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矿矿山山环环境境保保护护与与土土地地复复垦垦 采煤沉陷区城市建设关键技术研究与应用 李树志 中煤科工集团 唐山研究院有限公司, 河北 唐山 063012 [摘 要] 以淮北矿区为例对采煤沉陷区城市建设关键技术进行了深入系统研究, 根据长期的 岩移观测、 采空区建筑物沉降监测与采动区 “活化” 机理研究, 提出了基于城市建设规模性土地利用 的煤层群开采沉陷地区域性稳定概念和评价方法, 创建了煤炭开采沉陷区域稳定评价与控制、 建筑群 抗变形等技术体系, 解决了采煤沉陷区城市建设关键技术, 实现了采煤沉陷区直接建设高层建筑群的 技术突破。 [关键词] 采煤沉陷; 城市建设; 岩移规律; 区域稳定评价; 建筑群抗变形 [中图分类号] TD325． 3 [文献标识码] A [文章编号] 1006-6225 2016 02-0073-05 Studying and Application of Key Technology of Urban Construction in Mining Subsidence Area LI Shu-zhi China Coal Technology urban construction; rock movement rule; region stability uation; buildings anti deation [收稿日期] 2015-08-12[DOI] 10． 13532/ j． cnki． cn11-3677/ td． 2016． 02． 020 [基金项目] 国家科技支撑计划项目 典型矿业城市受损生态系统恢复技术及示范 2012BAC13B03; 唐山市科技计划项目 近郊河流湿 地生态修复技术研究与应用 14130212B [作者简介] 李树志 1960-, 男, 河北定州人, 研究员, 博士, 中国煤炭科工集团首席科学家, 享受国务院政府特殊津贴, 现任中国煤 炭科工集团唐山研究院有限公司矿山测量研究所所长; 中国煤炭学会土地复垦与生态修复专业委员会副主任。 [引用格式] 李树志 ． 采煤沉陷区城市建设关键技术研究与应用 [J] ． 煤矿开采, 2016, 21 2 73-77． 矿业城市是国家建设所需矿物原料和能源的主 要供应基地, 在支持国家能源工业进步和社会经济 快速发展的同时也造成大面积土地沉陷, 影响了矿 业城市的建设发展和矿区农民的生产生活。 十八大 以来, 我国大力推进生态文明建设, 提出要节约集 约利用资源, 推动资源利用方式根本转变, 加强全 过程节约管理, 大幅降低能源、 水、 土地消耗强 度, 提高利用效率和效益。 开发利用采煤沉陷区大 量的土地资源作为城市建设用地是实现土地节约利 用的有效途径。 如何在煤炭资源开发过程中, 结合 国家的小城镇化战略, 实现煤炭资源开发与矿区小 城镇协调建设、 土地集约节约利用、 农民安居乐业 是亟待解决的问题。 1 采煤沉陷区概况 淮北市地处安徽省北部淮北平原中部, 北部为 黄泛冲积平原区, 土壤肥沃, 地面平整, 南部为古 老河湖沉积平原, 地势较低。 淮北矿区冲积层较 厚, 一般 32 84m, 市域内地表水系发育, 全市河 流有十多条, 属淮河水系。 地下水丰富, 水位较 高, 全市平均浅层地下水位埋深 2． 37m。 淮北市作为全国重要的煤炭能源基地, 煤炭开 采历史悠久, 境内现已形成地表沉陷区总面积为 150km2; 主城区规划区中部存在着由岱河、 相城、 朱庄、 杨庄、 双龙公司 原张庄 等煤矿长期开 采后所形成的大面积采煤沉陷区。 