济源市克井煤矿塌陷区治理技术

豆靖涛，张锦灵，李金刚

（1.河南省地质环境监测院，河南郑州450000；2.河南省地矿局第五地质勘查院，河南郑州450001）

1 工程概况

治理区位于济源市克井镇东北部，东至河口村，西至康村，南至渠马线，北至引沁渠南，距克井镇4.5km，距济源市10km，距侯月铁路盘古车站约1km，交通发达便利。施工区位于克井盆地，四面环山，仅在万羊山至孔山之间形成了一个约5km宽的出口，整体地面塌陷，造成面积约5km2的耕地发生破坏，矿区生态环境恶化。依据野外调查，目前塌陷仍明显的有10处塌陷坑，最大塌陷坑面积0.54km2，塌陷深度一般为2～5m，最大塌陷深度约9m。

2 工程地质条件

治理区地貌类型为坡洪积群，主要由分选性差、混杂堆积的中更新统亚粘土、卵砾石组成。由于地下采矿活动，使原来较为平整的地块塌陷形成洼地等微地貌。

该区属华北地层区，区内除北部的低山区有奥陶系基岩出露外，全为第四系覆盖。依据钻孔资料，治理区地层层序自上而下划分为4个主层，分别为：

第①层：耕土（Q4pd）黄褐色，松散，以粉质粘土为主，含碎石及植物根系等，厚度为0.1～1.18m，主要分布于北部田间道路以及治理区厂矿周边。

第②层：粉质粘土（Q4pl+dl）褐黄色，可塑，局部硬塑，刀切面光滑，韧性、干强度中等，无摇震反应，夹杂少量卵石，局部含大量姜石，含量约占35%，含白色钙质条纹，偶见蜗牛壳残片，局部呈灰褐色，局部区域含碎石，粒径约1～3cm，含量约占30%，平均厚度3.4m，层顶深度一般为1.03m，层底深度4.44m。

第③层：碎石（Q3pl+dl）灰白色，中密，局部松散，母岩成分以灰岩为主，呈棱角状，粒径约1～5cm，最大粒径大于7cm，局部粉质粘土充填，平均厚度2.86m，层顶深度一般为3.86m，层底深度6.72m。

第④层：卵石（Q3pl+dl）灰白色，中密，局部密实，母岩成分以灰岩为主，呈亚圆状，粒径约2～5cm，最大粒径大于7cm，局部粉质粘土充填，偶见漂石。

3 物探2线解译分析

探测项目区内地表以下大于400m深度内地层及岩土结构情况，并通过布置深孔补充解释物探成果中的异常点，其次通过物探测井就能一步完善物探成果，查明项目内采空区的分布位置及稳定性，为进一步开展设计和施工提供参考。

2线剖面（图1），综合分析，在550～750号点的的下方，低电阻率异常呈采空塌陷充水特征；在750～1050号点的的下方，标高+40m以上位置，较高电阻率异常呈采空塌陷部分充水特征；1250～1550号点，标高-40m以上位置，电阻率呈椭圆状高阻体半封闭圈，结合实际地质情况，推测为采空区未完全塌陷、局部形成空洞或采煤巷道的反映；在1650号点下方，标高+200m的位置，低电阻率异常呈采空塌陷充水特征。

野外调查地裂缝主要集中在该线的1500～1700号点，近2年沉降明显，主要由济联煤业有限公司三矿采煤巷道及巷道周边的采煤引起。深孔SK01位于1500号点，揭露172～174.2m为采空区；深孔SK02位于950号点，揭露142～144m为采空区，190～192m为煤层，这些都与物探剖面解译基本相符。

4 治理原则

根据土地资源的生态、地质条件，结合当地社会经济、人文特点，对治理区土地资源按照“宜农则农、宜林则林、宜建则建”的原则，开展矿山地质环境综合治理。采取综合工程治理措施对破坏的地质环境进行治理。针对此次治理，对采煤沉陷稳定区的土地进行土地整理恢复成耕地，优先治理采煤沉陷稳定区、优先恢复耕地、优先治理成区连片地区，反之暂不稳定区恢复成生态农业观光区。

5 耕地恢复治理区分项工程设计与施工

5.1 表土剥离工程

为保持土壤肥力，在平整过程中对原有耕地采取地力保持工程措施，充分保留和利用耕作层土壤，即平整时保留一定厚度的耕作层，因此治理区在进行挖填方工程之前，首先进行表土剥离。能满足农业正常产出的土层厚度为0.4m以上，耕作层在0.3m左右。钻孔资料揭露，耕地恢复治理区的耕作层厚度一般为0.5～0.9m，平均厚度约0.74m，因此在挖填方工程之前，首先表土剥离，堆放一边，待土地平整后，再均匀覆盖在耕地表面，以保证土地的质量，通过对治理区土壤调查，治理区土壤类型属于含碎石粘土。表土剥离后就近堆放于还未施工的田块中，避免重复运输，覆盖土层分层压实，压实系数不小于0.9，平整后场地标高允许偏差10cm，表面平整度允许偏差8cm，平整后地块坡降不大于2%。

