高潛水位城中采空區“挖深墊淺”超前治理施工技術研究

史曉濤，邱征，楊超，張鵬 （安徽省交通航務工程有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

煤炭開采造成的地面沉陷、耕地喪失、環境污染等一系列問題，在我國乃至世界都引起了社會的廣泛關注。煤炭開采導致地表沉陷面積與日俱增，更快更好更高效的治理、恢復、改造并綜合利用這些采空區土地，是亟待解決的問題。常規采空區土地復墾和地質環境治理方法一般是等采空區完全穩定后，再進行改造，該方法的缺點在于采空區穩沉時間較長，且沉降穩定后，土地利用難度加大，大量采空區土地長期撂荒，未得到有效利用，造成大量經濟損失。“挖深墊淺”超前治理施工技術能夠最大程度地改造沉陷區生態環境，基于潛水位較高的水文地質環境特點，通過挖深超前治理形成大面積水域實現非穩沉區改造，通過墊淺超前治理形成可利用土地實現相對穩沉區修復，進而完成高潛水位沉陷區的水土綜合利用[1-3]。

2 工藝原理

根據需要治理采空區的煤炭開采工作面技術參數指標、原始地表地形信息與開采計劃，計算地表沉陷信息，進而進行分區沉降預測值，結合總體用地規劃與市政空間布局要求確定“挖深墊淺”的設計邊界。將治理區域劃分為方格網，根據方格網生成計算單元區間，依據區域內土方平衡的原則對每個單元區內的挖填土方量進行計算，計算采空區超前治理總體土方工程量。

挖深區域下挖至設計高程并平緩各分區連接處，同時將開挖土方填入墊淺區域，平整并壓實墊淺區域，為后續的土地資源再利用打下基礎，在土建領域完成對高潛水位采空區的地質災害治理。分別在改造完成的墊淺區和挖深區開展生態環境差異化治理，在墊淺區域恢復陸地植被，初步進行土壤治理，針對不同用地性質開展建設準備。在挖深區域利用自然補水、人工排水等方式蓄水成湖，通過合理配置水生動植物進一步改善水質，從而完成采空區的生態環境綜合治理[2]。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 地表移動變形預測

3.1.1 概率積分法數學模型

概率積分法對開采工作面進行沉陷預計的模型[3]如下：

任意點A(x，y)的下沉值W(x，y)

其中：

式中：

Wcm—充分采動條件下地表最大下沉值，Wcm=mqcosα；

m—采出煤層厚度；

q—地表下沉系數；

α—煤層傾角；

Cx′，Cy′—為待求點在走向和傾向主斷面上投影點處的下沉分布系數；

l，L—為采區拐點平移后走向長度及傾斜方向在地表的計算開采寬度；

r，r1，r2—分別為走向、下山、上山方向的主要影響半徑；

x、y——待求點坐標。

3.1.2 挖填方量的初始計算

根據計算方格網四個頂點的現狀標高與設計標高之差，進行計算單元區內挖填方計算。

填（挖）方厚度=設計地面高程—原始地面高程+預測下沉量，即：

式中：

H施—填（挖）方厚度（m）

H設—設計地面高程（m）

H原—原始地面高程（m）

W下沉—預測地面塌陷變形量（m）

填（挖）方量=填（挖）方厚度×填（挖）方面積，即：

式中：

Q—填（挖）方量（m3）

S—填（挖）方面積（m2）

計算中需內業、外業的結合，必須保證原始數據的準確[4-5]。

3.2 殘余沉降預測

治理采空區的煤炭開采沉陷改變了地層和巖土體的工程地質特征和性質，形成了不良工程地質的復雜地基條件，給開發利用廢棄老采空區上方土地作建筑用地帶來困難和安全隱患。

在煤炭開采完成且采空區地表沉降基本穩定后，采空區巖土體內部相互作用力形成了新的相對穩定平衡。當采空區巖土體再次受到地應力、附加應力或蠕變造成的巖土體材料強度減小等因素作用或影響因素綜合作用下，相對穩定的采空區巖土體受力平衡系統將再次被打破，在應力重分布作用下造成巖土體和采空區地表的再次沉降、變形，進而產生老采空區的“活化”。城中采煤沉陷區“活化”問題是制約綜合治理、土地再生、建設用地恢復的重要因素，因此在進行采空區綜合治理規劃前須對各影響因素下的殘余沉降進行預測。

采空區巖土體雖然在自重應力的長期作用下自然密實，但煤炭開采造成的離層、裂縫、裂隙等不良地質條件仍長期存在。在開展治理的采空區上方修建建筑物、地下水抽取及廢棄老采空區中圍巖和礦柱蠕變造成的強度弱化等，都會破壞巖土體的相對應力平衡，使采空區原來穩定的覆巖發生“活化”。其表現為礦柱和圍巖垮落失穩、冒落裂縫帶和離層的再壓密,導致地面不均勻沉降，巖體沿層面或斷層面產生滑動變形、空洞垮落引起地面沉陷，未來會導致新建建筑物面臨沉降、局部開裂、傾斜等一系列問題。

對下沉參數及時間進行回歸分析，建立殘余下沉系數與下沉系數、時間的關系模型，得出殘余下沉系數q殘為：

式中：

q—下沉系數；

k—調整系數，一般取值為0.5-1.0，這里我們取0.8；

t—距開采結束的時間，單位為年。

3.3 施工測量

3.3.1 陸上地形測量

①繪制地形草圖，明確控制點位置。

②RTK測量。

③數據導出。

④繪制成圖。

3.3.2 水下地形測量

水下地形測量采用RTK技術結合測深儀開展測量工作。

在測深儀換能器上固定GPS測量天線，保證GPS測點坐標與測深儀測量的水下點位能夠一一對應。將測點高程減去對應水下點位水深，即可得出水下點位高程，帶入測點坐標進而完成三維地形參數的測定。

