非穩沉采煤沉陷區前置式治理技術的實踐

張 燕

（長治市煤礦技術服務中心，山西 長治 046000）

山西省沁水煤田長治礦區近年來的大規模開采，導致形成大面積采煤沉陷區，破壞了植被和生態環境，損毀了土地，污染了環境，帶來一系列環境和社會問題。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、社會、經濟效益，意義重大。長治礦區對于穩沉采煤沉陷區的治理較多，而未穩沉區域由于長期處于持續下沉階段，幾乎沒有進行治理。針對這一情況，長治市煤礦技術服務中心提出非穩沉沉陷區前置式治理的超前治理模式[1-2]，并對該種模式的基本技術要求和注意事項進行了探討。該治理模式在長治市常村煤礦進行了實踐應用，效果顯著。

1 概況

1.1 采煤沉陷地基本情況

山西長治礦區含煤面積1 781.3 km2，境內已累計探明煤炭資源量341.8×108t，目前有煤炭礦山30多個，煤炭年產量8000×108t。當前隨著煤炭資源的進一步開發，資源與環境問題愈來愈突出。長治礦區主采煤層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土地資源的破壞。據統計，截至2020年12月，礦區累計沉陷土地可達72 000 hm2，且每年以近2500 hm2的速度遞增。礦區現有沉陷區35處，其中2 m以下淺層沉陷區約占1/3。地面沉陷破壞了地表植被，改變了土地用途，使大片沉陷的土地無法耕種，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，生態失衡遭到嚴重破壞。

1.2 當前治理模式存在的問題分析

長治礦區從2000年開始對采煤沉陷地進行治理，已累計治理采煤沉陷地面積2 735.7 hm2，治理率達38%，但存在的問題也較多。在長治礦區沉陷72 000 hm2的土地中，未穩沉區達2 845.32 hm2。未穩沉沉陷區地層尚不穩定，且受繼續沉陷的影響，基本沒有進行大規模的工程建設修復，主要進行非正規生態修復以及發展水產、水禽養殖等短期養殖業。目前，國內一般采用破壞后再治理的傳統治理模式，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，沉陷區土地荒涼，植被雜生，出現亂種、亂建、亂倒等現象，環境受到破壞，給后期治理工作帶來嚴重阻礙。

（3）大規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和利用。

2 采煤沉陷區前置式治理模式分析

2.1 前置式治理模式

采煤沉陷區前置式治理是指在采煤區域沉陷下沉量科學預測的基礎上，采用挖深墊淺等工程手段對即將沉陷或正在沉陷的區域進行超前治理的一種治理方式。

2.2 技術優勢分析

采煤沉陷區前置式治理模式的主要技術優勢有以下幾點：

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

（2）可以進行大規模機械化作業，降低治理成本。據初步估算，與后置式治理相比，前置式治理可以降低治理土方工程費用的30%～40%，且工期可以減少2/3，也降低了工人的勞動強度，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沉后方可治理。單一煤層需要2～3年時間，在多層煤區域，有的需要10年以上時間，在首層煤開采后，沉陷的土地即處于荒蕪的狀態。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）可以有效保護土壤資源。后置式治理難以利用深部沉陷區土壤資源，前置式治理將預測的深層沉陷區土壤資源提前運出回填淺層沉陷區，使深層沉陷區的土壤有效利用。

（5）可進行大手筆規劃。后置式治理時沉陷區環境嚴重破壞，深淺不一，一般只能因地制宜進行治理。前置式治理時，治理區地質環境簡單，可根據發展所需進行大手筆規劃，綜合治理，高效利用采煤沉陷區。

2.3 技術要求

前置式治理的基本步驟為：煤礦開采資料收集→地表現狀地形測量→下沉量預測→治理規劃→標高設計→表土層剝離→挖填方→表土層覆蓋→高程復測→后續工程。在治理過程中要把握好以下關鍵點。

（1）準確預測沉陷等值線。充分掌握開采區域煤層層數、產狀、采厚、埋深、上覆巖性以及開采布局、開采時序，根據長治礦區地表移動規律研究成果，建立數學模型，采取概率積分預計方法進行地表移動變形預計，科學選取預測參數，采用礦區開采沉陷預測預報系統計算地表移動數值，確保沉降預測的可靠性。

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（2）科學確定兩個標高，即填方區回填標高和挖方區底板標高。根據沉陷區綜合利用規劃，科學確定設計標高，厘清下沉值、現狀標高、同填厚度、穩沉后標高之間的關系，充分考慮同填土松散系數等數值，確保沉陷穩沉后達到一次性治理目的。

