采煤沉陷区城市建设关键技术研究与应用

李树志

(中煤科工集团 唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)



采煤沉陷区城市建设关键技术研究与应用

李树志

(中煤科工集团 唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

[摘要]以淮北矿区为例对采煤沉陷区城市建设关键技术进行了深入系统研究，根据长期的岩移观测、采空区建筑物沉降监测与采动区“活化”机理研究，提出了基于城市建设规模性土地利用的煤层群开采沉陷地区域性稳定概念和评价方法，创建了煤炭开采沉陷区域稳定评价与控制、建筑群抗变形等技术体系，解决了采煤沉陷区城市建设关键技术，实现了采煤沉陷区直接建设高层建筑群的技术突破。

[关键词]采煤沉陷；城市建设；岩移规律；区域稳定评价；建筑群抗变形

矿业城市是国家建设所需矿物原料和能源的主要供应基地，在支持国家能源工业进步和社会经济快速发展的同时也造成大面积土地沉陷，影响了矿业城市的建设发展和矿区农民的生产生活。十八大以来，我国大力推进生态文明建设，提出要节约集约利用资源，推动资源利用方式根本转变，加强全过程节约管理，大幅降低能源、水、土地消耗强度，提高利用效率和效益。开发利用采煤沉陷区大量的土地资源作为城市建设用地是实现土地节约利用的有效途径。如何在煤炭资源开发过程中，结合国家的小城镇化战略，实现煤炭资源开发与矿区小城镇协调建设、土地集约节约利用、农民安居乐业是亟待解决的问题。

1采煤沉陷区概况

淮北市地处安徽省北部淮北平原中部，北部为黄泛冲积平原区，土壤肥沃，地面平整，南部为古老河湖沉积平原，地势较低。淮北矿区冲积层较厚，一般32～84m，市域内地表水系发育，全市河流有十多条，属淮河水系。地下水丰富，水位较高，全市平均浅层地下水位埋深2.37m。

淮北市作为全国重要的煤炭能源基地，煤炭开采历史悠久，境内现已形成地表沉陷区总面积为150km2；主城区规划区中部存在着由岱河、相城、朱庄、杨庄、双龙公司(原张庄)等煤矿长期开采后所形成的大面积采煤沉陷区。各煤矿开采煤层基本情况见表1。

2厚冲积层高潜水位矿区地表移动变形时空规律及形成机理

淮北矿区冲积层是全国最厚的矿区之一，潜水位较高，表土层上半部内有数个流砂层，厚度从10～30m不等，下部多为含砾石黏土层，隔水性好。地表移动特征受表土影响较严重。煤系地层岩性中硬偏软，以泥岩、砂岩为主，泥岩占50%以上，淮北市主城区规划内覆岩属于较软弱类。

表1　各煤矿开采煤层基本情况统计

通过研究现场长期观测数据，总结出淮北矿区采煤沉陷地表变形与残余变形时空规律。

(1)下沉系数偏大根据杨庄、双龙公司(张庄煤矿)、岱河矿12个地表观测站观测数据统计，研究区下沉系数q为0.8～1.15，下沉盆地中最大下沉点下沉量偏大。随着冲积层厚度h的增加，q值有所增大。当冲积层厚度h<90m时观测站平均下沉系数q为1.01，当h>120m时观测站平均下沉系数q为1.08，主要原因是由于冲积层较厚，其占采深比例较大，冲积层内有2～4层含水流砂层，受煤炭开采疏排水与松散层疏水共同作用影响，含水层固结，地表下沉系数增加0.2～0.4。

(2)下沉范围大，下沉平缓(主要影响角正切tanβ值小)全矿区tanβ平均值为1.74，一般变化在1.33～2.3之间。随着冲积层厚度h增加，tanβ值有所增加，当h<90m时，tanβ平均值为1.71；当h>120m时，tanβ平均值为1.82。下沉盆地范围扩展较远，下沉范围大与潜水位较高(地表下沉1～2.0m时地面积水)有关。

(3)水平移动系数b值较大，并随冲积层厚度的增大而趋于增大实测水平移动系数b在0.23～0.47之间，当冲积层厚度h<90m时，b的平均值为0.29；当h>120m时，b的平均值为0.37。

(4)拐点偏移距较小通过观测站实测资料求得拐点偏移距较小(0.09～0.12H)，平均值为S=0.104H，对比“三下采煤规程”附表5-4可以看出，淮北矿区的拐点偏距相当于软岩的数值。

研究区地表移动参数值见表2。

(5)重复采动情况下，地表下沉量增加由于受采深、采厚、冲积层厚度、基岩厚度、工作面位置、开采时间等条件的不同，地表变形值存在差异，主要原因是由于受各层开采影响，地表变形相互叠加后抵消或增加造成的。

表2　研究区地表移动参数值

(6)地表移动初始期和活跃期较短，但下沉值占总下沉量的比例大在采深为71～327m条件下，总移动期为130～433d，初始期3～75d。活跃期占总移动期的53%，而该期间的下沉值却占总下沉值的80%。