5.2 挖填方工程

该区的挖深一般为1～1.7m，最大挖深达3m（含表土剥离厚度）。因此结合上述地层的密度、外形特征，挖填时，以地块为单位，采用挖高填低的方式，填方部位分层压实，分层厚度为0.3～0.5m。如在施工中发现地裂缝应及时处理，处理方法，采用挖掘机沿地裂缝深挖1m，两侧分别超挖0.3m，再采用粘性土分层回填压实至地表下0.5m，再采用壤土回填至地表。覆盖土层分层压实，压实系数不小于0.9；土壤厚度不小于50cm，厚度误差小于5cm，土壤中的砖、碎石块应予以挑练。因治理区耕植土中含碎石相对较多，在砖、碎石块筛选后，可能无法保证覆土厚度为50cm，因此在挖填方过程中，应先预留一部分细土用以补充该部分土损。平整工程过后，治理区各个田块在实际允许的坡度之内，沿着原始整体地形的坡向均已整平，便于后期的耕作浇灌，而相邻田块之间大体上沿着原始整体地形坡向，阶梯式的高程差不超过1.5m。

5.3 田间道路工程

该区道路在土地整平后，在原有的田间道路位置上重新修建。铺设道路之前需在现有道路的基础上进行挖填方整平，道路设计高差不大，多余挖方量用于道路路基保护（见图2）。

图2 田间道路横断面图（单位：mm）

拟修建道路均为水泥混凝土道路，按路槽开挖线进行施工，若在实施开挖中偏离开挖线，应重新修整。将开挖路槽的土方弃至两侧路肩并进行碾压处理。防止雨水侵蚀土壤。使用机械开挖路槽土方时，实际施工的沟槽应适当留有修整余量，再用人工修整。需先挖好路槽，做好路基。路槽土质为Ⅳ类土。结构从下至上依次为压实路床、三七灰土厚0.3m和混凝土厚0.2m。三七灰土要求无杂质，土的粒径不得大于15mm；灰粒不得大于5mm，掺40%水泥，铺筑时用机械或人工铺平，用6～8t压路机碾压，要求表面平整密实。路基中不含杂物，路基土湿度不得超过20%，路基土要求碾压或夯实，干容重不小于15kN/m3，路基横坡同路面，不能让路基积水。基层施工完成后，在基层上做混凝土面层。在道路两旁种植绿化植物，在植物配置上总体上遵循地域原则，使景观在统一中求变化，形成其特定的植物群落。

图3 田坎剖面图（单位：mm）

5.4 田坎护坡工程

耕地恢复治理区内田块之间田坎高度为1.5m左右，为保护田坎，提高田坎稳定性，防止田坎坍塌和水土流失，设计在田坎处修建石质干砌田坎。田坎断面呈梯形，下底宽0.56m，埋入地面以下0.2m，上底宽0.3m，高出地面0.1m，总高1.8m，外坡角度为80°（见图3）。砌筑田坎之前应对地基进行夯实，高度变化的地方，应以此尺寸为基础进行调整。砌筑程序为先砌“角石”、再砌“面石”、最后砌“腹石”。角石用以确定建筑物的位置和开头，在选石与砌筑时须加倍注意，要选择比较方正的石块，先行试放，必要时须稍加修凿，角石的位置砌筑方法必须准确，角石砌好后，就可把样线挂到角石上。面石可选用长短不等的石块，以便与腹石交错衔接。面石的外露面应比较平整，厚度略同角石。砌筑面石也要先行试放和修凿。石块分层砌筑，须大面向下放稳，尽量减小石缝间隙，使石块相互结合紧密。砌筑要求平整、稳定、密实、错缝、内外搭接，且两个分层高度间的错缝不得小于8cm。必要时设置拉结石，不得采用外面块石、中间填心的方法。