（3）平衡挖填方量。挖方、填方是工程治理的主要部分，土方量的計算直接關系到工程造價。一般要求，獨立區域工程的挖、填方量需大體平衡，以縮短運輸距離和節省工程費用。

（4）正確把握好沉陷時序與治理時序接點。充分了解擬治理區域煤層賦存狀況，掌握礦山開采計劃及該區域同采時間和次序，科學預測地表沉陷時間。治理結束時間一般不超過開始沉陷時間的2年。

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

3 前置式治理模式實踐應用

3.1 工程概況

長治礦區常村煤礦采煤沉陷區達2 655.4 hm2，治理區位于常村煤礦3、4、5、6四個煤層開采區域，地表全部受到采動影響，處于不均勻下沉、局部沉陷積水狀態，嚴重影響城市景觀。由于大部分區域需3～10年才能趨于穩沉，根據城市發展控制性規劃，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

常村煤礦非穩沉采煤沉陷區前置式治理措施如下。

采用中國礦業大學開采損害及防護研究所研制的礦區開采沉陷預測預報系統，對今后由于老采空區巖石固結引起地表殘余移動變形情況以及今后礦區開采回收將來形成的采空區進行了預計，穩沉后區域殘余+未采煤層下沉量最大下沉有6 m之多。

3.2.2 設計原則

根據最終下沉量預測結果，結合長治礦區礦山地質環境治理規劃、采煤沉陷區土地綜合整治規劃、土地利用總體規劃和城市總體規劃，本著宜水則水、宜林則林、宜建則建的原則，科學控制標高，將該區域分為兩個施工區（I區、Ⅱ區），已穩沉區域恢復為建設用地，非穩沉區域主要恢復為公園、綠地與湖泊水面，局部地塊恢復為建設用地。

3.2.3 非穩沉區域前置式治理措施

（1）建設用地、公園與綠地控制標高的確定。已穩沉區域標高設計參照原地面標高確定，未穩沉區域標高設計按預測沉陷等值線和原地面標高共同確定。根據預測等值線和現狀標高，填方為城鎮建設用地標高的海東路以南I區I1-1、Ⅱ區Ⅱ1-1地塊，地塊填方標高為+33.0 m，龍山路以東I區I1-3地塊填方標高為+32.5 m。填方為公園與綠地標高的淮海東路以南I區I2-1地塊，填方標高為+32.5～+33.0 m，人民路以北Ⅱ區Ⅱ2-1地塊預測沉陷最深，設計標高確定為+ 36.0 m，最終穩沉標高為32.5 m。填方厚度按區塊沉陷等值線確定，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。在區域內無積水淺表沉陷的旱地沉陷區，地貌變化不大，下沉程度較淺的區域，在對表土進行剝離后，利用機械進行推高墊低，修平復整后表土還原，并改進水利條件，恢復為公園、綠地。

（3）“挖深墊淺”治理措施。對于沉陷區凹凸不平、深淺不一的區域，在設計基礎上進行機械施工，挖深墊淺，在呈現區的深部取土填在淺部，淺部平整為建設用地，深部恢復為湖泊水面。

3.2.4 水面標高設計和土方平衡

（1）水面標高設計。按設計水域預測沉陷等值線和現狀標高，結合長治礦區周邊水庫和附近河流的常年水位、洪水位標高以及淮水北調、水域庫容的要求，確定治理區水面設計標高為+ 30.5 m，最深水底設計標高為+25 m。

（2）土方平衡。對建設用地、公園與綠地區域進行表土剝離，設計剝離表土121.22×104m3，并對公園與綠地治理后進行表土覆蓋。項目區挖方量2 398.22×104m3，填方量2 395.45×104m3，余土方量主要堆放于I1-2區粉煤灰堆場內。

3.3 效果分析

常村煤礦非穩沉采煤沉陷區，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環境，形成了農業、休閑、旅游于一體的生態公園體驗園區，促進了當地沉陷區生態改善和產業結構轉型升級。

4 結論

采煤沉陷區前置式治理模式是在各地穩沉區域成熟治理經驗的基礎上提出的一種全新的治理模式，是值得繼續探索實踐的一種沉陷地治理模式。長治礦區在不斷的探索中初步掌握了技術要領，該前置式治理模式在常村煤礦中進行了運用，取得了一定成效，下一步可進行全面推廣應用。