初始期和活跃期占总移动期的67%，下沉量占总下沉量的93%，动静态最大下沉比值、最大倾斜比值和最大正曲率比值接近于1，最大负曲率比值为0.6，说明软岩移动过程时间短，充分显现了软弱覆岩特征。地表下沉速度及下沉曲线见图1。

图1　地表下沉速度及下沉量曲线

(7)地表残余变形均匀偏小淮北矿区地表残余变形均匀偏小，衰退期地表稳定，地层塌陷比较密实。这是由于该区地表冲积层较厚，可采煤层数较少，开采时间相对集中，煤层倾角平缓且上覆岩层岩性整体偏软、冒落充分，现代矿业集团长期采用大规模正规长壁开采，开采范围大、工作面布设整齐、煤层回收完整、地质资料准确等多种因素共同作用造成的。

(8)地表移动分布地表下沉和水平移动实测分布与概率积分法计算值符合程度较好，但在下沉盆地边缘部分，概率积分法曲线收敛较快。总体分析，可以用概率积分法描述矿区下沉和水平移动值的分布。

综合地表变形与残余变形时空规律可以看到，淮北矿区高潜水位、厚冲积层(分布2～4层含水流砂层)、软弱覆岩、浅埋深条件下长壁开采，根据流固耦合理论，受疏排水、含水层固结等因素影响，地表下沉系数增加0.2～0.4，开采沉陷范围增大、下沉平缓、稳沉速度快、移动变形衰退期地表稳定、地面残余下沉量小、残余变形均匀偏小、地层沉陷固结密实，这一特点与一般软岩地表移动规律截然不同，有利于保护建筑物，比较适宜地面建设。

3基于规模利用的煤层群开采沉陷地区域稳定性评价与控制技术

目前，我国对单一地块采动地基稳定性研究较充分但一般面积较小，而城市土地规划利用需要对采煤沉陷地从区域角度进行稳定性评价与分区。

3.1多煤层区域性开采特征

针对淮北市主城区东部和西南部主要分布有岱河、相城、朱庄、杨庄、双龙(原张庄)等5个煤矿，可采煤层为3，4，5，6煤，煤矿开采历史长，煤层埋藏较浅，开采面积大，地表一般都会形成超充分采动盆地。区域开采特征主要表现为开采范围距城市由近到远发展、煤层分布区由外围向中心开采、多煤层集中开采、多数煤矿进入资源枯竭残采阶段的区域，形成了大范围开采稳定区(表3)，为城市发展创造了条件。

3.2区域稳定性评价概念与分区方法

表3　各阶段采空区投影面积统计

煤层群开采沉陷地区域性稳定评价是指在城市建设规模性土地利用的基础上，将采煤沉陷地按照稳定程度划分为3个分区(见图2)。

图2　淮北煤炭开采区域性稳定分布

采煤沉陷稳沉区，煤层已全部开采结束，95%以上地表已经达到稳定；采煤沉陷基本稳沉区，煤层大部分开采结束(局部正在开采或未开采)，80%以上地表已经达到稳定；煤炭开采区，主要煤层正在开采和待开采，大部分区域地表未达稳定。

3.3多煤层开采地表区域稳定控制技术

多煤层开采地表区域稳定控制技术是指将多个可采煤层统一规划、分区由上至下集中开采、缩短煤层群分煤层单独开采地表沉陷周期。淮北市主城区规划用地范围内3，4，5，6可采煤层利用该技术进行了由浅入深分区规划集中开采，集中开采区较全井田分层开采地表沉陷稳定时间缩短5～10a，为城市向沉陷区发展拓展了空间，加速了采煤沉陷区城市建设进程。

3.4离层和采空区联合注浆控制地表沉陷技术

在采煤沉陷未稳沉区内，利用注浆泵为动力源，将具有充填胶结性能的浆液，通过注浆系统，采用“下行分段”注浆方式，先后注入覆岩内残余的离层和下部采空区。在覆岩移动过程中对离层和采空区联合注浆，使孔隙得到有效充填，加快了采空区稳定，缩短了沉陷区地表稳定时间，减少了地表残余变形量，使地表沉陷得到有效控制。

4采煤沉陷区城市建筑群抗变形建设技术体系

目前，我国采煤沉陷区建筑抗变形技术对中高层和高层抗变形技术研究的较少，缺乏规模性与系统性。中煤科工集团唐山研究院通过长期深入研究厚冲积层长壁开采地基“活化”机理，建立了地基稳定性综合评价模型，创建了采煤沉陷区城市建筑群抗变形建设技术体系。

4.1厚冲积层长壁开采地基“活化”机理

综合探测技术研究表明，厚冲积层长壁开采地表移动稳定后，开采引起的地下空洞、离层、裂缝和垮落带中欠压密、孔隙中饱水等现象仍长期存在。地表新增荷载、地震活动、邻区开采、断层活化、地下水动态变化等，都可能打破原来的应力平衡状态，使采煤沉陷区“活化”，空隙、裂缝和空洞的再压密及压密过程中岩块转动和蠕变，会导致地表再次出现相对较大的不均匀沉降，形成地表残余变形。

