非稳沉采煤沉陷区前置式治理技术的实践

张 燕

（长治市煤矿技术服务中心，山西 长治 046000）

山西省沁水煤田长治矿区近年来的大规模开采，导致形成大面积采煤沉陷区，破坏了植被和生态环境，损毁了土地，污染了环境，带来一系列环境和社会问题。因此积极探索采煤沉陷地治理模式，可使治理后的采煤沉陷地获得较好的生态、社会、经济效益，意义重大。长治矿区对于稳沉采煤沉陷区的治理较多，而未稳沉区域由于长期处于持续下沉阶段，几乎没有进行治理。针对这一情况，长治市煤矿技术服务中心提出非稳沉沉陷区前置式治理的超前治理模式[1-2]，并对该种模式的基本技术要求和注意事项进行了探讨。该治理模式在长治市常村煤矿进行了实践应用，效果显著。

1 概况

1.1 采煤沉陷地基本情况

山西长治矿区含煤面积1 781.3 km2，境内已累计探明煤炭资源量341.8×108t，目前有煤炭矿山30多个，煤炭年产量8000×108t。当前随着煤炭资源的进一步开发，资源与环境问题愈来愈突出。长治矿区主采煤层3～6层，可采厚度一般为2～13 m，由于全部为地下开采，所造成的主要问题是采煤沉陷对土地资源的破坏。据统计，截至2020年12月，矿区累计沉陷土地可达72 000 hm2，且每年以近2500 hm2的速度递增。矿区现有沉陷区35处，其中2 m以下浅层沉陷区约占1/3。地面沉陷破坏了地表植被，改变了土地用途，使大片沉陷的土地无法耕种，河流被迫改道，地面建筑被毁，交通中断，很多原先人烟稠密的村庄沉陷成为大水面，生态失衡遭到严重破坏。

1.2 当前治理模式存在的问题分析

长治矿区从2000年开始对采煤沉陷地进行治理，已累计治理采煤沉陷地面积2 735.7 hm2，治理率达38%，但存在的问题也较多。在长治矿区沉陷72 000 hm2的土地中，未稳沉区达2 845.32 hm2。未稳沉沉陷区地层尚不稳定，且受继续沉陷的影响，基本没有进行大规模的工程建设修复，主要进行非正规生态修复以及发展水产、水禽养殖等短期养殖业。目前，国内一般采用破坏后再治理的传统治理模式，这种治理模式存在着以下主要问题：

（1）在沉陷过程中（2年以上）土地资源不能有效利用。

（2）在长期沉陷过程中，沉陷区土地荒凉，植被杂生，出现乱种、乱建、乱倒等现象，环境受到破坏，给后期治理工作带来严重阻碍。

（3）大规模沉陷后的土壤资源，在土地平整、挖深垫浅等治理工程中，重新搬运增加成本。

（4）由于沉陷地下沉积水，在治理过程中耕作层难以保护和利用。

2 采煤沉陷区前置式治理模式分析

2.1 前置式治理模式

采煤沉陷区前置式治理是指在采煤区域沉陷下沉量科学预测的基础上，采用挖深垫浅等工程手段对即将沉陷或正在沉陷的区域进行超前治理的一种治理方式。

2.2 技术优势分析

采煤沉陷区前置式治理模式的主要技术优势有以下几点：

（1）有效保护耕作层，保障耕地质量。在治理工程区域有利于取出耕作层，集中堆放备用。耕作层保护虽然增加了部分治理费用，但能有效提高土地质量，提高作物生长水平，也使矿山企业减少了肥力补偿费。

（2）可以进行大规模机械化作业，降低治理成本。据初步估算，与后置式治理相比，前置式治理可以降低治理土方工程费用的30%～40%，且工期可以减少2/3，也降低了工人的劳动强度，效率大幅度提高。

（3）可以有效提高土地利用效率。采用后置式治理，一般需要在治理单元所有煤层全部采完稳沉后方可治理。单一煤层需要2～3年时间，在多层煤区域，有的需要10年以上时间，在首层煤开采后，沉陷的土地即处于荒芜的状态。前置式治理仅在治理过程中不能利用，治理后土地即可利用。

（4）可以有效保护土壤资源。后置式治理难以利用深部沉陷区土壤资源，前置式治理将预测的深层沉陷区土壤资源提前运出回填浅层沉陷区，使深层沉陷区的土壤有效利用。

（5）可进行大手笔规划。后置式治理时沉陷区环境严重破坏，深浅不一，一般只能因地制宜进行治理。前置式治理时，治理区地质环境简单，可根据发展所需进行大手笔规划，综合治理，高效利用采煤沉陷区。

2.3 技术要求

前置式治理的基本步骤为：煤矿开采资料收集→地表现状地形测量→下沉量预测→治理规划→标高设计→表土层剥离→挖填方→表土层覆盖→高程复测→后续工程。在治理过程中要把握好以下关键点。

（1）准确预测沉陷等值线。充分掌握开采区域煤层层数、产状、采厚、埋深、上覆岩性以及开采布局、开采时序，根据长治矿区地表移动规律研究成果，建立数学模型，采取概率积分预计方法进行地表移动变形预计，科学选取预测参数，采用矿区开采沉陷预测预报系统计算地表移动数值，确保沉降预测的可靠性。

