山東省煤礦開采區(qū)城市建設(shè)研究

李以虎 何峰華

(煤炭工業(yè)濟南設(shè)計研究院有限公司，山東 濟南 253200)

山東省是中國重要的產(chǎn)煤省份，隨著煤炭資源的回采，地表沉陷問題日趨嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計，全省實有采煤塌陷地面積（≥10mm）148.75萬畝，其中27.07萬畝絕產(chǎn)地，13.06萬畝積水區(qū)[1]，濟寧、泰安、棗莊、菏澤四市最為嚴(yán)重。根據(jù)山東省城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)要求，十三五期間對全省采煤塌陷地進行治理。因此，研究煤礦開采區(qū)的城市建設(shè)，不僅可以解決山東省煤礦開采的遺留問題，也可以為下一步全國推廣煤礦開采區(qū)問題治理提供借鑒依據(jù)。

1 山東省煤礦開采區(qū)建設(shè)論證

1.1 開采歷史簡介

山東省煤炭資源主要集中在濟寧、棗莊、泰安、菏澤等11個產(chǎn)煤市，早在宋代時期已有煤礦生產(chǎn)記載，建國后煤礦開采進入穩(wěn)定發(fā)展時期，2003年后山東省煤炭產(chǎn)量維持在1.5億t左右。

1.2 煤炭資源賦存特征[2]

山東省最主要的含煤地層是石炭二疊系，其中本溪組、石盒子組及鳳凰山組僅含薄煤層，且多被剝蝕，這些煤層賦存較深，回采后對地表破壞有限。太原組含煤8～20層，多為薄煤層，單層厚度一般小于2m，煤層賦存較穩(wěn)定。山西組含煤2～4層，即2煤層和3煤層（新汶、萊蕪稱為4煤層），2煤層多地為不穩(wěn)定的局部可采煤層，3煤層為較穩(wěn)定～穩(wěn)定的中厚～厚煤層，且自北向南厚度逐漸增大，在巨野、兗州、濟寧煤田中最大厚度達到了9.43～17.95m，因此山東省采煤塌陷地最嚴(yán)重的地區(qū)位于西南部的濟寧、菏澤、泰安和棗莊四個產(chǎn)煤市。

1.3 山東省煤礦開采區(qū)建設(shè)的必要性

1.3.1 煤礦開采區(qū)上方原建設(shè)用地較廣

山東是東部經(jīng)濟發(fā)達的省份，城鎮(zhèn)、農(nóng)村建筑較多，鐵路、公路交通網(wǎng)絡(luò)密集。目前村下壓煤量占總體保有儲量的48.89%，滕州、兗州、濟寧等多個礦區(qū)骨干礦井僅能依靠回采村下壓煤資源來支撐礦井生產(chǎn)。

1.3.2 老礦區(qū)建設(shè)用地匱乏

隨著城鎮(zhèn)及礦區(qū)的不斷發(fā)展，人居環(huán)境需要改善，礦區(qū)建設(shè)用地亟需增加，然而煤礦開采區(qū)內(nèi)原有廠房、建筑破損嚴(yán)重，土地開裂沉陷，大量區(qū)域積水嚴(yán)重，雜草叢生，建設(shè)用地功能喪失，缺乏新的可用建設(shè)用地。

1.4 山東省煤礦開采區(qū)建設(shè)的可行性

1.4.1 老礦區(qū)開采區(qū)沉降已穩(wěn)定

在正規(guī)開采的區(qū)域內(nèi)，地表連續(xù)沉降的周期為3～5年[3]。山東省老礦區(qū)采空區(qū)形成時間絕大部分在10年以上，采空區(qū)上方地面逐漸沉降穩(wěn)定，適宜在這些區(qū)域開展老礦區(qū)的重建工作。而一些目前仍在生產(chǎn)的老礦井，本身資源已瀕臨枯竭的邊緣，大部分采空區(qū)已沉降穩(wěn)定，可以作為重建區(qū)域進行規(guī)劃。

1.4.2 煤礦開采沉陷區(qū)建設(shè)條件良好

煤礦周邊基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及路網(wǎng)較完善，如果工程地質(zhì)條件允許，可以在區(qū)域內(nèi)規(guī)劃新城區(qū)或衛(wèi)星城市，堅持居住、就業(yè)、旅游的并驅(qū)發(fā)展，改善礦區(qū)形象。