各煤矿开采煤层 基本情况见表 1。 2 厚冲积层高潜水位矿区地表移动变形时空 规律及形成机理 淮北矿区冲积层是全国最厚的矿区之一, 潜水 位较高, 表土层上半部内有数个流砂层, 厚度从 10 30m 不等, 下部多为含砾石黏土层, 隔水性 好。 地表移动特征受表土影响较严重。 煤系地层岩 性 中硬偏软,以泥岩、砂岩为主,泥岩占50 以 37 第 21 卷 第 2 期 总第 129 期 2016 年 4 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol． 21No． 2 Series No． 129 April 2016 ChaoXing 表 1 各煤矿开采煤层基本情况统计 矿名开采煤层采深/ m 平均 采厚/ m 平均煤层 倾角/ 相城 470 2601． 4520 5100 4402． 2420 岱河 370 4002． 0610 490 4101． 6310 5110 4302． 1510 双龙 张庄 380 3602． 538 580 4302． 138 朱庄 380 3801． 308 480 5801． 606 580 5303． 008 6130 6002． 5010 杨庄 3130 4800． 7110 5130 7303． 2012 6130 7802． 1812 上, 淮北市主城区规划内覆岩属于较软弱类。 通过研究现场长期观测数据, 总结出淮北矿区 采煤沉陷地表变形与残余变形时空规律。 1 下沉系数偏大 根据杨庄、 双龙公司 张庄煤矿、 岱河矿 12 个地表观测站观测数据统 计, 研究区下沉系数 q 为 0． 8 1． 15, 下沉盆地中 最大下沉点下沉量偏大。 随着冲积层厚度 h 的增 加, q 值有所增大。 当冲积层厚度 h120m 时观测站平 均下沉系数 q 为 1． 08, 主要原因是由于冲积层较 厚, 其占采深比例较大, 冲积层内有 2 4 层含水 流砂层, 受煤炭开采疏排水与松散层疏水共同作用 影响, 含水层固结, 地表下沉系数增加 0． 2 0． 4。 2 下沉范围大, 下沉平缓 主要影响角正 切 tanβ 值小 全矿区 tanβ 平均值为 1． 74, 一般 变化在 1． 33 2． 3 之间。 随着冲积层厚度 h 增加, tanβ 值有所增加, 当 h 120m 时, tanβ 平均值为1． 82。 下沉盆 地范围扩展较远, 下沉范围大与潜水位较高 地 表下沉 1 2． 0m 时地面积水 有关。 3 水平移动系数 b 值较大, 并随冲积层厚 度的增大而趋于增大 实测水平移动系数 b 在 0． 23 0． 47 之间, 当冲积层厚度 h 120m 时, b 的平均值为 0． 37。 4 拐点偏移距较小 通过观测站实测资料 求得拐点偏移距较小 0． 09 0． 12H, 平均值为 S 0． 104H, 对比 “三下采煤规程” 附表 5-4 可以 看出, 淮北矿区的拐点偏距相当于软岩的数值。 研究区地表移动参数值见表 2。 5重复采动情况下,地表下沉量增加 由 表 2 研究区地表移动参数值 覆岩岩性 Ⅰ较软弱 双龙公司 张庄 矿、 岱河矿 Ⅱ软弱 相城矿、 杨庄 矿、 朱庄矿 平均值 下沉系数 q0． 80 1． 001． 00 1． 15 初采 0． 99 重采 1． 11 主要影响角正切 tanβ1． 6 2． 01． 4 1． 8 初采 1． 91 重采 2． 08 水平移动系数 b0． 27 0． 310． 30 0． 42 初采 0． 30 重采 0． 35 冲积层厚度与覆岩 总厚度比值 h/ H0 0． 