李 鋒劉 彬劉超楠

（1.江蘇省第二地質(zhì)工程勘察院；2.徐州市自然資源與規(guī)劃局）

徐州市賈汪區(qū)曾是江蘇省重要的煤炭基地，煤炭開采歷史愈130 a。由于地下煤炭的開采造成地表形成大范圍的沉陷區(qū)。沉陷不但使可利用的土地面積減少、質(zhì)量退化，而且加劇了地、礦之間的矛盾，甚至引發(fā)一系列的社會(huì)問題，同時(shí)也給礦區(qū)和資源型城市在資源枯竭后的經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展帶來很大的隱患［1-5］。

2011年11月，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，賈汪區(qū)被批準(zhǔn)為第三批資源枯竭型城市，也是江蘇省第一個(gè)國家級(jí)資源枯竭型城市。這為賈汪區(qū)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展帶來巨大機(jī)遇。經(jīng)過多年的發(fā)展，賈汪區(qū)城市規(guī)模越來越大，入駐的建設(shè)項(xiàng)目越來越多。在此期間，大量學(xué)者對(duì)盤活煤礦采空區(qū)廢棄土地問題展開了研究［6-12］，取得了大量的研究成果及建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，例如，郭廣禮等［13-15］從煤層頂板覆巖破壞特征的角度出發(fā)，對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析；丁陳建等［16］基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的老采空區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)；汪吉林等［17-18］利用概率學(xué)和數(shù)值模擬方法對(duì)特殊地質(zhì)條件下的采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行綜合性的評(píng)價(jià)；王正帥等［19-20］利用模糊數(shù)學(xué)和可拓學(xué)建立新的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型。

本次研究工作以賈汪區(qū)復(fù)雜開采歷史為背景，結(jié)合補(bǔ)充收集資料及野外調(diào)查，總結(jié)地區(qū)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。在對(duì)采空區(qū)類型劃分的基礎(chǔ)上，以終采時(shí)間為主要因素，結(jié)合地表變形特點(diǎn)和采空區(qū)的深度對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和分區(qū)，并對(duì)賈汪區(qū)城市總體規(guī)劃提出建議，并提出采空區(qū)治理防治的一般措施，為賈汪區(qū)城市建設(shè)規(guī)劃提供地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)范圍

賈汪區(qū)地處徐州市東北部，北鄰山東省，東與邳州市燕子埠鎮(zhèn)、宿羊山鎮(zhèn)、八義集鎮(zhèn)相鄰，西側(cè)和南東側(cè)分別與銅山區(qū)利國鎮(zhèn)、柳泉鎮(zhèn)、徐莊鎮(zhèn)及大許鎮(zhèn)相連。地理坐標(biāo)：東經(jīng)117°17′～117°42′，北緯34°17′～34°32′，面積約為620 km2。賈汪區(qū)距徐州市區(qū)約為30 km，水陸交通便利，G206及G25從境內(nèi)穿過，京杭大運(yùn)河橫貫東西，鐵路有徐（州）賈（汪）鐵路與京滬、隴海鐵路干線相接，京滬高速鐵路經(jīng)過其西部江莊鎮(zhèn)和青山泉鎮(zhèn)。

本次工作重點(diǎn)評(píng)價(jià)區(qū)為賈汪城市總體規(guī)劃區(qū)，賈汪城市總體規(guī)劃區(qū)包括賈汪鎮(zhèn)的全部、江莊鎮(zhèn)的部分和206、310國道賈汪區(qū)域內(nèi)沿線兩側(cè)各1 000 m范圍及汴塘水源地，總面積為155 km2。規(guī)劃建成區(qū)南起310國道，北至北環(huán)路，西起西環(huán)路，東至東環(huán)路，規(guī)劃總面積為26.25 km2。規(guī)劃在以城市主干道G206為軸線的組團(tuán)式片區(qū)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過提升老城區(qū)商業(yè)職能和延伸與新片區(qū)的結(jié)合，從而形成“一城兩片、一心一軸七區(qū)”的總體布局結(jié)構(gòu)。

