淮北市朱庄-杨庄矿城中采煤沉陷区环境岩土工程问题与市政空间综合利用分析

史晓涛，邱征，戴鹏程，张东 （安徽省交通航务工程有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

城市大量的采煤沉陷区制约了城市的扩张与转型发展，沉陷区的治理需要整体推进才经济合理。采煤塌陷区的稳沉并不是接下来不发生沉降，会在较长的一段时间内持续缓慢地发生自然压实过程，经过自然压实之后，其剩余的沉陷空间将会变得很小，但并不意味着塌陷治理区完全进入稳定状态，采空区与上覆岩体中仍然存在一部分残留空间，为此地表依旧会持续一段时间发生沉降，并且在相应环境条件下仍会产生老采空区“活化”现象，当残余沉降区实现完全沉实，该治理区才能完全稳定。为此，徐淮地区首次开发的沉陷区“超前式治理模式”，采取“补偿设计”的方法有效解决了项目治理设计难题，应用工程项目实体并取得成功。超前治理模式已经为政府管理部门、矿山企业所广泛接受[1-3]。

2 区域环境及矿山开采情况

2.1 区域环境

淮北市地形特征总体上呈现出西南低东北高趋势，除烈山、相山、青龙山、老龙脊等地为丘陵地带，呈现北北东方向展布。老龙脊最高，高程为362.9m；相山海拔高程约在343m，青龙山海拔高程约130m。其余地形特征大多为平原地区，平坦开阔，高程在22.5～37.0m，地形坡降范围在1/5000至1/8000之间。区内无丘陵山地，多为采煤沉陷区，多年来，因采煤塌陷，地表下沉、起伏不平，形成多个深度不一的塌陷积水区。

研究区域位于淮北冲积平原区北部。区内标高28.5～35m，整个地形由北向南微倾。地貌属泛滥坡平地，微地貌发育有泛滥高地、扇间洼地、泛滥坡平地等，全新统松散沉积物广泛分布，属冲积堆积地貌成因类型；受煤矿采空塌陷影响，地表下沉，并形成串珠状湖泊“东湖”“中湖”和“南湖”等，呈北东-南西方向斜列于市区中部。

研究治理区土壤类型主要为黄潮土，土层厚度较深，土壤保肥与保水性能较好，适合于耕作。研究区域植被属华北植物区系，为暖温带落叶林带，主要有柳树、松树、白杨树、节节草、茅草、芦苇等[2]。

2.2 矿山开采情况

朱庄矿和杨庄矿两个煤矿均采用井工开采的方式，两个矿区主要分布在淮北市区东部位置，位于淮北城区建设规划区范围内。两个煤矿的开采方式都为走向长壁式开采，采用全部垮落法顶板管理。

2.2.1 朱庄煤矿

朱庄煤矿权属于淮北矿业集团有限公司管辖，地理位置在淮北老城区中心向东大概10km处，于1959年10月份开工建设，1961年10月份投入使用。开拓方式为立井、暗斜井分水平联合开拓方式，如图1所示。矿井开采方式：分区前进、区内后退；主要选取走向长壁分层的开采方法。采空区处理采用全部垮落法，局部顶板缓慢下沉。

图1 朱庄煤矿开拓平面图

2.2.2 杨庄煤矿

杨庄煤矿位于淮北市老城区中心以南约8km处，1962年开始建井，1966年投产，1970年达产。开拓方式为立井、暗斜井分水平联合开拓方式，如图2所示。矿区原有主井、副井、西风井、东风井各一个，以后随生产需要，又开凿新副井、东二风井、西二风井、土型风井和西风井各一个，矿井为竖井多水平联合式开采[2]。

图2 杨庄煤矿开拓平面图

3 环境岩土工程问题分析

研究区域地处淮北平原中部，区内地势平坦，土地肥沃，村庄人口密集，地表潜水水位较高，主要环境岩土工程问题为地面塌陷。因受到地下开采活动的影响，大量的居住房屋出现开裂倒塌现象、优质耕作用地发生沉陷，地表水系及交通道路遭受破坏。受地面沉降的影响，水土流失严重，加之煤矿废渣、废气、废水的“三废”大量排放，使矿区的生态环境急剧恶化，给群众的生产和生活带来了极大的负面影响，工业建设用地与农业生产用地矛盾日渐突出，严重影响了当地社会和经济的快速发展。因此，矿区地质环境的恢复和治理迫在眉睫并可以得到实行[2]。