6 0． 80． 1 0． 4H90m 于受采深、 采厚、 冲积层厚度、 基岩厚度、 工作面 位置、 开采时间等条件的不同, 地表变形值存在差 异, 主要原因是由于受各层开采影响, 地表变形相 互叠加后抵消或增加造成的。 6 地表移动初始期和活跃期较短, 但下沉 值占总下沉量的比例大 在采深为 71 327m 条件 下, 总移动期为 130 433d, 初始期 3 75d。 活跃 期占总移动期的 53, 而该期间的下沉值却占总 下沉值的 80。 初始期和活跃期占总移动期的 67, 下沉量 占总下沉量的 93, 动静态最大下沉比值、 最大 倾斜比值和最大正曲率比值接近于 1, 最大负曲率 比值为 0． 6,说明软岩移动过程时间短,充分显现了 软弱覆岩特征。 地表下沉速度及下沉曲线见图 1。 图 1 地表下沉速度及下沉量曲线 7 地表残余变形均匀偏小 淮北矿区地表 残余变形均匀偏小, 衰退期地表稳定, 地层塌陷比 较密实。 这是由于该区地表冲积层较厚, 可采煤层 数较少, 开采时间相对集中, 煤层倾角平缓且上覆 岩层岩性整体偏软、 冒落充分, 现代矿业集团长期 采用大规模正规长壁开采, 开采范围大、 工作面布 设整齐、 煤层回收完整、 地质资料准确等多种因素 共同作用造成的。 8 地表移动分布 地表下沉和水平移动实 测分布与概率积分法计算值符合程度较好, 但在下 沉盆地边缘部分, 概率积分法曲线收敛较快。 总体 分析, 可以用概率积分法描述矿区下沉和水平移动 值的分布。 47 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing 综合地表变形与残余变形时空规律可以看到, 淮北矿区高潜水位、 厚冲积层 分布 2 4 层含水 流砂层、 软弱覆岩、 浅埋深条件下长壁开采, 根 据流固耦合理论, 受疏排水、 含水层固结等因素影 响, 地表下沉系数增加 0． 2 0． 4, 开采沉陷范围 增大、 下沉平缓、 稳沉速度快、 移动变形衰退期地 表稳定、 地面残余下沉量小、 残余变形均匀偏小、 地层沉陷固结密实, 这一特点与一般软岩地表移动 规律截然不同, 有利于保护建筑物, 比较适宜地面 建设。 3 基于规模利用的煤层群开采沉陷地区域稳定性 评价与控制技术 目前, 我国对单一地块采动地基稳定性研究较 充分但一般面积较小, 而城市土地规划利用需要对 采煤沉陷地从区域角度进行稳定性评价与分区。 3． 1 多煤层区域性开采特征 针对淮北市主城区东部和西南部主要分布有岱 河、 相城、 朱庄、 杨庄、 双龙 原张庄 等 5 个 煤矿, 可采煤层为 3, 4, 5, 6 煤, 煤矿开采历史 长, 煤层埋藏较浅, 开采面积大, 地表一般都会形 成超充分采动盆地。 区域开采特征主要表现为开采 范围距城市由近到远发展、 煤层分布区由外围向中 心开采、 多煤层集中开采、 多数煤矿进入资源枯竭 残采阶段的区域, 形成了大范围开采稳定区 表 3, 为城市发展创造了条件。 3． 2 区域稳定性评价概念与分区方法 表 3 各阶段采空区投影面积统计 时间段 采空区投影面积/ km2 岱河矿相城矿朱庄矿杨庄矿双龙原张庄矿合计 占规划主城区面积 比例/ 1990 年前9． 384． 908． 8210． 376． 0339． 5014 1991-2000 年12． 606． 2011． 6911． 379． 5851． 4419 2001-2010 年14． 426． 5016． 8220． 6812． 3270． 7426 2010 年后14． 426． 5020． 7123． 0812． 5377． 