①岸上工作

首先于控制點架設GPS基準站，基本站設置完畢后調試流動站并進行校對，檢查無誤后固定于測深儀開始測量。

②水上工作

將測深儀固定于船首，換能器緊密安裝于船側，避免輪機震動和行船時產生的水波、水花干擾測深儀工作，安裝時保證GPS接收器垂直工作，確保數據傳輸通暢后，進行試測。將機器測量的水下點位水深與人工測量數據對比，無誤后開始正式測量。

3.4 陸上土方挖填平整

墊淺填筑區根據采空區殘余沉降與填土松鋪系數雙指標控制來確定頂標高設計，墊淺填筑區頂標高不一，進行微地形塑造與場地精細化平整是一項重要工序。在完成一個墊淺填筑區的土方回填與壓實工作并達到設計高程后，即對該墊淺填筑區進行微地形塑造與精細平整。

施工程序：放線定位→標定整平范圍→設計標高復測→場地精平→場地碾壓→驗收。

通過復測標識出與設計標高有差異的位置，用推土機對存在誤差的區域進行微地形塑造，考慮松鋪系數并進行壓實，確保高程符合設計要求，滿足后期沉降控制與景觀塑造的需要。

3.5 大面積積水區疏浚清淤

陸上取土滿足各區填筑要求后，剩余水下土方可采用絞吸式挖泥船施工。若積水區水面以下障礙物多（混凝土塊、房基塊石等），絞吸式挖泥船施工受障礙物影響，可輔助采用抓斗挖泥船進行水下清障。

3.5.1 施工流程

①拋泥區圍堰填筑→絞吸式挖泥船施工→拋泥區。

②拋泥區圍堰填筑→抓斗船施工→泥駁船→絞吸船開挖深槽拋泥。

3.5.2 絞吸式挖泥船施工

采用步進橫挖法利用絞吸式挖泥船進行水下土方疏浚施工，主樁作為步進樁，副樁作為換位樁，交替行進，擺動施工，使得挖槽平直，減少槽底漏挖。

絞吸式挖泥船疏浚施工時，在施工區設立臨時水尺，每天上報一次水位，船舶施工操作人員根據臨時水尺測得的水位，及時調整施工挖深，保證工程質量及施工效率。

3.5.3 抓斗式挖泥船施工

順流挖泥：順水流方向開挖，頭錨拋向下游，尾錨拋向上游。

分段挖泥：挖槽較長可分成若干段，每段長度約60-70m，段間設橫向標志。

分條挖泥：1m3抓斗船的挖寬一般為10m。故當挖槽大于挖寬時若分成若干條，每條均要設縱向導標。

分層挖泥：1m3抓斗船的一斗挖深一般為1m。若泥層厚度超過一斗最大挖深時應分層排斗。若挖槽泥層過厚或土質堅硬不易挖動時應進行逐段分層，即在整個分段挖槽中分幾層開挖，挖完上層，再將船退后來挖第二層，挖完第二層，再挖第三層，逐層挖至設計深度。

邊坡開挖：分層開挖進行修坡，每層開挖深度為1m，根據“下超上欠，超欠平衡”的原則，采用階梯開挖方式，在每個分層布設邊坡樣標，控制超欠比在1:1.1～1:1.3之間，滿足質量設計要求。

4 應用實例與效益分析

高潛水位城中采空區“挖深墊淺”超前治理施工技術應用于淮北市資源枯竭型城市礦山地質環境治理重點項目—淮北市中湖礦山地質環境治理工程，通過開展礦山地質環境治理和景觀園林及配套設施建設，將原采煤塌陷區建設為集生態修復、科學研究、文化創意、旅游休閑為一體的城市中央公園，同時為淮水北調提供蓄水庫容。

科學實施治理，創新土地再生模式，通過科學合理布局，易于施工，采用“挖深墊淺”超前治理施工技術對非穩沉區進行治理，使治理后的土地即使在地下繼續塌陷直至穩沉后，依然能達到治理設計要求，而不必等到穩沉后再治理，不僅提前利用待塌陷的優質土層，解決塌陷土地因未穩沉而長期荒廢的問題，提高治理效率，還節約了治理資金，事半功倍。把地處城市規劃區中的的采空塌陷穩沉區治理恢復為城鎮住宅用地、廣場用地等，非穩沉區治理恢復為綠地、水域等形式。使其發揮最大的經濟效益。

與其他多數沉陷區位于遠離市區的農村相比，淮北中湖采煤沉陷區位于市區，治理后形成沉陷濕地公園會產生良好的生態、經濟和社會效益，其周邊修復的可利用土地經商業開發及運營后也會產生良好的經濟效益。

工程實施后，為治理區新增城鎮住宅用地129hm2、商業用地45hm2、綠地用地498hm2、水域用地419hm2、道路及其他用地45hm2。景觀水域、綠化用地和城市交通用地，作為公益性土地，用于改善城市交通，提升城市環境質量，具有巨大潛在價值。新增住宅和商業建設用地隨著周邊生態環境的改善，土地出讓費用有望逐年增加。通過“挖深墊淺”超前治理，將城中采空區的生態環境與土地資源利用變“劣勢”為“優勢”，實現了采煤沉陷區“生態-經濟-社會”的可持續協調發展，為城市的發展助力，提升城市的知名度，在兩淮地區及其他類似地區的城中礦山生態地質環境綜合治理工程中具有借鑒價值。