1.4.3 開采區(qū)及上方巖層和表土層的治理方式多樣化

目前開采區(qū)建設(shè)以勘探技術(shù)和測量技術(shù)為依據(jù)，合理劃分建設(shè)區(qū)域，采用充填注漿、覆壓加固補強、夯實地基等治理地表沉降的方法，留設(shè)變形縫、變形溝、千斤頂系統(tǒng)、抗變形整體基礎(chǔ)、提高結(jié)構(gòu)的剛度和強度等抗變形措施，完全可以保障采空區(qū)上方建筑物的穩(wěn)定。

因此，在山東省煤礦開采區(qū)上方進行建設(shè)是完全可行的。

2 山東省典型城市煤礦開采區(qū)建設(shè)現(xiàn)狀調(diào)查

2.1 棗莊煤礦開采區(qū)建設(shè)現(xiàn)狀

棗莊煤礦擁有120多年的開采歷史，于1999年安全關(guān)井閉坑，棗莊煤礦主采6個煤層，其中3煤為本區(qū)域內(nèi)采厚最大的煤層，最大采厚達到了7m，主要分布在老城區(qū)范圍內(nèi)，其余煤層均為薄～中厚煤層。

1976年棗莊市建立棗莊市市中區(qū)并作為行政中心，即老城區(qū)。此后，市中區(qū)城市建設(shè)速度加快，近10年建設(shè)的建筑物樓層最大達到21層，建筑基礎(chǔ)均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，部分建筑建設(shè)之前進行過物探和鉆探工作，此外無其他加強措施。根據(jù)最新的調(diào)查結(jié)果，目前所有建筑物均使用良好，未現(xiàn)地面裂縫及建筑物傾斜等現(xiàn)象。

2.2 北埠煤礦開采區(qū)建設(shè)現(xiàn)狀

北埠煤礦位于萊蕪市萊城區(qū)市中心，1973年建井，礦井沿長勺路（原長征路）左右兩側(cè)分布，區(qū)內(nèi)有3層可采薄煤層，埋深較淺。2007年關(guān)閉退出。

1953年萊蕪縣政府從口鎮(zhèn)搬至萊城區(qū)，并建成長征路等城市主干道，1983年升級為萊蕪市后，加快城市建設(shè)步伐，并擴建了長勺路等城市干道。根據(jù)2009年萊蕪市中心城區(qū)控制性規(guī)劃，北埠煤礦開采區(qū)上方的中心片區(qū)和城北片區(qū)被劃分為主要居民片區(qū)，而作為城市核心的市政府所在地也位于北埠煤礦開采區(qū)的周邊區(qū)域。

北埠煤礦開采區(qū)上方新建的主要建筑物樓層最大達到16層，另有聯(lián)排別墅建筑及大型綜合體項目。根據(jù)最新調(diào)查數(shù)據(jù)，北埠煤礦關(guān)閉已近十年，基本處于沉降穩(wěn)定期，各建筑物均使用良好，未新發(fā)現(xiàn)建筑物損壞及主要道路變形破壞情況。

3 國內(nèi)外煤礦開采區(qū)建設(shè)典型案例

3.1 魯爾礦區(qū)煤礦開采區(qū)建設(shè)情況

魯爾礦區(qū)是德國最大的煤炭基地，含可采煤層48～60層，總厚度80m，德國計劃于2018年將煤礦全部關(guān)閉。德國成立專業(yè)部門負責(zé)魯爾礦區(qū)規(guī)劃改造，重視環(huán)境修復(fù)，形成人工循環(huán)水流系統(tǒng)，逐步推進城市建設(shè)，在采空區(qū)上方建成多特蒙德、埃森、杜伊斯堡等連片的城市帶，成為全球采空區(qū)上方城市建設(shè)的典范。

3.2 唐山煤礦開采區(qū)建設(shè)情況[4]

唐山煤礦位于唐山市南部向南延伸至豐南區(qū)，主采三個煤層，其中8煤層和9煤層為厚煤層，因煤礦開采造成1300hm2的采空區(qū)。近幾年唐山城市發(fā)展逐步向南擴展，利用采空區(qū)建設(shè)了南湖城市生態(tài)公園，通過充填工藝和離層充填技術(shù)，建起連片的住宅和辦公樓，為大規(guī)模綜合治理塌陷區(qū)創(chuàng)建生態(tài)園林建設(shè)積累了經(jīng)驗。

古冶區(qū)是唐山市的一個行政區(qū)，又稱東礦區(qū)，區(qū)內(nèi)有多個礦井，因長期煤礦開采，形成了連片塌陷地。1995年開始，古冶區(qū)開始引進先進的塌陷地治理經(jīng)驗，通過復(fù)墾綠化和矸石粉煤灰充填，修復(fù)區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境，改善地表塌陷問題，科學(xué)規(guī)劃城區(qū)建設(shè)，使古冶區(qū)成為唐山市一個美麗的工業(yè)新城。