4.2厚冲积层采动地基稳定性综合评价模型

厚冲积层采动地基“活化”是多种因素共同作用的结果，考虑冲积层内潜水层厚度、地表新增荷载状况、开采方式、开采深度与采厚、开采结束时间、煤层倾角、覆岩岩性、地质构造等采动地基稳定性影响因素，建立采动地基稳定性评价指标体系，采用模糊数学理论将主要因素对稳定性影响程度进行定量化处理，采用层次分析法确定各指标的权重，最终建立了采动地基稳定性综合评价模型。

4.3采动区建筑物与地基的应力和位移分布规律

针对淮北矿区地质采矿条件、采空区地表不同位置建筑物及各种建筑类型，采用有限元法深入系统研究不同条件下建筑物和地基应力、位移分布规律，发现采空区垮落带及开采边界处残余变形大，应力主要集中在柱、梁、基础相互连接处，建筑物基底压力在不同沉陷区位置、基础部位上变化剧烈，如图3所示。

4.4采空区城市建筑群抗变形技术体系

通过多年的采煤沉陷区建筑试验与实践研究，中煤科工集团唐山研究院创新提出了与工程地质特点、地质采矿条件、残余变形量、回填地基特性相适应的建筑物高度(低层、多层、中高层、高层)、体型尺寸、基础型式、结构类型等抗变形建筑结构措施，创建了采煤沉陷区城市建筑群抗变形技术体系(见表4)，在采煤沉陷区内建成了大面积高层建筑群，实现了沉陷区建筑以低层、多层为主到高层为主的技术突破。

图3　采动区建筑物基底压力变化规律

表4　淮北采煤沉陷区抗变形建筑技术体系

注：表中仅为部分层高建筑技术指标，根据最不利情况确定建筑物结构型式，“-”表示禁止建筑。

5采煤沉陷区城市建设

研究成果在淮北城市建设发展中得到充分应用，完成了285km2的城市发展规划，利用采煤沉陷区120km2，其中城市建设用地60km2。截至2014年底，主城区采煤沉陷区城市建设面积42km2，占城市建成区面积的53.3%；建设多层、中高层、高层建筑物面积累计2.750×107m2；形成了大面积城市高层建筑群，提高了土地容积率，实现了土地的节约集约利用、生态环境的改善和土地价值的增值。

6结论

(1)系统研究提出了淮北矿区高潜水位厚冲积层地质采矿条件下的岩移规律、残余变形特点及预测方法，揭示了高潜水位厚冲积层现代长壁开采地表移动持续时间短、下沉值大、影响范围广的特点及残余变形均匀偏小的机理，使得区域性采煤沉陷区不进行采空区注浆处理，仅采取抗采动变形建筑结构措施即可进行高层建筑群建设，为采煤沉陷区城市建设提供了技术支撑。

(2)提出了基于城市建设规模性土地利用的煤层群开采沉陷地区域性稳定概念和评价方法，对淮北市城区附近5个煤矿形成的120km2采煤沉陷区进行了区域稳定性评价，划分为采煤沉陷稳沉区、基本稳沉区和开采区，确定60km2采煤沉陷区近期可进行城市建设。提出了多煤层开采地表区域稳定控制、未稳沉区岩层内部离层带与采空区注浆的地表沉陷控制技术，加快了采空区稳定，减少了地表残余变形，解决了淮北市城市建设用地瓶颈制约。

(3)根据长期的岩移观测、采空区建筑物沉降监测与采动区“活化”机理研究，提出了厚冲积层长壁开采地基稳定性评价方法与预测参数。在多年采煤沉陷区建筑试验与实践研究的基础上，提出了与建筑物高度(低层、多层、中高层、高层)、工程地质特点、地质采矿条件、残余变形量、回填地基特性相适应的中高层和高层建筑体型尺寸、基础型式、结构类型，创建了采煤沉陷区城市建筑群抗变形技术体系，解决了在采煤沉陷区内建设大型高层建筑群的抗变形技术难题。

(4)采煤沉陷区城市建设提高了土地容积率，实现了土地节约集约利用，为矿业城市发展提供广阔空间，有效保护耕地，避免工农矛盾，对于促进矿业城市经济转型，实现城市可持续发展具有非常重要的意义。

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[责任编辑：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 ‘active ‘ 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

[基金项目]国家科技支撑计划项目：典型矿业城市受损生态系统恢复技术及示范(2012BAC13B03)；唐山市科技计划项目：近郊河流湿地生态修复技术研究与应用(14130212B)

[作者简介]李树志(1960-)，男，河北定州人，研究员，博士，中国煤炭科工集团首席科学家，享受国务院政府特殊津贴，现任中国煤炭科工集团唐山研究院有限公司矿山测量研究所所长; 中国煤炭学会土地复垦与生态修复专业委员会副主任。

[中图分类号]TD325.3

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)02-0073-05

矿山环境保护与土地复垦

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

[引用格式]李树志.采煤沉陷区城市建设关键技术研究与应用[J].煤矿开采，2016，21(2)：73-77.