史曉濤，邱征，楊超，張鵬 （安徽省交通航務(wù)工程有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

煤炭開采造成的地面沉陷、耕地喪失、環(huán)境污染等一系列問題，在我國乃至世界都引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。煤炭開采導(dǎo)致地表沉陷面積與日俱增，更快更好更高效的治理、恢復(fù)、改造并綜合利用這些采空區(qū)土地，是亟待解決的問題。常規(guī)采空區(qū)土地復(fù)墾和地質(zhì)環(huán)境治理方法一般是等采空區(qū)完全穩(wěn)定后，再進(jìn)行改造，該方法的缺點(diǎn)在于采空區(qū)穩(wěn)沉?xí)r間較長(zhǎng)，且沉降穩(wěn)定后，土地利用難度加大，大量采空區(qū)土地長(zhǎng)期撂荒，未得到有效利用，造成大量經(jīng)濟(jì)損失?！巴谏顗|淺”超前治理施工技術(shù)能夠最大程度地改造沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境，基于潛水位較高的水文地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，通過挖深超前治理形成大面積水域?qū)崿F(xiàn)非穩(wěn)沉區(qū)改造，通過墊淺超前治理形成可利用土地實(shí)現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)沉區(qū)修復(fù)，進(jìn)而完成高潛水位沉陷區(qū)的水土綜合利用[1-3]。

2 工藝原理

根據(jù)需要治理采空區(qū)的煤炭開采工作面技術(shù)參數(shù)指標(biāo)、原始地表地形信息與開采計(jì)劃，計(jì)算地表沉陷信息，進(jìn)而進(jìn)行分區(qū)沉降預(yù)測(cè)值，結(jié)合總體用地規(guī)劃與市政空間布局要求確定“挖深墊淺”的設(shè)計(jì)邊界。將治理區(qū)域劃分為方格網(wǎng)，根據(jù)方格網(wǎng)生成計(jì)算單元區(qū)間，依據(jù)區(qū)域內(nèi)土方平衡的原則對(duì)每個(gè)單元區(qū)內(nèi)的挖填土方量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算采空區(qū)超前治理總體土方工程量。

挖深區(qū)域下挖至設(shè)計(jì)高程并平緩各分區(qū)連接處，同時(shí)將開挖土方填入墊淺區(qū)域，平整并壓實(shí)墊淺區(qū)域，為后續(xù)的土地資源再利用打下基礎(chǔ)，在土建領(lǐng)域完成對(duì)高潛水位采空區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害治理。分別在改造完成的墊淺區(qū)和挖深區(qū)開展生態(tài)環(huán)境差異化治理，在墊淺區(qū)域恢復(fù)陸地植被，初步進(jìn)行土壤治理，針對(duì)不同用地性質(zhì)開展建設(shè)準(zhǔn)備。在挖深區(qū)域利用自然補(bǔ)水、人工排水等方式蓄水成湖，通過合理配置水生動(dòng)植物進(jìn)一步改善水質(zhì)，從而完成采空區(qū)的生態(tài)環(huán)境綜合治理[2]。

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)

3.1.1 概率積分法數(shù)學(xué)模型

概率積分法對(duì)開采工作面進(jìn)行沉陷預(yù)計(jì)的模型[3]如下：

任意點(diǎn)A(x，y)的下沉值W(x，y)

其中：

式中：

Wcm—充分采動(dòng)條件下地表最大下沉值，Wcm=mqcosα；

m—采出煤層厚度；

q—地表下沉系數(shù)；

α—煤層傾角；

Cx′，Cy′—為待求點(diǎn)在走向和傾向主斷面上投影點(diǎn)處的下沉分布系數(shù)；

l，L—為采區(qū)拐點(diǎn)平移后走向長(zhǎng)度及傾斜方向在地表的計(jì)算開采寬度；

r，r1，r2—分別為走向、下山、上山方向的主要影響半徑；

x、y——待求點(diǎn)坐標(biāo)。

3.1.2 挖填方量的初始計(jì)算

根據(jù)計(jì)算方格網(wǎng)四個(gè)頂點(diǎn)的現(xiàn)狀標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高之差，進(jìn)行計(jì)算單元區(qū)內(nèi)挖填方計(jì)算。

