高潜水位城中采空区“挖深垫浅”超前治理施工技术研究

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

1 引言

煤炭开采造成的地面沉陷、耕地丧失、环境污染等一系列问题，在我国乃至世界都引起了社会的广泛关注。煤炭开采导致地表沉陷面积与日俱增，更快更好更高效的治理、恢复、改造并综合利用这些采空区土地，是亟待解决的问题。常规采空区土地复垦和地质环境治理方法一般是等采空区完全稳定后，再进行改造，该方法的缺点在于采空区稳沉时间较长，且沉降稳定后，土地利用难度加大，大量采空区土地长期撂荒，未得到有效利用，造成大量经济损失。“挖深垫浅”超前治理施工技术能够最大程度地改造沉陷区生态环境，基于潜水位较高的水文地质环境特点，通过挖深超前治理形成大面积水域实现非稳沉区改造，通过垫浅超前治理形成可利用土地实现相对稳沉区修复，进而完成高潜水位沉陷区的水土综合利用[1-3]。

2 工艺原理

根据需要治理采空区的煤炭开采工作面技术参数指标、原始地表地形信息与开采计划，计算地表沉陷信息，进而进行分区沉降预测值，结合总体用地规划与市政空间布局要求确定“挖深垫浅”的设计边界。将治理区域划分为方格网，根据方格网生成计算单元区间，依据区域内土方平衡的原则对每个单元区内的挖填土方量进行计算，计算采空区超前治理总体土方工程量。

挖深区域下挖至设计高程并平缓各分区连接处，同时将开挖土方填入垫浅区域，平整并压实垫浅区域，为后续的土地资源再利用打下基础，在土建领域完成对高潜水位采空区的地质灾害治理。分别在改造完成的垫浅区和挖深区开展生态环境差异化治理，在垫浅区域恢复陆地植被，初步进行土壤治理，针对不同用地性质开展建设准备。在挖深区域利用自然补水、人工排水等方式蓄水成湖，通过合理配置水生动植物进一步改善水质，从而完成采空区的生态环境综合治理[2]。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 地表移动变形预测

3.1.1 概率积分法数学模型

概率积分法对开采工作面进行沉陷预计的模型[3]如下：

任意点A(x，y)的下沉值W(x，y)

其中：

式中：

Wcm—充分采动条件下地表最大下沉值，Wcm=mqcosα；

m—采出煤层厚度；

q—地表下沉系数；

α—煤层倾角；

Cx′，Cy′—为待求点在走向和倾向主断面上投影点处的下沉分布系数；

l，L—为采区拐点平移后走向长度及倾斜方向在地表的计算开采宽度；

r，r1，r2—分别为走向、下山、上山方向的主要影响半径；

x、y——待求点坐标。

3.1.2 挖填方量的初始计算

根据计算方格网四个顶点的现状标高与设计标高之差，进行计算单元区内挖填方计算。

填（挖）方厚度=设计地面高程—原始地面高程+预测下沉量，即：

式中：

H施—填（挖）方厚度（m）

H设—设计地面高程（m）

H原—原始地面高程（m）

W下沉—预测地面塌陷变形量（m）

填（挖）方量=填（挖）方厚度×填（挖）方面积，即：

式中：

Q—填（挖）方量（m3）

S—填（挖）方面积（m2）

计算中需内业、外业的结合，必须保证原始数据的准确[4-5]。

3.2 残余沉降预测

治理采空区的煤炭开采沉陷改变了地层和岩土体的工程地质特征和性质，形成了不良工程地质的复杂地基条件，给开发利用废弃老采空区上方土地作建筑用地带来困难和安全隐患。

在煤炭开采完成且采空区地表沉降基本稳定后，采空区岩土体内部相互作用力形成了新的相对稳定平衡。当采空区岩土体再次受到地应力、附加应力或蠕变造成的岩土体材料强度减小等因素作用或影响因素综合作用下，相对稳定的采空区岩土体受力平衡系统将再次被打破，在应力重分布作用下造成岩土体和采空区地表的再次沉降、变形，进而产生老采空区的“活化”。城中采煤沉陷区“活化”问题是制约综合治理、土地再生、建设用地恢复的重要因素，因此在进行采空区综合治理规划前须对各影响因素下的残余沉降进行预测。

采空区岩土体虽然在自重应力的长期作用下自然密实，但煤炭开采造成的离层、裂缝、裂隙等不良地质条件仍长期存在。在开展治理的采空区上方修建建筑物、地下水抽取及废弃老采空区中围岩和矿柱蠕变造成的强度弱化等，都会破坏岩土体的相对应力平衡，使采空区原来稳定的覆岩发生“活化”。其表现为矿柱和围岩垮落失稳、冒落裂缝带和离层的再压密,导致地面不均匀沉降，岩体沿层面或断层面产生滑动变形、空洞垮落引起地面沉陷，未来会导致新建建筑物面临沉降、局部开裂、倾斜等一系列问题。

对下沉参数及时间进行回归分析，建立残余下沉系数与下沉系数、时间的关系模型，得出残余下沉系数q残为：

式中：

q—下沉系数；

k—调整系数，一般取值为0.5-1.0，这里我们取0.8；

t—距开采结束的时间，单位为年。

3.3 施工测量

3.3.1 陆上地形测量

①绘制地形草图，明确控制点位置。

②RTK测量。

③数据导出。

④绘制成图。

3.3.2 水下地形测量

水下地形测量采用RTK技术结合测深仪开展测量工作。

在测深仪换能器上固定GPS测量天线，保证GPS测点坐标与测深仪测量的水下点位能够一一对应。将测点高程减去对应水下点位水深，即可得出水下点位高程，带入测点坐标进而完成三维地形参数的测定。

