我国采煤沉陷区建筑利用关键技术及其发展方向

胡炳南，郭文砚

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013)

0 引 言

煤矿开采势必造成地表移动变形。沉陷区内普遍存在土地塌陷、建(构)筑物损坏、水土流失和生态环境破坏等问题，严重影响居民财产安全、生活质量和可持续发展。采煤沉陷区已成为制约资源枯竭型城市经济转型发展的突出矛盾之一[1]。“十八大”与“十九大”以来，我国不断加快生态文明建设，推进绿色发展，对采煤沉陷区治理力度不断加强。2018年习近平总书记视察抚顺棚户区改造和采煤沉陷区综合治理效果时指出，资源枯竭型城市在转型发展中首先要解决好民生问题，加快沉陷区利用。国家发改委下发《采煤沉陷区综合治理专项管理办法(试行)》，到2019年已三次共批复了49个市(县)区重点采煤沉陷区综合治理工程，促进采煤沉陷区转型发展。广大学者对采煤沉陷区综合治理技术也进行了大量研究，取得了丰富研究成果。例如，王双明等[2]研究了西部生态脆弱区内煤炭开采与生态环境保护关键技术；胡振琪等[3]研究了煤矿区生态环境“边采边复”关键技术；胡海峰等[4]研究了山西黄土丘陵采煤沉陷区内生态环境破坏与修复技术。而随着土地资源短缺日趋严重，城市周边采煤沉陷区已成为城镇建设用地的不可或缺的途径。对于城镇建设中建筑利用沉陷区稳定性研究不断加强，大型工程建设案例不断增多。例如，李树志[5]研究总结了淮北市采煤沉陷区城市建设关键技术和应用成果；滕永海、易四海等[6-7]研究了沉陷区内高层建筑地基评价与抗变形技术；姜升等[8]研究了采煤沉陷区的动态发展和建筑复垦关键技术。采煤沉陷区综合治理利用具有广阔发展空间，笔者基于30年研究与实践[9-11]，在开采岩层移动和地表变形规律、建(构)筑物下压煤充填(条带)开采技术、采空区地基稳定性评价和采煤沉陷区治理技术等方面具有较殷实的研究成果和现场应用，通过综述我国采煤沉陷区城镇建设建筑利用工程案例、关键技术、存在问题和发展方向，为促进采煤沉陷区城镇化建设研究与实践提供了借鉴。

1 采煤沉陷区建筑利用发展回顾

1.1 采煤沉陷区情况

根据我国2010—2019年原煤产量和一次能源占比数据[12]曲线(图1)，可以看出，从2011年开始，煤炭一次能源占比不断降低，2019年占比下降为68.6%；而原煤产量先增后减又增加，煤炭产量都超过34亿t，可见虽然占比降低，但煤炭产量仍维持在较高水平，在今后较长一段时间内，煤炭能源仍占主体地位。

煤炭开采将产生地面沉陷。据不完全统计[9]，截止到2017年我国23个省份151个县(市区)分布有2万km2采煤沉陷区，其中涉及城乡建设用地比例20%～25%。根据59个矿区采出煤量与沉陷面积统计数据计算万吨塌陷率平均值约为0.002 6 km2/万t，预计今后一段时间内每年增加沉陷面积超过884 km2。

图1 2010—2019年原煤产量和一次能源占比数据变化Fig.1 Data changes of raw coal production and primary energy proportion from 2010 to 2019

1.2 采煤沉陷区城镇建设建筑利用需求

随着经济发展和城镇化建设的加快，土地资源日趋紧张，面临资源枯竭后城市转型发展用地和沉陷区城镇搬迁选址难的问题。许多资源型城市已开展城市(镇)建设规划与沉陷区建筑物治理利用。《济宁市城市总体规划》指出：到2030年济宁市中心城区用地规模为160 km2，而该区域内含煤面积120 km2，新增建设用地几乎全部压煤，将严重制约济宁市经济发展。根据《淮北城市建设发展规划》，将治理利用采煤沉陷区120 km2，其中城市建设用地60 km2，目前已建设多层、中高层、高层建筑物面积累计27.5 km2。淮南市建设用地总量约12 km2，其中，处于沉陷区范围用地4.4 km2。唐山市塌陷区改造面积105 km2，其中建设用地占改造面积的30%。我国，特别是中东部地区，城镇化建设用地需求大、前景宽，迫切需求采煤沉陷区建筑利用研究。