2428 煤层群开采沉陷地区域性稳定评价是指在城市 建设规模性土地利用的基础上, 将采煤沉陷地按照 稳定程度划分为 3 个分区 见图 2。 图 2 淮北煤炭开采区域性稳定分布 采煤沉陷稳沉区, 煤层已全部开采结束, 95 以上地表已经达到稳定; 采煤沉陷基本稳沉区, 煤 层大部分开采结束 局部正在开采或未开采, 80以上地表已经达到稳定; 煤炭开采区, 主要煤 层正在开采和待开采, 大部分区域地表未达稳定。 3． 3 多煤层开采地表区域稳定控制技术 多煤层开采地表区域稳定控制技术是指将多个 可采煤层统一规划、 分区由上至下集中开采、 缩短 煤层群分煤层单独开采地表沉陷周期。 淮北市主城 区规划用地范围内 3, 4, 5, 6 可采煤层利用该技 术进行了由浅入深分区规划集中开采, 集中开采区 较全井田分层开采地表沉陷稳定时间缩短 5 10a, 为城市向沉陷区发展拓展了空间, 加速了采煤沉陷 区城市建设进程。 3． 4 离层和采空区联合注浆控制地表沉陷技术 在采煤沉陷未稳沉区内, 利用注浆泵为动力 源, 将具有充填胶结性能的浆液, 通过注浆系统, 采用 “下行分段” 注浆方式, 先后注入覆岩内残 余的离层和下部采空区。 在覆岩移动过程中对离层 和采空区联合注浆, 使孔隙得到有效充填, 加快了 采空区稳定, 缩短了沉陷区地表稳定时间, 减少了 地表残余变形量, 使地表沉陷得到有效控制。 4 采煤沉陷区城市建筑群抗变形建设技术体系 目前, 我国采煤沉陷区建筑抗变形技术对中高 层和高层抗变形技术研究的较少, 缺乏规模性与系 统性。 中煤科工集团唐山研究院通过长期深入研究 厚冲积层长壁开采地基 “活化” 机理, 建立了地 基稳定性综合评价模型, 创建了采煤沉陷区城市建 筑群抗变形建设技术体系。 4． 1 厚冲积层长壁开采地基 “活化” 机理 综合探测技术研究表明, 厚冲积层长壁开采地 表移动稳定后, 开采引起的地下空洞、 离层、 裂缝 和垮落带中欠压密、 孔隙中饱水等现象仍长期存 在。 地表新增荷载、 地震活动、 邻区开采、 断层活 化、 地下水动态变化等, 都可能打破原来的应力平 57 李树志 采煤沉陷区城市建设关键技术研究与应用2016 年第 2 期 ChaoXing 衡状态, 使采煤沉陷区 “活化”, 空隙、 裂缝和空 洞的再压密及压密过程中岩块转动和蠕变, 会导致 地表再次出现相对较大的不均匀沉降, 形成地表残 余变形。 4． 2 厚冲积层采动地基稳定性综合评价模型 厚冲积层采动地基 “活化” 是多种因素共同 作用的结果, 考虑冲积层内潜水层厚度、 地表新增 荷载状况、 开采方式、 开采深度与采厚、 开采结束 时间、 煤层倾角、 覆岩岩性、 地质构造等采动地基 稳定性影响因素, 建立采动地基稳定性评价指标体 系, 采用模糊数学理论将主要因素对稳定性影响程 度进行定量化处理, 采用层次分析法确定各指标的 权重, 最终建立了采动地基稳定性综合评价模型。 4． 3 采动区建筑物与地基的应力和位移分布规律 针对淮北矿区地质采矿条件、 采空区地表不同 位置建筑物及各种建筑类型, 采用有限元法深入系 统研究不同条件下建筑物和地基应力、 位移分布规 律, 发现采空区垮落带及开采边界处残余变形大, 应力主要集中在柱、 梁、 基础相互连接处, 建筑物 基底压力在不同沉陷区位置、 基础部位上变化剧 烈, 如图 3 所示。 4． 