高潜水位矿区挖深垫浅填土沉降监测分析

张 敏，刘 辉,3，朱晓峻，刘朝发

(1.安徽大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230031；2.安徽省矿山生态修复工程实验室，安徽 合肥 230031；3.河北工程大学矿业与测绘学院，河北 邯郸 056038；4.安徽省交通航务工程有限公司，安徽 合肥 230601)

我国东部矿区普遍具有埋藏深、高潜水位、厚松散层、多煤层重复开采等特点，煤炭资源开采导致地表沉陷周期长、下沉系数大、地表严重积水，土地功能严重退化，大量耕地被损毁，地表建筑物被淹没，原有的陆地生态系统演变为水生、水陆复合生态系统。以两淮矿区为例，目前已形成塌陷区超过600km2，年新增沉陷面积20km2，其中，积水区域占比达到50%～70%[1-2]。

为了缓解高潜水位采煤沉降区水土资源流失、土壤环境恶化等问题，众多学者在土地复垦方面做了大量工作[3-6]640，主要以井下充填减沉[7]、覆岩离层注浆[8]、地表土壤重构[9]、“挖深垫浅”超前治理[10]等技术为主。其中，井下充填减沉指的是在开采过程中采用膏体[11]、矸石[12]、泥沙[13]、高水材料[14-15]等作为充填材料进行采空区充填，以达到减沉的目的，但受到充填成本较高、工艺复杂的限制；覆岩离层注浆技术在保护地表重要建(构)筑物方面起到了重要作用；地表土壤重构以夹层式多层土壤剖面结构恢复土壤功能。近年来，在两淮矿区实施了大量“挖深垫浅”复垦技术，其具体做法为：根据地表变形预计结果确定挖填边界，将较大沉陷区域的土地资源置换到沉陷边缘区域，最大限度提高土地利用率，减小沉陷积水区，取得了显著的经济效益和生态效益[16-17]。

上述研究为采煤沉降区土地复垦及生态恢复提供了理论依据和技术支持，学者主要关注地表减沉率及复垦后土壤的功能恢复状况，对于复垦区土地沉降问题关注较少。本文以淮北中湖采煤沉降区“挖深垫浅”超前治理示范工程为例，通过现场布设采煤地表移动观测站和填土沉降观测站，研究了复垦过程中的地表沉降规律，分析了填土深度对土体荷载沉降的影响，以期为高潜水位采煤沉降区“挖深垫浅”复垦工艺提供了理论依据及技术参考。

1 研究区概况

淮北中湖采煤沉降区位于淮北市相山区东部，距淮北市中心3.5km，北至人民路，南邻沱河路，东接龙岱河，西抵长山路，总面积为24.1km2。地处淮北平原中部，自然地表高程在31.0～32.5m，地势自西北向东南微倾，除东北部有少量低山地形分布外，其余为广阔平原，水系主要有跃进河、相阳沟、西流河、龙河、岱河等。

研究区隶属淮北矿区的朱庄矿、杨庄矿两个矿井，东北部为朱庄煤矿，西南部为杨庄煤矿，开采方式均为井工开采，采煤方法采用走向长壁分层开采，全部垮落法顶板管理。由于朱庄、杨庄两个煤矿多年的采煤活动，地表已有不同程度的沉降，在多煤层开采较为集中的区域，由于开采的沉降叠加效应，造成地表严重沉陷及大量积水，目前沉陷深度已达5m以上，形成多处永久性积水湖泊。

为缓解采煤沉降对研究区域的生态环境影响，有效利用水土资源，本区域采用“挖深垫浅”超前治理技术进行土地复垦，打造集人居建筑区、可利用水域、生态绿地于一体的沉陷区治理示范工程。其中，沉陷较大区域改造为新型湿地，沉陷边缘区域改造为绿地广场，沉陷影响范围以外区域进行建筑规划。治理后的土地利用情况如图1所示。

2 沉降观测站的设计与观测

为了研究煤炭资源开采导致的地表移动及“挖深垫浅”治理后土体沉降规律，在工作面上方设计了两条“十”字型地表移动观测站，在填土区设计了填土沉降观测网，一方面要监测煤矿开采导致的地表沉陷；另一方面监测“挖深垫浅”施工后土体在自身荷载作用下产生的沉降。

