淮北市朱莊-楊莊礦城中采煤沉陷區(qū)環(huán)境巖土工程問題與市政空間綜合利用分析

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

1 引言

城市大量的采煤沉陷區(qū)制約了城市的擴張與轉(zhuǎn)型發(fā)展，沉陷區(qū)的治理需要整體推進才經(jīng)濟合理。采煤塌陷區(qū)的穩(wěn)沉并不是接下來不發(fā)生沉降，會在較長的一段時間內(nèi)持續(xù)緩慢地發(fā)生自然壓實過程，經(jīng)過自然壓實之后，其剩余的沉陷空間將會變得很小，但并不意味著塌陷治理區(qū)完全進入穩(wěn)定狀態(tài)，采空區(qū)與上覆巖體中仍然存在一部分殘留空間，為此地表依舊會持續(xù)一段時間發(fā)生沉降，并且在相應環(huán)境條件下仍會產(chǎn)生老采空區(qū)“活化”現(xiàn)象，當殘余沉降區(qū)實現(xiàn)完全沉實，該治理區(qū)才能完全穩(wěn)定。為此，徐淮地區(qū)首次開發(fā)的沉陷區(qū)“超前式治理模式”，采取“補償設計”的方法有效解決了項目治理設計難題，應用工程項目實體并取得成功。超前治理模式已經(jīng)為政府管理部門、礦山企業(yè)所廣泛接受[1-3]。

2 區(qū)域環(huán)境及礦山開采情況

2.1 區(qū)域環(huán)境

淮北市地形特征總體上呈現(xiàn)出西南低東北高趨勢，除烈山、相山、青龍山、老龍脊等地為丘陵地帶，呈現(xiàn)北北東方向展布。老龍脊最高，高程為362.9m；相山海拔高程約在343m，青龍山海拔高程約130m。其余地形特征大多為平原地區(qū)，平坦開闊，高程在22.5～37.0m，地形坡降范圍在1/5000至1/8000之間。區(qū)內(nèi)無丘陵山地，多為采煤沉陷區(qū)，多年來，因采煤塌陷，地表下沉、起伏不平，形成多個深度不一的塌陷積水區(qū)。

研究區(qū)域位于淮北沖積平原區(qū)北部。區(qū)內(nèi)標高28.5～35m，整個地形由北向南微傾。地貌屬泛濫坡平地，微地貌發(fā)育有泛濫高地、扇間洼地、泛濫坡平地等，全新統(tǒng)松散沉積物廣泛分布，屬沖積堆積地貌成因類型；受煤礦采空塌陷影響，地表下沉，并形成串珠狀湖泊“東湖”“中湖”和“南湖”等，呈北東-南西方向斜列于市區(qū)中部。

研究治理區(qū)土壤類型主要為黃潮土，土層厚度較深，土壤保肥與保水性能較好，適合于耕作。研究區(qū)域植被屬華北植物區(qū)系，為暖溫帶落葉林帶，主要有柳樹、松樹、白楊樹、節(jié)節(jié)草、茅草、蘆葦?shù)萚2]。

2.2 礦山開采情況

朱莊礦和楊莊礦兩個煤礦均采用井工開采的方式，兩個礦區(qū)主要分布在淮北市區(qū)東部位置，位于淮北城區(qū)建設規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi)。兩個煤礦的開采方式都為走向長壁式開采，采用全部垮落法頂板管理。

2.2.1 朱莊煤礦

朱莊煤礦權(quán)屬于淮北礦業(yè)集團有限公司管轄，地理位置在淮北老城區(qū)中心向東大概10km處，于1959年10月份開工建設，1961年10月份投入使用。開拓方式為立井、暗斜井分水平聯(lián)合開拓方式，如圖1所示。礦井開采方式：分區(qū)前進、區(qū)內(nèi)后退；主要選取走向長壁分層的開采方法。采空區(qū)處理采用全部垮落法，局部頂板緩慢下沉。

圖1 朱莊煤礦開拓平面圖

2.2.2 楊莊煤礦

楊莊煤礦位于淮北市老城區(qū)中心以南約8km處，1962年開始建井，1966年投產(chǎn)，1970年達產(chǎn)。開拓方式為立井、暗斜井分水平聯(lián)合開拓方式，如圖2所示。礦區(qū)原有主井、副井、西風井、東風井各一個，以后隨生產(chǎn)需要，又開鑿新副井、東二風井、西二風井、土型風井和西風井各一個，礦井為豎井多水平聯(lián)合式開采[2]。

圖2 楊莊煤礦開拓平面圖

3 環(huán)境巖土工程問題分析

研究區(qū)域地處淮北平原中部，區(qū)內(nèi)地勢平坦，土地肥沃，村莊人口密集，地表潛水水位較高，主要環(huán)境巖土工程問題為地面塌陷。因受到地下開采活動的影響，大量的居住房屋出現(xiàn)開裂倒塌現(xiàn)象、優(yōu)質(zhì)耕作用地發(fā)生沉陷，地表水系及交通道路遭受破壞。受地面沉降的影響，水土流失嚴重，加之煤礦廢渣、廢氣、廢水的“三廢”大量排放，使礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境急劇惡化，給群眾的生產(chǎn)和生活帶來了極大的負面影響，工業(yè)建設用地與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地矛盾日漸突出，嚴重影響了當?shù)厣鐣徒?jīng)濟的快速發(fā)展。因此，礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的恢復和治理迫在眉睫并可以得到實行[2]。