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（2）科学确定两个标高，即填方区回填标高和挖方区底板标高。根据沉陷区综合利用规划，科学确定设计标高，厘清下沉值、现状标高、同填厚度、稳沉后标高之间的关系，充分考虑同填土松散系数等数值，确保沉陷稳沉后达到一次性治理目的。

（3）平衡挖填方量。挖方、填方是工程治理的主要部分，土方量的计算直接关系到工程造价。一般要求，独立区域工程的挖、填方量需大体平衡，以缩短运输距离和节省工程费用。

（4）正确把握好沉陷时序与治理时序接点。充分了解拟治理区域煤层赋存状况，掌握矿山开采计划及该区域同采时间和次序，科学预测地表沉陷时间。治理结束时间一般不超过开始沉陷时间的2年。

（5）保护好耕作层。在治理前，选定合适的区域堆放耕作土。治理时，首先剥离耕作土，一般剥离厚度在0.3～0.5 m。

3 前置式治理模式实践应用

3.1 工程概况

长治矿区常村煤矿采煤沉陷区达2 655.4 hm2，治理区位于常村煤矿3、4、5、6四个煤层开采区域，地表全部受到采动影响，处于不均匀下沉、局部沉陷积水状态，严重影响城市景观。由于大部分区域需3～10年才能趋于稳沉，根据城市发展控制性规划，决定采取超前治理措施，合理利用土地和水域资源。

3.2 治理措施

常村煤矿非稳沉采煤沉陷区前置式治理措施如下。

采用中国矿业大学开采损害及防护研究所研制的矿区开采沉陷预测预报系统，对今后由于老采空区岩石固结引起地表残余移动变形情况以及今后矿区开采回收将来形成的采空区进行了预计，稳沉后区域残余+未采煤层下沉量最大下沉有6 m之多。

3.2.2 设计原则

根据最终下沉量预测结果，结合长治矿区矿山地质环境治理规划、采煤沉陷区土地综合整治规划、土地利用总体规划和城市总体规划，本着宜水则水、宜林则林、宜建则建的原则，科学控制标高，将该区域分为两个施工区（I区、Ⅱ区），已稳沉区域恢复为建设用地，非稳沉区域主要恢复为公园、绿地与湖泊水面，局部地块恢复为建设用地。

3.2.3 非稳沉区域前置式治理措施

（1）建设用地、公园与绿地控制标高的确定。已稳沉区域标高设计参照原地面标高确定，未稳沉区域标高设计按预测沉陷等值线和原地面标高共同确定。根据预测等值线和现状标高，填方为城镇建设用地标高的海东路以南I区I1-1、Ⅱ区Ⅱ1-1地块，地块填方标高为+33.0 m，龙山路以东I区I1-3地块填方标高为+32.5 m。填方为公园与绿地标高的淮海东路以南I区I2-1地块，填方标高为+32.5～+33.0 m，人民路以北Ⅱ区Ⅱ2-1地块预测沉陷最深，设计标高确定为+ 36.0 m，最终稳沉标高为32.5 m。填方厚度按区块沉陷等值线确定，原则上塌多少填多少，一般为1.0～6.5 m。

（2）表土“剥离还原”治理措施。在区域内无积水浅表沉陷的旱地沉陷区，地貌变化不大，下沉程度较浅的区域，在对表土进行剥离后，利用机械进行推高垫低，修平复整后表土还原，并改进水利条件，恢复为公园、绿地。

（3）“挖深垫浅”治理措施。对于沉陷区凹凸不平、深浅不一的区域，在设计基础上进行机械施工，挖深垫浅，在呈现区的深部取土填在浅部，浅部平整为建设用地，深部恢复为湖泊水面。

3.2.4 水面标高设计和土方平衡

（1）水面标高设计。按设计水域预测沉陷等值线和现状标高，结合长治矿区周边水库和附近河流的常年水位、洪水位标高以及淮水北调、水域库容的要求，确定治理区水面设计标高为+ 30.5 m，最深水底设计标高为+25 m。

（2）土方平衡。对建设用地、公园与绿地区域进行表土剥离，设计剥离表土121.22×104m3，并对公园与绿地治理后进行表土覆盖。项目区挖方量2 398.22×104m3，填方量2 395.45×104m3，余土方量主要堆放于I1-2区粉煤灰堆场内。

3.3 效果分析

常村煤矿非稳沉采煤沉陷区，充分利用沉陷土地和水资源，治理成了公园、绿地与湖泊水面的生态环境，形成了农业、休闲、旅游于一体的生态公园体验园区，促进了当地沉陷区生态改善和产业结构转型升级。

4 结论

采煤沉陷区前置式治理模式是在各地稳沉区域成熟治理经验的基础上提出的一种全新的治理模式，是值得继续探索实践的一种沉陷地治理模式。长治矿区在不断的探索中初步掌握了技术要领，该前置式治理模式在常村煤矿中进行了运用，取得了一定成效，下一步可进行全面推广应用。