填（挖）方厚度=設(shè)計(jì)地面高程—原始地面高程+預(yù)測(cè)下沉量，即：

式中：

H施—填（挖）方厚度（m）

H設(shè)—設(shè)計(jì)地面高程（m）

H原—原始地面高程（m）

W下沉—預(yù)測(cè)地面塌陷變形量（m）

填（挖）方量=填（挖）方厚度×填（挖）方面積，即：

式中：

Q—填（挖）方量（m3）

S—填（挖）方面積（m2）

計(jì)算中需內(nèi)業(yè)、外業(yè)的結(jié)合，必須保證原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確[4-5]。

3.2 殘余沉降預(yù)測(cè)

治理采空區(qū)的煤炭開采沉陷改變了地層和巖土體的工程地質(zhì)特征和性質(zhì)，形成了不良工程地質(zhì)的復(fù)雜地基條件，給開發(fā)利用廢棄老采空區(qū)上方土地作建筑用地帶來困難和安全隱患。

在煤炭開采完成且采空區(qū)地表沉降基本穩(wěn)定后，采空區(qū)巖土體內(nèi)部相互作用力形成了新的相對(duì)穩(wěn)定平衡。當(dāng)采空區(qū)巖土體再次受到地應(yīng)力、附加應(yīng)力或蠕變?cè)斐傻膸r土體材料強(qiáng)度減小等因素作用或影響因素綜合作用下，相對(duì)穩(wěn)定的采空區(qū)巖土體受力平衡系統(tǒng)將再次被打破，在應(yīng)力重分布作用下造成巖土體和采空區(qū)地表的再次沉降、變形，進(jìn)而產(chǎn)生老采空區(qū)的“活化”。城中采煤沉陷區(qū)“活化”問題是制約綜合治理、土地再生、建設(shè)用地恢復(fù)的重要因素，因此在進(jìn)行采空區(qū)綜合治理規(guī)劃前須對(duì)各影響因素下的殘余沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。

采空區(qū)巖土體雖然在自重應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下自然密實(shí)，但煤炭開采造成的離層、裂縫、裂隙等不良地質(zhì)條件仍長(zhǎng)期存在。在開展治理的采空區(qū)上方修建建筑物、地下水抽取及廢棄老采空區(qū)中圍巖和礦柱蠕變?cè)斐傻膹?qiáng)度弱化等，都會(huì)破壞巖土體的相對(duì)應(yīng)力平衡，使采空區(qū)原來穩(wěn)定的覆巖發(fā)生“活化”。其表現(xiàn)為礦柱和圍巖垮落失穩(wěn)、冒落裂縫帶和離層的再壓密,導(dǎo)致地面不均勻沉降，巖體沿層面或斷層面產(chǎn)生滑動(dòng)變形、空洞垮落引起地面沉陷，未來會(huì)導(dǎo)致新建建筑物面臨沉降、局部開裂、傾斜等一系列問題。

對(duì)下沉參數(shù)及時(shí)間進(jìn)行回歸分析，建立殘余下沉系數(shù)與下沉系數(shù)、時(shí)間的關(guān)系模型，得出殘余下沉系數(shù)q殘為：

式中：

q—下沉系數(shù)；

k—調(diào)整系數(shù)，一般取值為0.5-1.0，這里我們?nèi)?.8；

t—距開采結(jié)束的時(shí)間，單位為年。

3.3 施工測(cè)量

3.3.1 陸上地形測(cè)量

①繪制地形草圖，明確控制點(diǎn)位置。

②RTK測(cè)量。

③數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

④繪制成圖。

3.3.2 水下地形測(cè)量

水下地形測(cè)量采用RTK技術(shù)結(jié)合測(cè)深儀開展測(cè)量工作。

在測(cè)深儀換能器上固定GPS測(cè)量天線，保證GPS測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)與測(cè)深儀測(cè)量的水下點(diǎn)位能夠一一對(duì)應(yīng)。將測(cè)點(diǎn)高程減去對(duì)應(yīng)水下點(diǎn)位水深，即可得出水下點(diǎn)位高程，帶入測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)而完成三維地形參數(shù)的測(cè)定。