賈汪城市總體規(guī)劃區(qū)在評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)涉及的煤礦主要包括屯頭河以北韓橋礦礦區(qū)、大李莊礦區(qū)、青山泉三號(hào)井東部以及泰興鹿莊礦。西部大致位于白集至姚溝崖一線，南部以屯頭河為界。

1.2 地形地貌

賈汪礦區(qū)為一狹長的簸箕形山間盆地，東南、東北、西北三面均為寒武、奧陶系灰?guī)r所構(gòu)成的群山。山頂標(biāo)高在+150～+240 m，大洞山為群山之首，標(biāo)高為+361 m，唯獨(dú)西南1面為平原延至徐州市區(qū)。其地勢大致由東北略向西南以1°～2°傾斜。其地貌盆地中心部分為第四紀(jì)黏土砂礓沖積層所覆蓋，一般標(biāo)高為30～35 m，盆地邊緣靠山部分略高，環(huán)山分水嶺部分寒武、奧陶系灰?guī)r出露甚廣，最古老的巖層為寒武系灰?guī)r，由于風(fēng)化剝蝕造成高低不平的饅頭形狀，又由于地層多褶皺，部分巖層成直立狀態(tài)，屬于構(gòu)造剝蝕堆積盆地。

1.3 煤層賦存特征

賈汪礦區(qū)煤層主要分布于賈汪復(fù)式向斜中，煤層按形成時(shí)代劃分可分為中二疊統(tǒng)下石盒子組煤層、下二疊統(tǒng)山西組煤層及上石炭統(tǒng)太原組煤層。煤系地層的總厚度約為438 m，含煤22層，總厚度約為13 m。其中可采煤層6層，煤層厚度約為7.7 m。各組煤層及頂?shù)装寰唧w情況如下。

中二疊統(tǒng)下石盒子組（P2X）層厚約為140 m，共沉積6層煤，其中1、3層煤為賈汪礦區(qū)主要可采煤層。

下二疊統(tǒng)山西組（P1S）層厚約為138 m，為海相向陸相過渡的碎屑沉積，巖性為砂巖，砂質(zhì)泥巖，泥巖和煤層組成，含煤2～6層，其中可采煤層為7、9煤。

上石炭統(tǒng)太原組（C2t）俗稱屯頭系，層厚約為160 m，含煤11層，編號(hào)為11～22煤，分布穩(wěn)定，其中可采煤層為17、20、21煤。

2 采空區(qū)劃分與分布

2.1 按采空區(qū)頂板垮落情況和開采方式劃分

按采空區(qū)頂板垮落情況和開采方式劃分為A、B、C 3類采空區(qū)。

A類（頂板垮落充分的采空區(qū)）主要特點(diǎn)：①頂板巖石強(qiáng)度較低；②開采方式為壁式采煤法，全陷式管理頂板；③地層傾角為水平或傾斜；④地表塌陷較為充分。研究區(qū)內(nèi)A類采空區(qū)主要位于權(quán)臺(tái)礦、旗山礦、董莊礦、青山泉一號(hào)井和白集礦開采的下石盒子組煤層，且地層傾角小于45°。

B類（頂板垮落不充分的采空區(qū)）主要特點(diǎn)：①頂板巖石強(qiáng)度較高，不易冒落；②開采方式采用柱式采煤法，或壁式采煤工作面跨度??；③地層傾角大；④地表塌陷不充分。研究區(qū)內(nèi)主要為韓橋礦復(fù)采后的下石河子采空區(qū)及小煤礦開采的區(qū)域，對(duì)于山西組煤層采空區(qū)及太原組煤層采空區(qū)因頂板巖石強(qiáng)度相對(duì)較大，開采時(shí)頂板難以形成充分垮落，評(píng)價(jià)時(shí)劃定為頂板垮落不充分的采空區(qū)。由于煤層傾角大于45°時(shí)很難出現(xiàn)充分采動(dòng)，評(píng)價(jià)時(shí)將權(quán)臺(tái)礦、旗山礦和董莊礦等傾角大于45°的煤層采空區(qū)也劃定為B類采空區(qū)。

C類（單一巷道及巷采的采空區(qū)）采空區(qū)分布范圍有限，本次工作僅在研究重點(diǎn)區(qū)（賈汪城市規(guī)劃區(qū)）進(jìn)行大致的劃分，主要為韓橋礦區(qū)的煤（巖）巷集中分布區(qū)及未復(fù)采的解放前巷采形成的采空區(qū)。