1.3 采煤沉陷区建筑利用发展历程

基于我国开采沉陷理论和技术成果，采煤沉陷区建(构)筑物工程案例不断增多，建筑规模和重要程度不断提高。从采煤沉陷区尝试兴建简单民用建筑开始，研究抗变形技术、采空区注浆加固技术，发展到采煤沉陷区设计建设超高层建筑与大型建筑群，工程建设实例见表1，且如图2所示。

表1 我国采煤沉陷区建(构)筑物工程建设实例

图2 采煤沉陷区住宅楼与办公大楼Fig.2 Residential buildings and office building in coal mining subsidence area

采煤沉陷区城镇建设利用发展可分为2个阶段。第1阶段，20世纪80—90年代开始，在长壁采空区上建设低、中层独立住宅楼，通常采用地面抗变形措施，比如基础圈梁、构造柱等；第2阶段，进入21世纪后，开始在长壁采空区上建设高层、超高层建筑或大型建筑群(如高层住宅楼、办公楼或大型厂房等)，一般采用井下采空区注浆充填和地面建筑抗变形措施相结合措施。对于浅部巷柱式或条带采空区，由于其稳定性较差，通常不适宜作为建设场地；若需要时，必须采取井上井下一体化加强措施。

2 采煤沉陷区建筑利用关键技术

采煤沉陷区建筑利用关键技术，包括采空区精准勘察技术、地基稳定性评价技术、地基加固治理技术等。

2.1 老采空区精准勘察技术

采空区精准勘察目的是查明采空区分布，分析采空区覆岩垮落与破坏情况等现状，为地基稳定性评价提供技术依据。根据拟建工程的重要程度，采空区勘察可采取物探勘察、钻探勘察、彩色钻孔电视观测、钻孔三维激光扫描和超声波成像等多种方法以及它们间的组合。山东济宁任城区条带开采采空区勘探，综合采用三维地震、精确钻探、钻孔成像技术等，实现沉陷区精细探查，达到了国际先进水平。

2.1.1 物探勘察

随着技术进步，物探方法和相关数据处理方法不断增多与改进。它已是采空区大面积前期勘探的首选方法。常用的5种物探方法[13]及适用条件可见表2。可根据地形、采空区埋深、地面干扰(地面导体和高压线等)和采空区是否充水等因素来选取物探方法。采空区埋深浅时，推荐高密度电法、瞬变电磁和浅层地震法；埋深较大时，推荐EH-4大地电法和可控源音频大地电磁法；受地面高压线干扰时，推荐高密度电法和浅层地震法；采空区含水充水时，推荐高密度电法和瞬变电磁法。

表2 采空区物探方法适用条件

2.1.2 钻探勘察

钻探勘察是直观验证上覆岩层岩性和采空区分布几种方法。

通过钻进过程异常记录和岩心力学试验，结合冲洗液漏失量方法，确定钻孔位置覆岩岩性、覆岩强度和采空区覆岩破坏形态，准确观测采空区“两带”发育高度。

2.1.3 钻孔彩色电视、三维激光扫描和超声波成像

通过钻孔把电视探头深入井下，利用彩色钻孔电视可360°全孔壁图像实时观测和记录。也可利用C-ALS钻孔三维激光可对平面方向空区进行360°扫描，最大扫描距离达150 m，利实时获取激光扫描生成的三维空穴图像。它适用在房柱或条带开采采空区探测。采空区不充水时探测效果良好。充水时应换用超声波成像观测，以取得较好效果。

2.2 采空区稳定性评价技术

2.2.1 采动空间稳定性分析

地下开采造成岩层移动变形与破坏。长壁开采覆岩移动破坏通常形成“垮落带”、“裂缝带”和“弯曲带”(图3)。垮落带与裂缝带内空洞、裂隙与离层发育，岩体承载能力较差。在上方载荷附加应力作用下，存在岩体变形破坏、地基沉陷失稳隐患。垮落带与裂缝带高度可通过钻探实测、类比周边矿区实测结果或根据“三下采煤规范”[14]和指南[15]中经验公式获得。一般将载荷附加应力等于相应位置岩土体自重应力的20%作为载荷影响深度判别依据[16]。当载荷影响深度与裂缝带顶界面存在一定安全厚度的岩土层并安全厚度大于10 m时，附加应力一般不会影响垮落带与裂缝带岩体稳定性，可不进行采空区注浆加固措施；当载荷影响深度接触或进入到裂缝带内部，附加应力将影响垮落带与裂缝带岩体稳定性，产生较大的不均匀沉降，影响上方建筑的稳定性，应对采空区进行注浆加固措施。