6 生态农业观光区

生态农业观光区主要位于中社—大社一线以北、引沁济蟒渠以南，区内矿山地质环境问题主要是地面塌陷、地裂缝和土地资源破坏。野外调查及钻孔揭露林地区的土层相对较薄，一般为10～20cm，耕作层下部为卵石和碎石，土壤贫瘠，如果大面积挖填整平，将会严重影响林区的耕作能力；同时该区的稳定性较差，不适宜进行工程治理，因此设计在现有地块内种植经济果木，为后期政府规划成休闲采摘区做好基础。在树种的选择上坚持以市场为导向，以效益为中心，结合现场的土质条件，选择一些相对耐旱的经济果木，做到生态、经济、社会效益和谐发展；坚持“区域化布局，规模化和良种化发展”和因地制宜选择种植模式。经济果木工作量应当地政府要求，林地治理区在种植果木时避开厂区内的养殖场和现有成规模的树林，在养殖场周边可适当布置，既美化环境，又增加效益。生态农业观光区共种植石榴、枣树、山楂、苹果、核桃等各种果木共127884棵。为保证果木的成活率以及满足后期生长对土质的要求，在树坑内部进行土质置换（挖方土与一定量的有机肥配比），土果木带土球移栽，树坑挖方量用于周边土地平整。穴深、穴宽均匀0.6～1m，将有机肥和本土混合后，施入穴底，再将心土依次回填，每穴加有机肥2～3kg。定植时做到根理直，下踏紧，上表松，以树苗为中心，围堆成水盘状，灌足清水定根。在新填土方处挖穴，应将穴底适当踩实。土质不好的应加大穴的规格。如在施工中发现地裂缝应及时处理，处理方法为：采用挖掘机沿地裂缝深挖1m，两侧分别超挖0.3m，再采用粘性土分层回填压实至地表下0.5m，再采用壤土回填至地表。栽植后及时浇水养护，每棵树浇水量在10kg左右，为保证成活率，栽植后的3个月，平均每一个星期浇水养护一次，遇到少雨季节可适当缩短养护周期。果树定植1～2年内，行间未封行时，可间种作物，充分利用土地资料，以短养长。

7 人工湖治理区

7.1 人工湖治理总体工程部署

考虑治理区与政府发展规划要求，对塌陷稳定区内的现有沼泽地，因地制宜治理成人工湖。用以改善当地的生态环境，美化乡镇。同时带动农业的发展。采用挖填方工程，防渗工程、引排水工程和生物工程等综合治理该区。在该区地层分布的基础上，为有利于湖区引排水和泄洪，结合当地政府以及安全考虑，湖水深定为1.8m。根据地质勘察报告可知，湖底的地层主要是第四系含卵石、碎石较多的粉质粘土，湖区挖方用于周边土地平整和湖区微地貌。

图4 U型渠剖面图（单位：mm）

7.2 防渗工程

防渗膜施工铺设膨润土防水毯(GCL)前基层必须夯实整平，夯实度达85%以上。表面应平整，不应有凸出2cm以上的岩石和其它物体，也不能有明显的空洞、裂缝。表面应基本干燥，不能有明显的水渍和坑洼。基层、立面部位的阴、阳角应做成圆弧形或钝角。铺设施工完的膨润土防水毯(GCL)，必须于当日（保证不被水淋湿）完成保护层的施工。对膨润土防水毯(GCL)单层衬垫的防渗防水施工工程，在施工结束并验收合格后，应迅速用比重大于2.0的土、砂子和石粒或者混凝土及砖石进行压实保护。所有回填土宜用砂子或过筛后的土，不得含有粒径10mm以上的石子等杂物。回填土必须进行夯实（或压实、振捣等），回填土的密实度应大于85%，且夯实后的厚度不小于300mm。在夯实、压实过程中，注意不要损坏膨润土防水毯(GCL)。如有损坏，应及时进行修整。已铺设完成的膨润土防水毯（GCL）应在当日完成HDPE膜的施工或铺设300mm厚粘土保护层；在施工边缘部位必须进行保护。

7.3 灌引水工程

渠道主要用于恢复土地复垦区和林地的灌溉功能，保证农作物稳产；同时兼顾人工湖区的引水，保证湖区水质干净。依据治理区的稳定性分析，渠道采用C20预制混凝土U型槽（见图4），预制U型槽渠单块长0.5m，混凝土预制U型槽形状与规格是一致的，所以模板规格一致，采用钢模、活动扣件，模板钢度要求达到2倍安全系数。模具组装后校核各部位尺寸使其符合要求，并在混凝土浇灌与振捣过程中确保形变在允许偏差范围内。在常温下48 h后拆除模板。模板拆除后清洗干净，重新涂脱模剂。混凝土的养护是保证和提高混凝土质量的重要环节，特别是U型槽结构具有壁薄，外露面积大的特点，养护不及时表面就会出现干裂缝隙，影响工程质量，因而养护工作尤为重要。最常用的养护方法是在混凝土的表面覆盖湿草帘、湿芦席等物。一般正常气温下，混凝土浇筑后6～18h即可养护，养护要勤洒水，始终保持混凝土表面湿润状态，从而使混凝土充分得到养护。