以上3類采空區(qū)的分布見圖1。

2.2 按終采時(shí)間劃分

終采時(shí)間是煤礦終止開采延續(xù)到現(xiàn)今的時(shí)間，是反映采空區(qū)活動(dòng)狀態(tài)的重要因素。在對(duì)賈汪區(qū)所有礦區(qū)終采資料收集的基礎(chǔ)上（截至2018年12月），將研究區(qū)的采空區(qū)根據(jù)開采結(jié)束的時(shí)間劃分為老采空區(qū)、新采空區(qū)和準(zhǔn)采空區(qū)。進(jìn)入殘余期的采空區(qū)為老采空區(qū)，尚處在地表移動(dòng)期（開始期+活躍期+衰退期）的采空區(qū)為新采空區(qū)。

根據(jù)以上劃分原則，研究區(qū)內(nèi)的新采空區(qū)和準(zhǔn)采空區(qū)均分布在旗山礦開采的范圍，新采空區(qū)開采的年代為2012—2015年。其中旗山礦2016初已停采閉坑，故本次研究不考慮準(zhǔn)采空區(qū)。新采空區(qū)主要分布在小莊、大蔡莊及東大吳一帶。其他煤礦大都關(guān)閉較早，且開采深度相對(duì)較淺，經(jīng)判定為處于殘余變形期的老采空區(qū)。

3 采空區(qū)場地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

在對(duì)賈汪礦區(qū)分布情況劃分的基礎(chǔ)上，本研究以終采時(shí)間為主控因素（截止到2018年12月），地面殘余變形特征（采深和采厚比H/M、采深H、煤層傾角及野外調(diào)查建筑物使用情況）為輔助指標(biāo)，綜合對(duì)賈汪礦區(qū)場地穩(wěn)定性進(jìn)行整體劃分。

3.1 穩(wěn)定性分級(jí)的劃分

首先以時(shí)間作為主要因素進(jìn)行劃分，即終采時(shí)間小于0.8 a劃定為不穩(wěn)定，0.8～1.2 a為基本穩(wěn)定，大于1.2 a為穩(wěn)定。劃分的結(jié)果見圖2。

其次考慮地面殘余變形特征對(duì)穩(wěn)定性的影響，殘余變形特征是定性指標(biāo)，根據(jù)殘余變形的特點(diǎn)和發(fā)生在移動(dòng)盆地的相對(duì)位置，評(píng)價(jià)時(shí)采用采深H、采深和采厚比H/M、煤層傾角及野外調(diào)查建筑物使用情況綜合確定，具體按如下方法進(jìn)行劃分。

3.1.1 A類采空區(qū)

總體上雖然頂板為充分垮落狀態(tài)，但在淺部普遍存在小煤礦開采，小煤礦的工作面跨度小，頂板的垮落有可能出現(xiàn)不充分狀態(tài)，因此也用采深采厚比H/M小于30劃定為不穩(wěn)定區(qū)，介于30～60為基本穩(wěn)定區(qū)，但當(dāng)深度大于200 m時(shí)劃定為穩(wěn)定區(qū)，采深采厚比大于60劃定為穩(wěn)定區(qū)。

3.1.2 B類采空區(qū)

因頂板垮落不充分，在埋藏淺的地段，雖然暫時(shí)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，但在地質(zhì)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，采空區(qū)頂板的垮落可能會(huì)引起地表出現(xiàn)一些非連續(xù)變形，對(duì)地面建筑的危害大，因此劃分為不穩(wěn)定區(qū)，具體各類采空區(qū)劃分方案如下。

（1）B1類采空區(qū)。當(dāng)采深采厚比H/M小于30時(shí)，先劃定為不穩(wěn)定區(qū)，若該地段野外調(diào)查存在大量安全使用多年的建筑時(shí)，再按基本穩(wěn)定劃定，在采深采厚比介于30～60時(shí)，按基本穩(wěn)定區(qū)劃定，大于60時(shí)按穩(wěn)定區(qū)劃定。

