準田，提高農業抵御自然災害的能力，并且增強該地區的經濟實力，為農民增收創造良好條件。治理區內生態環境得到改善，生態農業觀光區形成了規模化的農業采摘區，同時也改善生態環境。人工湖建成后，為當地居民提供了休閑娛樂的場所。為后期濟源市在該區建立礦山森林公園，打造濟源后花園打下堅實的基礎，同時以新興旅游產業帶動濟源經濟的迅速發展，促進第三產業的持續、快速增長，對于實現濟源市全面建設小康社會及經濟的可持續發展具有重要意義。

[1]楊書民,張濤，等.河南濟源克井煤礦塌陷區礦山地質環境治理恢復設計書[R].河南省焦作地質勘察設計有限公司,2013.

[2]楊書民,張濤，等，河南濟源克井煤礦塌陷區礦山地質環境治理恢復項目勘查報告[R].河南省焦作地質勘察設計有限公司，2012.

[3]河南省國土資源廳.河南省土地開發整理工程建設標準[S].鄭州:黃河水利出版社,2010.

[4]河南省國土資源廳.河南省礦山環境恢復治理工程勘查設計施工技術要求（試行）[S].鄭州:黃河水利出版社,2014.

[5]TD/T1012-2000土地開發整理項目規劃設計規范[S].

[6]GB5084－92農業灌溉水質標準[S].

[7]DB50/5029-2004地質災害防治工程設計規范[S].

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[9]李太啟,高榮久.采煤塌陷區綜合治理問題分析與建議[J].金屬礦山，2015:169-172.

[10]秦朝亮,龍建輝，等.采煤塌陷區內地質災害與生態環境的綜合治理方案[J].煤炭技術，2015:302-305.