预制U型槽和帽实压块转运到施工现场，搭设砂浆搅拌系统。混凝土预制U型槽在运输过程中采用人工装御，码放场地应平整，以免损坏构件，对于断裂、破损的构件不得使用。预制混凝土U型槽施工安装前校核基槽、铺填砂石，使基槽符合设计要求。为防止不均匀沉降，U型槽渠底部铺设0.1m厚的砂石垫层并均匀压实，压实系数为0.9。预制U型槽砌筑接缝宽20mm，采用M10水泥砂浆砌筑。区内的渠道每隔10m设置横向伸缩缝一道，内填沥青油毡止水。为方便后期浇灌，每隔10m设置一12cm×12cm出水孔，内衬材质选用Φ110mmPVC管，出水孔与伸缩缝间距5m。采用M10防渗砂浆勾缝，砂浆达到设计强度后铺设混凝土预制帽实压块，清理现场，校核轴线与标高。型槽铺设一般从下游开始，使接头面向上游，每节U型槽应紧贴于垫层上，使槽体受力均匀；所有U型槽应按正确的轴线和坡度铺设。当坡度较大时可取跌坎、消力井过渡。

7.4 绿化工程

对于湖区景观的设计，在植物配置总体上遵循以下几个原则，使景观在统一中求变化，形成其特定的植物群落。“因地制宜”，根据济源地区的地理位置及气候特征，在总体的植物选择上我们尽量选择一些乡土树种，这样植物宜于成活，避免跨纬度植物的选择。在乔木选择上以国槐、白蜡、柳树、法桐等为主，并配以花灌木及地被，使整个植物多样性。“因位制宜”，从现状的地形勘测可以发现，其地形复杂，有高低阴阳，由此在植物选择上必须依照这个原则，湖区的水生植物及湿生植物，我们根据不同的水位种植不同的植物，如，在水位相对深些的地方种植荷花，而在湖岸边则种植水葱、菖蒲、千屈菜、旱伞草，在湖区中心岛则根据景观效果配置树形及观赏价值较高的乔木花灌木等，总之，按照不同的地理位置，顺乎花木的生长习性，照顾到游赏的需要，做到配置有方，各得其所。“色相配合”，在沿湖周边配置柳树间种红叶碧桃，使其在水面上营造美丽的倒影，在日光的配合下，形成唯妙的四维光影空间。在湖边配置一些宿根草花，地被如美人蕉、大花金鸡菊、丰花月季等，在色彩上给人视觉的享受。“季季有景可观”，在设计时根据花期、花色互相衬托搭配，尽量达到月月有花，如春天玉兰、紫荆，夏天丰花月季、花石榴及各种地被草花等，秋天的乌桕，冬天的火棘、红瑞木、腊梅等，使四时之景不同。“因景制宜”，在设计中时刻注意疏密得当，是孤植、片植还是群植等这些，这样有一个主次亮点；因景观环境不同，从而对植物做细部的推敲配置。

8 结束语

项目实施完成后，该内的耕地得到最大程度的平整，农田道路、灌排渠系和防护林的改善，大大提高土地利用率和农业生产率。土地利用趋向良性循环，增强农业生产的后劲，改善生态环境。对田、水、林的综合治理，形成稳产的标准田，提高农业抵御自然灾害的能力，并且增强该地区的经济实力，为农民增收创造良好条件。治理区内生态环境得到改善，生态农业观光区形成了规模化的农业采摘区，同时也改善生态环境。人工湖建成后，为当地居民提供了休闲娱乐的场所。为后期济源市在该区建立矿山森林公园，打造济源后花园打下坚实的基础，同时以新兴旅游产业带动济源经济的迅速发展，促进第三产业的持续、快速增长，对于实现济源市全面建设小康社会及经济的可持续发展具有重要意义。

[1]杨书民,张涛，等.河南济源克井煤矿塌陷区矿山地质环境治理恢复设计书[R].河南省焦作地质勘察设计有限公司,2013.

[2]杨书民,张涛，等，河南济源克井煤矿塌陷区矿山地质环境治理恢复项目勘查报告[R].河南省焦作地质勘察设计有限公司，2012.

[3]河南省国土资源厅.河南省土地开发整理工程建设标准[S].郑州:黄河水利出版社,2010.

[4]河南省国土资源厅.河南省矿山环境恢复治理工程勘查设计施工技术要求（试行）[S].郑州:黄河水利出版社,2014.

[5]TD/T1012-2000土地开发整理项目规划设计规范[S].

[6]GB5084－92农业灌溉水质标准[S].

[7]DB50/5029-2004地质灾害防治工程设计规范[S].

[8]SL260-98堤防工程施工规范[S].

[9]李太启,高荣久.采煤塌陷区综合治理问题分析与建议[J].金属矿山，2015:169-172.

[10]秦朝亮,龙建辉，等.采煤塌陷区内地质灾害与生态环境的综合治理方案[J].煤炭技术，2015:302-305.