3.1 地表不均匀塌陷

自1950年开始，采煤治理区就已初步出现采空塌陷并初具一定规模，当时由于受开采技术能力及装备的限制，塌陷区域面积增长较缓，自进入1980年开始，随着煤炭开采技术装备改进及产量的提升，开采活动逐渐进入鼎盛阶段，煤炭资源开采数量逐年增加，致使沉陷区面积增长迅速。塌陷区域深度在0.3～5m，塌陷区深度达1m及以上的沉陷面积约127.0hm²，塌陷区深度在3m及以上的沉陷面积约37.0hm²，塌陷区深度在4m及以上的沉陷面积约12.6hm²，塌陷区深度在5m及以上的沉陷面积约1.3hm²。随着沉陷区面积的增大，相互衔接已成片成湖。由于土地的塌陷已改变了原有的使用功能，丧失了其原有的使用价值。由于采矿塌陷，致使大量的农民失去了原有的土地，而且居住房屋出现开裂，村民的日常生活及耕作条件急剧恶化。矿山开采企业同样为解决好这些艰巨的矛盾也付出了大量的物力、人力与财力，承担了巨大的经济代价[4]。

3.2 水资源平衡受到破坏

矿山开采活动对水资源具有较大的破坏作用，主要是因为开采活动需要抽排大量的地下水，致使开采区域内地下水流动方向与地下水平衡遭到改变，导致地下水水位升降较为频繁，水力坡度急剧变陡，逐渐形成开采与疏干漏斗区。在主要以矿坑抽排水的方式致使地下水平衡受到破坏的采煤矿区，矿山所处位置的区域水文地质条件是该区域地下水降落漏斗影响范围主要受控因素，由于裂隙发育程度、胶结程度和覆岩结构上存在差异，其含水特征在垂向及水平方向分布上均呈现不均匀性，因此导致地下水位影响范围及下降幅度差别较大。在以裂缝及覆岩塌陷导致的地下水平衡系统损毁的采矿区，地下水降落漏斗影响区域均要大于地表沉陷面积，一般在5.0～20.0km2不等。

3.3 生态环境破坏

由于采煤活动导致地表出现塌陷致使地表标高降低，地下水逐渐渗出地表面，形成沼泽地和低洼积水坑，导致优质耕田逐渐变成大片水域，带来农作物停产绝产。沉陷区地表植被等生态环境遭到破坏严重，致使区域出现水土流失及土地荒漠化现象，破坏了该区域的生态平衡系统。同时，伴随着矿产的开采，开采区内堆放了大量的电厂粉煤灰，占据了大量土地面积，致使区域内农作物遭到破坏，而且受雨水影响，粉煤灰被冲刷淋滤，致使含重金属离子及有害物质废水大量流入周边环境，废水主要以硫化物、悬浮物、氟化物、硫酸盐等为主，这些含有害物质的废水，未经专业手段处理便直接排入周边环境，致使地下水、地表水及周围土地受到污染，并进一步致使农田作物受到污染，导致农田作物及周边生物植被的生长受到破坏，破坏周边生态环境[5-6]。

3.4 河堤防洪能力下降

采煤沉陷不但会破坏周边环境还导致了治理区域自然河流的堤顶高程降低、河道发生变迁。辖区内岱河堤顶的标高普遍降低2～3m，致使河道堤坝的防洪能力急剧下降甚至丧失，河流的部分河段同塌陷区水域连成一片，防洪安全形势变得较为严峻。同时，煤炭开采和衍生出的产业如矸石发电业、焦化、洗选等，同样给城市环境带来较为严重的污染尤其是对地表水环境的污染，其主要的污染指标为化学需氧量和总磷，沉陷区水质标准为Ⅴ类，此类水一般适用于农业灌溉用水和景观用水。

4 市政空间综合利用分析

4.1 市政空间综合治理利用原则

①统一协调原则。恢复的地类与各类规划基本统一，使其与周围环境协调一致。

②资源化原则。使煤矿开采破坏的耕地、水域等，通过填方、挖方等工程手段进行综合治理，最大限度地恢复土地资源功能。

③因地制宜的原则。结合市政、水利、园林等建设工程，宜建则建、宜林则林、宜水则水。把地处城市规划区中的的采空塌陷稳沉区治理恢复为城镇住宅用地、广场用地，非稳沉区治理恢复为绿地和水域。使其发挥最大的经济效益。

④科学化原则。使其工程布局科学合理，技术可行，经济合理，易于施工。运用“挖深垫浅”成熟治理经验对塌陷稳沉区进行治理，采用“超前治理”模式对非稳沉区进行治理。做到“区内土方平衡”，避免土方远距离运输。