①岸上工作

首先于控制点架设GPS基准站，基本站设置完毕后调试流动站并进行校对，检查无误后固定于测深仪开始测量。

②水上工作

将测深仪固定于船首，换能器紧密安装于船侧，避免轮机震动和行船时产生的水波、水花干扰测深仪工作，安装时保证GPS接收器垂直工作，确保数据传输通畅后，进行试测。将机器测量的水下点位水深与人工测量数据对比，无误后开始正式测量。

3.4 陆上土方挖填平整

垫浅填筑区根据采空区残余沉降与填土松铺系数双指标控制来确定顶标高设计，垫浅填筑区顶标高不一，进行微地形塑造与场地精细化平整是一项重要工序。在完成一个垫浅填筑区的土方回填与压实工作并达到设计高程后，即对该垫浅填筑区进行微地形塑造与精细平整。

施工程序：放线定位→标定整平范围→设计标高复测→场地精平→场地碾压→验收。

通过复测标识出与设计标高有差异的位置，用推土机对存在误差的区域进行微地形塑造，考虑松铺系数并进行压实，确保高程符合设计要求，满足后期沉降控制与景观塑造的需要。

3.5 大面积积水区疏浚清淤

陆上取土满足各区填筑要求后，剩余水下土方可采用绞吸式挖泥船施工。若积水区水面以下障碍物多（混凝土块、房基块石等），绞吸式挖泥船施工受障碍物影响，可辅助采用抓斗挖泥船进行水下清障。

3.5.1 施工流程

①抛泥区围堰填筑→绞吸式挖泥船施工→抛泥区。

②抛泥区围堰填筑→抓斗船施工→泥驳船→绞吸船开挖深槽抛泥。

3.5.2 绞吸式挖泥船施工

采用步进横挖法利用绞吸式挖泥船进行水下土方疏浚施工，主桩作为步进桩，副桩作为换位桩，交替行进，摆动施工，使得挖槽平直，减少槽底漏挖。

绞吸式挖泥船疏浚施工时，在施工区设立临时水尺，每天上报一次水位，船舶施工操作人员根据临时水尺测得的水位，及时调整施工挖深，保证工程质量及施工效率。

3.5.3 抓斗式挖泥船施工

顺流挖泥：顺水流方向开挖，头锚抛向下游，尾锚抛向上游。

分段挖泥：挖槽较长可分成若干段，每段长度约60-70m，段间设横向标志。

分条挖泥：1m3抓斗船的挖宽一般为10m。故当挖槽大于挖宽时若分成若干条，每条均要设纵向导标。

分层挖泥：1m3抓斗船的一斗挖深一般为1m。若泥层厚度超过一斗最大挖深时应分层排斗。若挖槽泥层过厚或土质坚硬不易挖动时应进行逐段分层，即在整个分段挖槽中分几层开挖，挖完上层，再将船退后来挖第二层，挖完第二层，再挖第三层，逐层挖至设计深度。

边坡开挖：分层开挖进行修坡，每层开挖深度为1m，根据“下超上欠，超欠平衡”的原则，采用阶梯开挖方式，在每个分层布设边坡样标，控制超欠比在1:1.1～1:1.3之间，满足质量设计要求。

4 应用实例与效益分析

高潜水位城中采空区“挖深垫浅”超前治理施工技术应用于淮北市资源枯竭型城市矿山地质环境治理重点项目—淮北市中湖矿山地质环境治理工程，通过开展矿山地质环境治理和景观园林及配套设施建设，将原采煤塌陷区建设为集生态修复、科学研究、文化创意、旅游休闲为一体的城市中央公园，同时为淮水北调提供蓄水库容。

科学实施治理，创新土地再生模式，通过科学合理布局，易于施工，采用“挖深垫浅”超前治理施工技术对非稳沉区进行治理，使治理后的土地即使在地下继续塌陷直至稳沉后，依然能达到治理设计要求，而不必等到稳沉后再治理，不仅提前利用待塌陷的优质土层，解决塌陷土地因未稳沉而长期荒废的问题，提高治理效率，还节约了治理资金，事半功倍。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、广场用地等，非稳沉区治理恢复为绿地、水域等形式。使其发挥最大的经济效益。

与其他多数沉陷区位于远离市区的农村相比，淮北中湖采煤沉陷区位于市区，治理后形成沉陷湿地公园会产生良好的生态、经济和社会效益，其周边修复的可利用土地经商业开发及运营后也会产生良好的经济效益。

工程实施后，为治理区新增城镇住宅用地129hm2、商业用地45hm2、绿地用地498hm2、水域用地419hm2、道路及其他用地45hm2。景观水域、绿化用地和城市交通用地，作为公益性土地，用于改善城市交通，提升城市环境质量，具有巨大潜在价值。新增住宅和商业建设用地随着周边生态环境的改善，土地出让费用有望逐年增加。通过“挖深垫浅”超前治理，将城中采空区的生态环境与土地资源利用变“劣势”为“优势”，实现了采煤沉陷区“生态-经济-社会”的可持续协调发展，为城市的发展助力，提升城市的知名度，在两淮地区及其他类似地区的城中矿山生态地质环境综合治理工程中具有借鉴价值。