①岸上工作

首先于控制點(diǎn)架設(shè)GPS基準(zhǔn)站，基本站設(shè)置完畢后調(diào)試流動(dòng)站并進(jìn)行校對(duì)，檢查無誤后固定于測(cè)深儀開始測(cè)量。

②水上工作

將測(cè)深儀固定于船首，換能器緊密安裝于船側(cè)，避免輪機(jī)震動(dòng)和行船時(shí)產(chǎn)生的水波、水花干擾測(cè)深儀工作，安裝時(shí)保證GPS接收器垂直工作，確保數(shù)據(jù)傳輸通暢后，進(jìn)行試測(cè)。將機(jī)器測(cè)量的水下點(diǎn)位水深與人工測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，無誤后開始正式測(cè)量。

3.4 陸上土方挖填平整

墊淺填筑區(qū)根據(jù)采空區(qū)殘余沉降與填土松鋪系數(shù)雙指標(biāo)控制來確定頂標(biāo)高設(shè)計(jì)，墊淺填筑區(qū)頂標(biāo)高不一，進(jìn)行微地形塑造與場(chǎng)地精細(xì)化平整是一項(xiàng)重要工序。在完成一個(gè)墊淺填筑區(qū)的土方回填與壓實(shí)工作并達(dá)到設(shè)計(jì)高程后，即對(duì)該墊淺填筑區(qū)進(jìn)行微地形塑造與精細(xì)平整。

施工程序：放線定位→標(biāo)定整平范圍→設(shè)計(jì)標(biāo)高復(fù)測(cè)→場(chǎng)地精平→場(chǎng)地碾壓→驗(yàn)收。

通過復(fù)測(cè)標(biāo)識(shí)出與設(shè)計(jì)標(biāo)高有差異的位置，用推土機(jī)對(duì)存在誤差的區(qū)域進(jìn)行微地形塑造，考慮松鋪系數(shù)并進(jìn)行壓實(shí)，確保高程符合設(shè)計(jì)要求，滿足后期沉降控制與景觀塑造的需要。

3.5 大面積積水區(qū)疏浚清淤

陸上取土滿足各區(qū)填筑要求后，剩余水下土方可采用絞吸式挖泥船施工。若積水區(qū)水面以下障礙物多（混凝土塊、房基塊石等），絞吸式挖泥船施工受障礙物影響，可輔助采用抓斗挖泥船進(jìn)行水下清障。

3.5.1 施工流程

①拋泥區(qū)圍堰填筑→絞吸式挖泥船施工→拋泥區(qū)。

②拋泥區(qū)圍堰填筑→抓斗船施工→泥駁船→絞吸船開挖深槽拋泥。

3.5.2 絞吸式挖泥船施工

采用步進(jìn)橫挖法利用絞吸式挖泥船進(jìn)行水下土方疏浚施工，主樁作為步進(jìn)樁，副樁作為換位樁，交替行進(jìn)，擺動(dòng)施工，使得挖槽平直，減少槽底漏挖。

絞吸式挖泥船疏浚施工時(shí)，在施工區(qū)設(shè)立臨時(shí)水尺，每天上報(bào)一次水位，船舶施工操作人員根據(jù)臨時(shí)水尺測(cè)得的水位，及時(shí)調(diào)整施工挖深，保證工程質(zhì)量及施工效率。