⑤经济效益服从社会效益和环境效益的原则。以社会效益、环境效益优先，并尽可能做到社会效益、环境效益、经济效益相协调。

4.2 市政空间综合治理利用目标

①通过矿山地质环境生态综合治理，消除矿山开采遗留的地质灾害隐患、解决矿山安全问题，使治理区的生态环境得到彻底改善，变成以水、林、休闲、居住为特征，植被覆盖率高的生态区。为最终打造成以城市绿心为主题，以科学研究、生态修复、文化创意、资源保护、旅游休闲为整体的城市中央公园提供支撑。

②通过对采煤沉陷区进行超前治理，最大限度地利用沉陷区尚未稳沉的土地，充分发挥其土地资源的生产潜力，使废弃土地重新得到利用。采用挖深垫浅、造湖和造地相结合工程措施，形成城镇住宅、商业、绿地、水域、道路等城市用地，优化和提升土地利用结构，区内各项基础设施得到完善，使土地价值重新得到提升，为城市发展和矿区转型提供新的经济增长点和动力源。

③通过治理，新增的景观水域储存的水资源，可以为淮水北调提供蓄水库容，有利于缓解淮北市水资源供需紧张的局面，为本治理区的工业发展打造优质的社会环境，从而实现社会及经济效益共赢的目标。

4.3 市政空间综合治理利用重难点分析

①治理区域广，统筹规划难度大。项目治理区域总面积近2000hm²（3万亩），既要基于海绵城市理念整合“水底管线、水面绿植、水上路网”三层立体空间，又要因地制宜布设“湖、管、闸、岛、路、桥、园、林、亭、楼、广场”人居生态层面，并充分考虑沉陷区地质、规模、深浅度、文化背景及城市整体布局，统筹规划难度大。

②工程涉及方面繁杂，多方沟通协调难度大。项目实施过程既涉及社区群众、乡镇政府、矿山企业，又与区域内市政道路、淮水北调、城市开发建设等息息相关，多方沟通协调难度大。

③实施内容丰富，综合治理任务重。既要分区采取“挖深垫浅，挖湖造地”，又要在科学预测未稳沉区域未来塌陷尺度的基础上，通过提前挖出表土、预留塌陷标高等方式进行超前治理，又要实现“田成方、路相通、林成片、沟成网、湖相连”，综合治理任务重。

④建设目标高，施工技术要求先进。既要改良土壤，又要净化水系、保护水体，同时消除沉陷区较大空隙，提高环湖道路、岛屿区域地基承载力和稳定性，施工技术要求高。

相关关系分为正相关、负相关和零相关.正相关指两个变量的变化方向相同；负相关指两个变量的变化方向相反；零相关指两个变量之间没有相关.

4.4 市政空间综合治理利用方法

4.4.1 矿山地质环境生态综合治理

①对采矿治理区地质条件现状展开详细的地质情况调查，具体包括地形测绘、资料收集及环境地质条件调查等。调查矿山地质环境问题的类型、规模、危害程度及其主要影响因素，分析区内采煤塌陷水塘的水深、淤泥厚度、塌陷面积以及塌陷发展趋势等；并根据未来塌陷发展趋势，确定科学合理的治理技术方案。

②采取排水、挖方、填方、护坡等有效的工程措施，因地制宜地将沉陷区土地恢复为城镇住宅用地、商业用地、绿地用地、水域用地、道路用地、娱乐康体用地、加油加气站用地、防护绿地、广场用地、供水用地等其他用地。

③设置长期有效的监测网点，开展采矿治理区的地质环境监测及过程治理效果的评估。

4.4.2 市政景观园林工程建设

①以“突出展现植被群落生态功能”“适地适树”“展现区域标识特色”的理念原则为方向，采取落叶树种和常绿树种进行搭配，把乡土植被作为基调骨干树种，之间大面积穿插种植各式各样的花和树木，与湖面和绿道等景观遥相呼应。

③按照生态多样性的原则，在通过人工对植被群落的优化配置上达到植被生态环境要求的同时，兼顾景观环境展现效果，形成一连串非常稳定的生态植被群落。

④按照艺术景观性的原则，遵循建造园林艺术的基本条件，既要关注重点突出植被的个体美和群体组合美，又要关注整体的协调，主要为植物群落和其他构景要素的协调，采取搭配不同形状的乔灌草，打造出优美的林冠线和错落有致的游客观光体验。

5 结语

以淮北市朱庄-杨庄矿城中高潜水位采煤沉陷区为研究对象，通过从地表不均匀塌陷、水资源平衡破坏、生态环境破坏与河堤防洪能力下降等方面对采空区环境岩土工程问题进行了分析，结合城中采空区治理需要遵循的市政空间综合治理利用原则，针对性地分析了治理目标、治理工作重难点与治理方法，为两淮地区及其他类似高潜水位的采煤沉陷区生态综合治理提供参考。