2.1 地表移动观测站的布设

研究区内受杨庄煤矿工作面Ⅳ518、Ⅳ516、Ⅳ512采煤影响，根据监测需求，在研究区内选择近期开采的采煤工作面的地面进行布设观测站。根据地表移动观测站设计原则，结合Ⅳ518工作面实际情况，在工作面上方布置两条地表移动观测线，分别为走向观测线、倾向观测线。走向观测线穿越整个工作面的主断面，长度约2 600m，观测点个数65个，点编号为A1～A65；倾向整条观测线长度约1 900m，观测点个数48个，点编号为B1～B48。填土区沉降观测站包含37个监测点，编号为C1～C37。观测站整体布设情况如图2所示。

图2 中湖采煤沉降区地表沉降观测站布设图

2.2 观测点的设计

地表移动观测点采用露出式测点，高出地面10～20cm，采用200#混凝土预制式，顶部宽度15cm，底部宽度20cm，埋深至冻土层以下60cm，其结构如图2所示。填土沉降观测点采用倒“T”型沉降板式设计，测杆底板埋至原地表以下50cm，在填土过程中，保持测杆竖直并出露地表10～20cm，待填土并夯实后进行高程观测，如图3所示。观测方法为：填筑之前先测出A点的高程h2与坐标(x,y)并量出A与C点之间的杆高h,待填筑之后测出B点的高程h3；沉降观测A和B点的高程变化，即Δh2为原地表沉降，Δh3为填筑与地表沉降，Δh3-Δh2为填筑沉降。

图3 地表移动观测站的标石和埋设情况

图4 填土沉降观测点示意图

2.3 监测方法

根据《工程测量规范》(GB50026-2016)中的有关规定，现场观测采用四等水准测量进行观测，观测日期自2017年10月12日至2018年6月9日，为全面监测地表动态沉降，观测初期平均每10d观测一次，待下沉速率减小至0.06mm/d后，观测周期调整为30d观测一次，累计观测11期。

3 监测数据处理

为了研究填土区域在自身荷载作用下产生的沉降规律，验证中湖采煤沉降区“挖深垫浅”治理设计方案的合理性，从而更好地指导采煤沉降区地质环境综合治理，对填土沉降的观测数据进行分析。整体沉降包括两部分：一是采煤作用下导致的地表沉陷，称为采煤沉降；二是填土本身在自重作用下发生的沉降及原状土在填土附加荷载作用下发生的沉降，称为土体荷载沉降。

由于本区域采用两种沉降共同观测，为了研究采煤沉降和土体荷载沉降共同作用下的整体沉降规律，数据处理采用以下方法：首先，根据走向、倾向两条观测线上的沉降观测数据，绘制研究区采煤沉降的沉降云图(见图5)；其次，根据地表移动观测点A1～A65、B1～B45的观测数据，用克里金插值方法计算出填土沉降观测点C1～C37的采煤沉降值，根据观测数据进行插值检验，精度达到4.3mm，将整体沉降观测值减去采煤沉降值，即为观测点的土体荷载沉降值；最终分别得到观测点C1～C37的采煤沉降量和土体荷载沉降量，其中，累计9个填土观测点受到采煤沉降和土体荷载沉降的叠加影响，分别为C11、C17、C19、C20、C21、C22、C25、C26、C29，各点采煤沉降和土体荷载沉降值如表1所示；填土区域不受采煤沉降影响的观测点，其整体沉降观测值即为土体荷载沉降值(见图6)。

图5 采煤工作面沉降云图

表1 采煤沉降填土观测点沉降值分类统计 mm

图6 监测点填土沉降值

为全面分析填土观测点数据及填土沉降规律，本文选取7个填土观测特征点进行分析，其具体位置分别为：(1)C3、C37分别处于填土区域北部、南部的边界区域；(2)C11、 C19、C21均处于采煤沉降区，其中，C11、C19处于采煤沉降边缘区域，受采煤沉降影响较小，C21处于采煤沉降中心区域，受采煤沉降影响较大，且位于湖心人工岛规划区, 因此该点处填土深度较大；(3)C11、C18、C19、C29分别处于两条“十字”地表移动观测线的东北、西北、东南、西南区域。绘制上述特征点高程随时间的变化曲线，如图7所示。

图7 填土沉降观测点高程变化曲线

4 沉降规律分析

4.1 填土区整体沉降规律

1)所有监测点均呈现不同程度的沉降。其中，在沉陷盆地影响范围内(采煤沉降值大于10mm)，沉降值包含采煤沉降和土体荷载沉降两部分组成；地表沉陷呈现以采空区为中心的盆地式下沉，最大下沉值位于三个工作面采空区的正中央，由采空区向四周逐渐减小，最大下沉为754mm，如图5所示。