3.5.3 抓斗式挖泥船施工

順流挖泥：順?biāo)鞣较蜷_挖，頭錨拋向下游，尾錨拋向上游。

分段挖泥：挖槽較長(zhǎng)可分成若干段，每段長(zhǎng)度約60-70m，段間設(shè)橫向標(biāo)志。

分條挖泥：1m3抓斗船的挖寬一般為10m。故當(dāng)挖槽大于挖寬時(shí)若分成若干條，每條均要設(shè)縱向?qū)?biāo)。

分層挖泥：1m3抓斗船的一斗挖深一般為1m。若泥層厚度超過一斗最大挖深時(shí)應(yīng)分層排斗。若挖槽泥層過厚或土質(zhì)堅(jiān)硬不易挖動(dòng)時(shí)應(yīng)進(jìn)行逐段分層，即在整個(gè)分段挖槽中分幾層開挖，挖完上層，再將船退后來挖第二層，挖完第二層，再挖第三層，逐層挖至設(shè)計(jì)深度。

邊坡開挖：分層開挖進(jìn)行修坡，每層開挖深度為1m，根據(jù)“下超上欠，超欠平衡”的原則，采用階梯開挖方式，在每個(gè)分層布設(shè)邊坡樣標(biāo)，控制超欠比在1:1.1～1:1.3之間，滿足質(zhì)量設(shè)計(jì)要求。

4 應(yīng)用實(shí)例與效益分析

高潛水位城中采空區(qū)“挖深墊淺”超前治理施工技術(shù)應(yīng)用于淮北市資源枯竭型城市礦山地質(zhì)環(huán)境治理重點(diǎn)項(xiàng)目—淮北市中湖礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程，通過開展礦山地質(zhì)環(huán)境治理和景觀園林及配套設(shè)施建設(shè)，將原采煤塌陷區(qū)建設(shè)為集生態(tài)修復(fù)、科學(xué)研究、文化創(chuàng)意、旅游休閑為一體的城市中央公園，同時(shí)為淮水北調(diào)提供蓄水庫容。

科學(xué)實(shí)施治理，創(chuàng)新土地再生模式，通過科學(xué)合理布局，易于施工，采用“挖深墊淺”超前治理施工技術(shù)對(duì)非穩(wěn)沉區(qū)進(jìn)行治理，使治理后的土地即使在地下繼續(xù)塌陷直至穩(wěn)沉后，依然能達(dá)到治理設(shè)計(jì)要求，而不必等到穩(wěn)沉后再治理，不僅提前利用待塌陷的優(yōu)質(zhì)土層，解決塌陷土地因未穩(wěn)沉而長(zhǎng)期荒廢的問題，提高治理效率，還節(jié)約了治理資金，事半功倍。把地處城市規(guī)劃區(qū)中的的采空塌陷穩(wěn)沉區(qū)治理恢復(fù)為城鎮(zhèn)住宅用地、廣場(chǎng)用地等，非穩(wěn)沉區(qū)治理恢復(fù)為綠地、水域等形式。使其發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益。

與其他多數(shù)沉陷區(qū)位于遠(yuǎn)離市區(qū)的農(nóng)村相比，淮北中湖采煤沉陷區(qū)位于市區(qū)，治理后形成沉陷濕地公園會(huì)產(chǎn)生良好的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，其周邊修復(fù)的可利用土地經(jīng)商業(yè)開發(fā)及運(yùn)營(yíng)后也會(huì)產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

工程實(shí)施后，為治理區(qū)新增城鎮(zhèn)住宅用地129hm2、商業(yè)用地45hm2、綠地用地498hm2、水域用地419hm2、道路及其他用地45hm2。景觀水域、綠化用地和城市交通用地，作為公益性土地，用于改善城市交通，提升城市環(huán)境質(zhì)量，具有巨大潛在價(jià)值。新增住宅和商業(yè)建設(shè)用地隨著周邊生態(tài)環(huán)境的改善，土地出讓費(fèi)用有望逐年增加。通過“挖深墊淺”超前治理，將城中采空區(qū)的生態(tài)環(huán)境與土地資源利用變“劣勢(shì)”為“優(yōu)勢(shì)”，實(shí)現(xiàn)了采煤沉陷區(qū)“生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)”的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，為城市的發(fā)展助力，提升城市的知名度，在兩淮地區(qū)及其他類似地區(qū)的城中礦山生態(tài)地質(zhì)環(huán)境綜合治理工程中具有借鑒價(jià)值。