（2）B2類采空區(qū)。開采方式多樣，頂板垮落狀況差異大，情況復(fù)雜，因此按采深采厚比H/M小于40劃定不穩(wěn)定地段，當(dāng)?shù)乇碛写罅堪踩褂枚嗄甑慕ㄖr(shí)，再按基本穩(wěn)定劃定，H/M介于40～80劃定為基本穩(wěn)定地段，大于80時(shí)劃定為穩(wěn)定地段。

（3）B3類采空區(qū)。當(dāng)?shù)貙觾A角大于55°時(shí)，頂板再次垮落后容易出現(xiàn)地表塌陷坑、臺(tái)階狀裂縫等非連續(xù)變形，因此劃定為不穩(wěn)定區(qū)，當(dāng)?shù)孛嬗写罅堪踩褂枚嗄甑慕ㄖr(shí)，再進(jìn)一步劃定為基本穩(wěn)定區(qū)，在地層傾角介于45°～55°按基本穩(wěn)定劃分，但采空區(qū)深度超過200 m時(shí)，劃定為穩(wěn)定區(qū)。

3.1.3 C類采空區(qū)

因地表有大量安全使用多年的建筑物，根據(jù)賈汪地區(qū)的建筑經(jīng)驗(yàn)直接劃定為穩(wěn)定區(qū)。

3.2 穩(wěn)定性分級(jí)區(qū)域的確定

最終穩(wěn)定性分級(jí)圖的確定要考慮在地表的影響范圍。對(duì)于采空區(qū)覆巖移動(dòng)的影響寬度，因老采空區(qū)覆巖與新采空區(qū)覆巖移動(dòng)變形規(guī)律不同，對(duì)于老采空區(qū)，其覆巖移動(dòng)主要是由殘余空洞、裂隙的再垮落和壓密過程引起的，其在地表的影響范圍遠(yuǎn)較開采過程小，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，評(píng)價(jià)時(shí)按終采時(shí)間劃定的不穩(wěn)定區(qū)和基本穩(wěn)定區(qū)。

按上述劃分的方法，最終形成的穩(wěn)定性分級(jí)如圖3所示。從圖3中可知，不穩(wěn)定區(qū)主要分布在以下幾個(gè)區(qū)域。

（1）旗山礦新采動(dòng)的區(qū)域大致位于馮集—大蔡莊—湖里一帶，采深較大，均大于500 m，深厚比大于100，隨著時(shí)間的推移，最終將成為穩(wěn)定區(qū)。

（2）韓橋礦區(qū)在B2采空區(qū)西部，大致位于北爬瓏沿煤層露頭向南至原韓橋小學(xué)一線大面積區(qū)域，地表多為大面積常年積水區(qū)，深厚比小于40，且建筑物稀少。

（3）青山泉一號(hào)井開采區(qū)域大致位于青山泉鎮(zhèn)至前八丁之間塌陷形成的常年積水區(qū)，地表變形劇烈，深厚比小，建筑物稀少，調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)仍有新建建筑物發(fā)生開裂現(xiàn)象。

（4）權(quán)臺(tái)礦西南及新湖礦急傾斜煤層區(qū)域地表變形較大，有發(fā)生抽冒的可能性，目前地表建筑物稀少，調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)有新建建筑物開裂變形現(xiàn)象。

（5）其余開采深厚比小于30且建筑物稀少的區(qū)域。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)采空區(qū)頂板垮落情況、開采方式、終采時(shí)間進(jìn)行初步分析，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行劃分及分類；再以終采時(shí)間為主控因素，結(jié)合地表變形特點(diǎn)的采空區(qū)深度、采深采厚比，將采空區(qū)進(jìn)一步分為穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)。

（2）不穩(wěn)定區(qū)主要分布在旗山礦新開采地段、韓橋礦區(qū)、青山泉一號(hào)井長期積水區(qū)、權(quán)臺(tái)礦西南及新湖礦急傾斜煤層區(qū)，其余地段為基本穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。

（3）采空區(qū)土地利用應(yīng)根據(jù)采空區(qū)的穩(wěn)定性、建筑物的重要性、變形要求和荷載特點(diǎn)等因素，采取“因地制宜”的原則選擇穩(wěn)定或者基本穩(wěn)定的地段，避免選擇不穩(wěn)定的地段。