2)土体荷载沉降整体小于采煤沉降量。在37个填土观测点中，土体荷载沉降最大值为347mm，位于采煤沉陷盆地中央的C21点处，最小值为127mm，位于位置采煤沉陷盆地拐点的C25点处。其主要受到施工质量的影响，主要影响因素包括土体压实度[18-19]299、填土深度[20]、采煤沉降对土体的二次扰动[6，21]645等。

3)填土区整体沉降可分为快速沉降期和稳定期两个阶段。自填土工作完成后的30d内为快速沉降期，时间为2017年10月12日到2017年11月11日，累计30d，平均沉降值为114mm；30d后逐渐趋于稳定，稳定期为2017年11月11日到2018年6月9日，平均沉降值为138mm，如图7所示。

4.2 不同时期地表沉降规律

由观测数据可知，为了研究不同时期的地表沉降规律，分别获取了快沉降期和稳定期的监测点的下沉极值和沉降速度，分别如表2和图8所示。

表2 分期填土沉降极值

图8 分期沉降速率图

1)在快速沉降期，最大下沉为133mm(C19)，最小下沉为96mm(C3)，平均沉降速率为3.9mm/d；在稳定期，最大下沉为653mm(C21)，最小下沉为123mm(C25)，平均沉降速率为0.65mm/d。

2)在快速沉降期，填土沉降受填土深度及采煤沉降的叠加影响，在快速沉降期的沉降速率差异较大，在3.0～4.5mm/d之间；在沉降稳定期，除点C20、 C21外， 各观测点稳定期沉降速率均小于1.0mm/d， 点C20、C21位于沉陷中心区域处，受采煤沉降影响，稳定期填土沉降速率较大。说明在不受采煤沉降影响时，填土沉降在稳定期的沉降速率趋于稳定，此时填土深度对填土沉降速率的影响较小。

为了明确“挖深垫浅”超前治理过程中的沉降来源，选取研究区采煤沉降范围内的填土观测点数据，分析采煤沉降区的填土观测点分类沉降占比，结果如图9所示。在采煤沉降影响区域内，整体沉降由采煤沉降与土体荷载沉降两部分组成。在采煤沉降中心、拐点、边缘区域，采煤沉降占比分别为45%～55%、20%～45%、20%，采煤沉陷占比仅在C21点处大于50%，在不受采煤沉降影响范围内的观测点沉降来源仅为土体荷载沉降。综合考虑“挖深垫浅”超前治理区域内所有填土观测点，土体荷载沉降占主要地位。

图9 整体沉降量分解

4.3 填土深度对土体荷载沉降的影响

为了研究填土深度对土体荷载沉降的影响，去除填土较大的中心岛区域后，统计了累计35个填土观监测点的填土深度及土体荷载沉降值，根据填土深度对土体荷载沉降进行了线性拟合，结果如图10所示。

图10 土体荷载沉降与填土深度拟合图

1)土体荷载沉降与填土深度之间存在的y=231.51+24.71×ln(x-0.053) 对数关系，相关系数为0.980。当填土深度从0m增大到4.3m时，土体荷载沉降量从120mm增大到280mm。

2)填土深度1.0m作为土体荷载沉降量变化的临界点，分别呈现两个不同速率的线性增大关系。当填土深度小于1.0m时，沉降量随填土深度的增大速率为105.11mm/m，当填土深度大于时1.0m时，沉降量随填土深度的增大速率为13.89mm/m。可见填土深度较小时，复垦土体与地表原状土之间的结合度是导致地表沉降增长较快的主要原因[19,22]300，而当填土深度进一步增大时，下层土体逐渐被压实，因此，地表沉降增长逐步减缓，并趋于稳定。

5 结论

(1)高潜水位采煤沉降区填土沉降包括采煤引起的地表沉降和土体荷载自身沉降两部分。填土区地表整体沉降分为快速沉降期和稳定期两个阶段，快速沉降期周期约为30d，30d后逐渐趋于稳定。

(2)土体荷载沉降为填土复垦区地表沉降的主要来源，土体荷载沉降与填土深度之间存在y=231.51+24.71×ln(x-0.053)的对数关系。当填土深度小于1.0m时，沉降量随填土深度的增长较快，为105.11mm/m，当填土深度大于1.0m时，增长率为13.89mm/m，并逐渐趋于稳定。