4 采空区城市建筑群抗变形技术体系 通过多年的采煤沉陷区建筑试验与实践研究, 中煤科工集团唐山研究院创新提出了与工程地质特 图 3 采动区建筑物基底压力变化规律 点、 地质采矿条件、 残余变形量、 回填地基特性相 适应的建筑物高度 低层、 多层、 中高层、 高 层、 体型尺寸、 基础型式、 结构类型等抗变形建 筑结构措施, 创建了采煤沉陷区城市建筑群抗变形 技术体系 见表 4, 在采煤沉陷区内建成了大面 积高层建筑群, 实现了沉陷区建筑以低层、 多层为 主到高层为主的技术突破。 表 4 淮北采煤沉陷区抗变形建筑技术体系 建设场区条件 多层20m 单体长度 基础型式 结构类型 高层60m 单体长度 基础型式 结构类型 高层30m45条基砖混35桩基框架30桩基框剪 冲积层厚度 2 30m35条基砖混30桩基框剪30桩基框剪 基岩25条基砖混30筏板剪力墙30筏板剪力墙 采矿 条件 长壁开采55条基砖混40筏板框架30筏板框剪 房采、 条采、 短壁35条基砖混30筏板框剪不宜不宜不宜 断层20筏板框架不宜不宜不宜不宜不宜不宜 采深 采厚/ m 8040条基砖混35桩筏框剪30桩箱框剪 采空区 位置 中心45条基砖混35桩筏框架30桩箱框剪 边缘处30条基砖混25桩筏框剪采空区处理 残余 变形 W4mm/ m 30筏板框架30箱基剪力墙--- 持力层 矸石45条基砖混------ 粉煤灰--------- 天然地基50条基砖混20筏板剪力墙20筏板剪力墙 注 表中仅为部分层高建筑技术指标, 根据最不利情况确定建筑物结构型式, “-” 表示禁止建筑。 67 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing 5 采煤沉陷区城市建设 研究成果在淮北城市建设发展中得到充分应 用, 完成了 285km2的城市发展规划, 利用采煤沉 陷区 120km2, 其中城市建设用地 60km2。 截至 2014 年底, 主 城 区 采 煤 沉 陷 区 城 市 建 设 面 积 42km2, 占城市建成区面积的 53． 3; 建设多层、 中高层、 高层建筑物面积累计 2． 750107m2; 形成 了大面积城市高层建筑群, 提高了土地容积率, 实 现了土地的节约集约利用、 生态环境的改善和土地 价值的增值。 6 结 论 1 系统研究提出了淮北矿区高潜水位厚冲 积层地质采矿条件下的岩移规律、 残余变形特点及 预测方法, 揭示了高潜水位厚冲积层现代长壁开采 地表移动持续时间短、 下沉值大、 影响范围广的特 点及残余变形均匀偏小的机理, 使得区域性采煤沉 陷区不进行采空区注浆处理, 仅采取抗采动变形建 筑结构措施即可进行高层建筑群建设, 为采煤沉陷 区城市建设提供了技术支撑。 2 提出了基于城市建设规模性土地利用的 煤层群开采沉陷地区域性稳定概念和评价方法, 对 淮北市城区附近 5 个煤矿形成的 120km2采煤沉陷 区进行了区域稳定性评价, 划分为采煤沉陷稳沉 区、 基本稳沉区和开采区, 确定 60km2采煤沉陷 区近期可进行城市建设。 提出了多煤层开采地表区 域稳定控制、 未稳沉区岩层内部离层带与采空区注 浆的地表沉陷控制技术, 加快了采空区稳定, 减少 了地表残余变形, 解决了淮北市城市建设用地瓶颈 制约。 3 根据长期的岩移观测、 采空区建筑物沉 降监测与采动区 “活化” 机理研究, 提出了厚冲 积层长壁开采地基稳定性评价方法与预测参数。 在 多年采煤沉陷区建筑试验与实践研究的基础上, 提 出了与建筑物高度 低层、 多层、 中高层、 高 层、 工程地质特点、 地质采矿条件、 残余变形 量、 回填地基特性相适应的中高层和高层建筑体型 尺寸、 基础型式、 结构类型, 创建了采煤沉陷区城 市建筑群抗变形技术体系, 解决了在采煤沉陷区内 建设大型高层建筑群的抗变形技术难题。 