图3 长壁开采覆岩破坏分区示意Fig.3 Zoning diagram of overburden failure by longwall mining

随着沉陷区内建(构)筑物规模增大，建筑基础可能横跨多个采空区和残留煤柱，建筑载荷通过地基土体压缩变形，再作用采空区不同区域或残留煤柱，会出现非线性“活化”残余沉降，需加强研究，合理选择地基加固措施。例如，淮北相城煤矿沉陷区办公大楼(长宽高约100 m×80 m×100 m)横跨3个采空区，采空区埋深100 m，松散层厚70 m，浅部存在多层流沙层，研究分析采空区稳定性差，采取群桩基础和采空区注浆等措施加固地基，确保地基稳定[17]。

2.2.2 采动时间稳定性分析

根据开采沉陷地表移动规律，地表移动期可以分为初始期、活跃期和衰退期[14]。地表移动期内，地基岩土体移动变形相对剧烈，对建筑基础及上方结构安全影响较大，一般不适宜作为建筑场地使用。特别是地表移动活跃期，应该避开建(构)筑物建设。

地表移动期时间(T)主要与开采深度(H)、开采方法、覆岩岩性等因素有关，可根据本矿区实测资料确定，无实测资料时，可按式(1)计算[15]。

(1)

在地表移动期后，采空区基本处于相对稳定状态。在地表移动期后的缓慢移动变形称为地表残余变形。在建筑载荷或其他外力影响下，会加速采空区残余变形。我国残余变形的实测数据研究较少，主要集中在残余变形预测。随着国家对采煤沉陷区利用力度加大，残余变形监测分析研究逐步加强。目前，也应用概率积分法中的残余系数法和等效采高法[15]来预计地表残余变形。2种方法的残余沉降计算公式如式(2)。

(2)

式中：W残(x,y)为地表点(x,y)处残余沉降，m；M为采厚，m；M等为等效采厚，m；q残为残余下沉系数；q为下沉系数；α为煤层倾角，(°)；t，s为积分变量；D为煤层开采区域；r为主要影响半径，m。

采空区地表残余移动变形时空规律与采矿地质条件、开采方法和开采时间等因素有关[5,18]，学者也在针对不同条件采煤沉陷区变形规律开展研究，为预测和评价地表残余移动变形提供了基础。同时，应加强地表残余移动变形的监测与分析，为实现地表移动变形的精准预测和城镇建设提供实践保障。

2.2.3 工程建设适宜性分区

采空区稳定性评价应从场地稳定性、地基稳定性和工程建设适宜性3个方面进行。场地稳定性评价主要通过定量和定性分析采空区特征、垮落带和裂隙带高度、活化影响、采空区地表残余移动变形以及采动影响移动期等因素。地基稳定性评价是在场地稳定性评价基础上，进一步分析各类工程建设后载荷临界影响深度和地基容许变值。而工程建适宜性分区评价，还需结合工程类型重要程度和技术经济性，针对不同采空区块段进行适宜性分区。

“三下采煤规范”将建设场地稳定性分为稳定、基本稳定和不稳定3种程度。《煤矿采空区岩土工程勘察规范》[19]将工程建设适宜性分为适宜、基本适宜和适宜性差3类。

为了确保采空区建(构)筑物的安全，需重点防范出现非连续残余变形情况，避免处于地表移动的活跃期的阶段，根据场地稳定性和地基稳定性分析，也可将采空区工程建设适宜性细分不适宜作地基的区域、暂不适宜作地基的区域、要求井下采空区处理的区域、可作地基的区域和推荐作地基的区域5种类型，各类型适用条件见表3。