4 山東省煤礦開采區(qū)建設(shè)技術(shù)保障措施

4.1 詳細調(diào)研，掌握信息

山東省煤炭資源分布廣泛，開采歷史悠久，詳細搜集這些老礦井的有關(guān)資料，對合理確定采空區(qū)范圍、地表沉降穩(wěn)定程度及地表穩(wěn)定性等級劃分十分重要。

4.2 充分利用勘測技術(shù)

對于資料不詳細或缺失資料的區(qū)域，推薦利用鉆探、物探等方法，確定采空區(qū)的范圍及充填情況，同時還應(yīng)通過建立地表移動觀測站等手段，獲取后期實測數(shù)據(jù)，保障規(guī)劃設(shè)計及建設(shè)的可靠性。

4.3 合理劃分地表穩(wěn)定性

合理劃分地表穩(wěn)定性，利用地表沉陷后的現(xiàn)時狀態(tài)，簡化地基處理，減少煤礦開采區(qū)重建的投入，在不同區(qū)域建設(shè)不同類型的建筑風(fēng)格，形成自然的城市風(fēng)光。

4.4 推廣煤礦開采區(qū)綜合治理措施

對于已掌握的較小、較淺的采空區(qū)，可以通過地表開挖后分層充填夯實的方式進行地基處理；對于已掌握的較深的采空區(qū)，推薦利用充填注漿、覆巖加固、地表灌注樁、強夯及其綜合治理措施，保證地面建筑物的穩(wěn)定；對于已掌握的較廣的采空區(qū)，推薦在地表移動觀測的基礎(chǔ)上，進行復(fù)墾或直接開發(fā)為森林、湖景自然景觀；對于無法掌握或勘探成本較高的區(qū)域，推薦直接劃分為自然景觀區(qū)。

4.5 加強建筑物基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)設(shè)計

提高開采區(qū)建筑物的抗震等級，盡量采用鋼筋混凝土箱形基礎(chǔ)，建筑物之間留設(shè)變形縫或變形溝，建筑材料采用低密度輕型建設(shè)材料，嚴(yán)格控制建筑物的最大設(shè)計高度，以保證建筑物的穩(wěn)定。

4.6 采取煤礦開采區(qū)建筑物預(yù)測預(yù)報制度

建立分區(qū)建筑物地表移動觀測站，對建筑物建設(shè)過程中及建成后一定時間內(nèi)，進行地表移動的連續(xù)觀測，通過科學(xué)計算確定地表移動的演化趨勢，對于變形較嚴(yán)重的建筑應(yīng)立即停止建設(shè)或使用，并采取加固措施。

4.7 積極利用計算機模擬技術(shù)

對于煤礦開采區(qū)上方建設(shè)的理論已研究多年，理論較為成熟，而模擬軟件也呈現(xiàn)出多樣化的趨勢，通過數(shù)值軟件模擬技術(shù)，可以確定地表沉陷運動規(guī)律及周期，從而為煤礦開采區(qū)的規(guī)劃設(shè)計提供重要依據(jù)。

4.8 結(jié)合生產(chǎn)計劃，統(tǒng)籌地面規(guī)劃

雖然老礦區(qū)的大部分煤炭資源已采空，地表呈現(xiàn)沉降穩(wěn)定的特征，但是井田范圍內(nèi)仍有小部分的區(qū)域內(nèi)賦存有少量的煤炭資源，因此地面重建規(guī)劃應(yīng)結(jié)合礦井的生產(chǎn)計劃，合理布局，分區(qū)進行，為煤礦生產(chǎn)和地表沉降穩(wěn)定贏得時間，保障采空區(qū)上方重建工作的順利進行。

5 結(jié)語

山東省歷來是中國的重要產(chǎn)煤省份，因煤炭資源開發(fā)產(chǎn)生的地表沉陷問題日益突出，嚴(yán)重影響到了城市發(fā)展及礦區(qū)和諧穩(wěn)定，本次研究確定了山東省煤炭資源賦存特征及開采歷史，參考了山東省及國內(nèi)外煤礦開采區(qū)典型城市建設(shè)案例，提出煤礦開采區(qū)城市建設(shè)的技術(shù)保證措施，為下一步實施山東省煤礦開采區(qū)城市建設(shè)提供了借鑒依據(jù)。