4 采煤沉陷区城市建设提高了土地容积率, 实现了土地节约集约利用, 为矿业城市发展提供广 阔空间, 有效保护耕地, 避免工农矛盾, 对于促进 矿业城市经济转型, 实现城市可持续发展具有非常 重要的意义。 [参考文献] [1] 李树志 ． 我国采煤沉陷土地损毁及其复垦技术现状与展望 [J] ． 煤炭科学技术, 2014, 42 1 93-97． [2] 白国良, 李树志, 高均海 ． 老采动区覆岩裂隙发育特征及活 化机理研究 [J] ． 煤矿开采, 2010, 15 5 11-13． [3] 姜 升, 刘立忠 ． 动态沉陷区建筑复垦技术实践 [J] ． 煤炭 学报, 2009, 34 12 1622-1625． [4] 侯忠杰 ． 对浅埋煤层 “短砌体梁”、 “台阶岩梁” 结构与砌体 梁理论的商榷 [ J] ． 煤炭学报, 2008, 33 11 1201 - 1204． [5] 张玉军, 张华兴, 陈佩佩 ． 覆岩及采动岩体裂隙场分布特征 的可视化探测 [ J] ． 煤炭学报, 2008, 33 11 1216 - 1219． [6] 马金荣, 刘 辉, 季 翔, 等 ． 煤矿废弃采空区建筑场地稳 定性研究 [J] ． 建筑科学, 2006, 22 4 21-24． [7] 王玉标 ． 采空区 “活化” 引起断层构造区高路堤变形失稳演 化分析 [J] ． 岩石力学与工程学报, 2013, 32 S2 3784- 3789． [8] 张玉军 ． 钻孔电视探测技术在煤层覆岩裂隙特征研究中的应 用 [J] ． 煤矿开采, 2011, 16 3 77-80． [责任编辑 徐乃忠] ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 上接 89 页 [2] 耿长江 ． 利用地基 GNSS 数据实时监测电离层延迟理论与方法 研究 [D] ． 武汉 武汉大学, 2011． [3] Hofmann-Wellenhof, B． ,Lichtenegger,H． ,Collins,J． 2001GPS Theory and Practice． fifth ed． ． Springer． 3-211-83534-2． [4] 章红平 ． 基于地基 GPS 的中国区域电离层监测与延迟改正研 究 [D] ． 上海 中国科学院上海天文台, 2006． [5] 李文文, 李 敏, 胡志刚, 等 ． 北斗与 GPS 电离层模型对导 航定位精度的比较分析 [A] ． CSNC2013 第四届中国卫星导 航学术年会 [C] ． 武汉, 2013． [6] 张 强, 赵齐乐, 章红平, 等 ． 北斗卫星导航系统电离层模 型精度的研究 [A] ． CSNC2013 第四届中国卫星导航学术年 会 [C] ． 武汉, 2013． [7] 韦 克 ． 单频 GPS 精密单点定位研究 [D] ． 西安 长安大 学, 2010． [8] 中国卫星导航系统办公室 ．“北斗” 卫星导航系统发展报告 [J] ． 国际太空, 2012 4 6-11． [9] 杨元喜 ． 北斗卫星导航系统的进展、 贡献与挑战 [J] ． 测绘 学报, 2010, 39 1 1-6． [10] 李征航, 张小红 ． 卫星导航新技术及高精度数据处理方法 [M] ． 武汉 武汉大学出版社, 2002． [11] 伍 岳, 黄颜峰, 叶 飞． Trimble Total Control 在长基线数据 处理中的应用 [J] ． 测绘信息与工程, 2011, 36 1 50- 51．[责任编辑 施红霞] 77 李树志 采煤沉陷区城市建设关键技术研究与应用2016 年第 2 期 ChaoXing