表3 工程建设适宜性分区5种类型及适用条件

2.3 采动区加固治理技术

采煤沉陷区建设场地地基加固治理措施主要分为井下采空区治理措施和地面建(构)筑物抗变形结构措施，如图4和图5所示。

图4 采空区治理措施与关键技术Fig.4 Measures and key technologies of gob treatment

对于井下采空区治理技术，根据采空区状态与工程建设的时空关系，采用2种对策：工程建设时已开采结束的采空区，采用注浆治理技术；工程建设后从事煤矿开采将形成的采空区，采用充填开采、条带开采、覆岩离层注浆、协调开采等减沉减变形治理技术[20]。井下采空区治理关键技术包括采空区注浆工艺优化、注浆治理与城区固体废物再利用、采空区隐蔽灾害智能监测预警与防控技术，沉陷控制效果评价与工程建设安全保障，多煤层开采离层和采空区联合注浆地表沉陷控制关键技术等。济宁市任城区[21]成功应用定向钻孔注浆充填，并实现建筑垃圾再利用为注浆材料，形成了条带开采沉陷区治理与建设利用的创新技术。

对于地面抗变形结构加固技术，综合建筑位置、建筑高度、建筑平面形状、地基基础和上部结构等影响因素[22]，采取相应的治理措施，解决采煤沉陷区大型高层建筑结构抗变形理论、采煤沉陷区建筑群抗变形技术体系和采空区治理与抗变形设计协调安全保障等关键技术。

图5 抗变形结构措施与关键技术Fig.5 Measures and key technologies of anti-deformation structural

3 采煤沉陷区建筑利用发展方向

对于我国在采煤沉陷区建筑利用方面，已取得许多经验和良好效果。随着我国生态文明建设和城镇化建设进度加快，将进一步加强矿区绿色开采和生态环境治理修复力度。在采煤沉陷区城镇建设和建筑利用方面，也突显出以下技术难题和不足，亟需加强发展，以适应我国矿区转型可持续发展的需要。

1)加强采煤沉陷区城镇建设和建筑利用的空间整体规划统筹引领作用。针对不同时期(开采前、开采时和开采后)沉陷区，应及早提前编制矿山地上、地下空间利用开发和城市建设规划。针对煤炭开采与沉陷损害难题，基于采动损害全周期，规划研究井下精准充填、精准离层注浆等关键技术，实现开采沉陷损害源头治理；规划研究资源枯竭矿城关闭矿井地上地下空间和建设用地规划开发利用关键技术，实现土地分期规模化利用，保证采煤沉陷区治理与建设用地的科学性。

2)提升采空区精准勘探和地基加固治理技术装备水平。采空区勘探技术基本源于煤炭勘探技术。鉴于采空区治理属于隐蔽工程，采空区勘探关系到建(构)筑物的安全。采空区探测技术和装备有待于技术升级，提高采空区勘察技术水平，实现空区精准探测。在采空区地基加固方面，应加强注浆处理装备研发和工艺优化，提高地基加固治理技术水平。比如，利用定向钻机进行钻进勘探和注浆治理等。

3)拓展移动期后采空区残余移动变形时空规律研究。鉴于目前地表移动变形观测，主要偏重于开采期间的地表损害程度监测，容易轻视开采后地表移动全过程的系统观测，移动期后的实测移动数据更是少之又少。为了保障重要规模性建筑物和建筑群的安全，应加强地表和建(构)筑物的残余移动变形系统监测和观测，系统拓展移动期后时间维度，总结残余移动变形规律，进一步提高采空区残余移动变形预测水平。同时，针对厚松散层、薄基岩、大采高、多煤层、房柱式等复杂类型采空区地表移动变形时间空间规律研究不足，加强不同区域不同条件下的开采沉陷岩移规律和基础理论研究，提高沉陷区稳定性评价准确度。

4)加强采空区与建筑结构变形协同作用机理和效果优化研究。针对逐步增多的大型建筑、高层建筑、建筑群等复杂基础和结构，应加强“采空区-地基-基础-上部结构”变形协同作用机理研究，基于采空区沉陷预测、地基稳定性评价与建筑模式选择、抗采动变形设计相协调原则，建立井下采空区治理与地面建筑物抗变形设计技术体系，合理优化采空区治理方法、建筑模式和抗采动变形设计，控制建设成本并保障保护体安全。

5)加强建设场地和建(构)筑物监测监控技术装备研发。利用现在信息技术，研发采空区内部、地表建设场地和建(构)筑物移动变形的“井-地-空”联合实时智能监测系统，建立采煤沉陷区保护体预警系统和防控体系，减低采空区灾害发生概率，保障建(构)筑物安全使用。