3.1 地表不均勻塌陷

自1950年開始，采煤治理區(qū)就已初步出現(xiàn)采空塌陷并初具一定規(guī)模，當時由于受開采技術(shù)能力及裝備的限制，塌陷區(qū)域面積增長較緩，自進入1980年開始，隨著煤炭開采技術(shù)裝備改進及產(chǎn)量的提升，開采活動逐漸進入鼎盛階段，煤炭資源開采數(shù)量逐年增加，致使沉陷區(qū)面積增長迅速。塌陷區(qū)域深度在0.3～5m，塌陷區(qū)深度達1m及以上的沉陷面積約127.0hm2，塌陷區(qū)深度在3m及以上的沉陷面積約37.0hm2，塌陷區(qū)深度在4m及以上的沉陷面積約12.6hm2，塌陷區(qū)深度在5m及以上的沉陷面積約1.3hm2。隨著沉陷區(qū)面積的增大，相互銜接已成片成湖。由于土地的塌陷已改變了原有的使用功能，喪失了其原有的使用價值。由于采礦塌陷，致使大量的農(nóng)民失去了原有的土地，而且居住房屋出現(xiàn)開裂，村民的日常生活及耕作條件急劇惡化。礦山開采企業(yè)同樣為解決好這些艱巨的矛盾也付出了大量的物力、人力與財力，承擔了巨大的經(jīng)濟代價[4]。

3.2 水資源平衡受到破壞

礦山開采活動對水資源具有較大的破壞作用，主要是因為開采活動需要抽排大量的地下水，致使開采區(qū)域內(nèi)地下水流動方向與地下水平衡遭到改變，導致地下水水位升降較為頻繁，水力坡度急劇變陡，逐漸形成開采與疏干漏斗區(qū)。在主要以礦坑抽排水的方式致使地下水平衡受到破壞的采煤礦區(qū)，礦山所處位置的區(qū)域水文地質(zhì)條件是該區(qū)域地下水降落漏斗影響范圍主要受控因素，由于裂隙發(fā)育程度、膠結(jié)程度和覆巖結(jié)構(gòu)上存在差異，其含水特征在垂向及水平方向分布上均呈現(xiàn)不均勻性，因此導致地下水位影響范圍及下降幅度差別較大。在以裂縫及覆巖塌陷導致的地下水平衡系統(tǒng)損毀的采礦區(qū)，地下水降落漏斗影響區(qū)域均要大于地表沉陷面積，一般在5.0～20.0km2不等。

3.3 生態(tài)環(huán)境破壞

由于采煤活動導致地表出現(xiàn)塌陷致使地表標高降低，地下水逐漸滲出地表面，形成沼澤地和低洼積水坑，導致優(yōu)質(zhì)耕田逐漸變成大片水域，帶來農(nóng)作物停產(chǎn)絕產(chǎn)。沉陷區(qū)地表植被等生態(tài)環(huán)境遭到破壞嚴重，致使區(qū)域出現(xiàn)水土流失及土地荒漠化現(xiàn)象，破壞了該區(qū)域的生態(tài)平衡系統(tǒng)。同時，伴隨著礦產(chǎn)的開采，開采區(qū)內(nèi)堆放了大量的電廠粉煤灰，占據(jù)了大量土地面積，致使區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物遭到破壞，而且受雨水影響，粉煤灰被沖刷淋濾，致使含重金屬離子及有害物質(zhì)廢水大量流入周邊環(huán)境，廢水主要以硫化物、懸浮物、氟化物、硫酸鹽等為主，這些含有害物質(zhì)的廢水，未經(jīng)專業(yè)手段處理便直接排入周邊環(huán)境，致使地下水、地表水及周圍土地受到污染，并進一步致使農(nóng)田作物受到污染，導致農(nóng)田作物及周邊生物植被的生長受到破壞，破壞周邊生態(tài)環(huán)境[5-6]。

3.4 河堤防洪能力下降

采煤沉陷不但會破壞周邊環(huán)境還導致了治理區(qū)域自然河流的堤頂高程降低、河道發(fā)生變遷。轄區(qū)內(nèi)岱河堤頂?shù)臉烁咂毡榻档?～3m，致使河道堤壩的防洪能力急劇下降甚至喪失，河流的部分河段同塌陷區(qū)水域連成一片，防洪安全形勢變得較為嚴峻。同時，煤炭開采和衍生出的產(chǎn)業(yè)如矸石發(fā)電業(yè)、焦化、洗選等，同樣給城市環(huán)境帶來較為嚴重的污染尤其是對地表水環(huán)境的污染，其主要的污染指標為化學需氧量和總磷，沉陷區(qū)水質(zhì)標準為Ⅴ類，此類水一般適用于農(nóng)業(yè)灌溉用水和景觀用水。

4 市政空間綜合利用分析

4.1 市政空間綜合治理利用原則

①統(tǒng)一協(xié)調(diào)原則?；謴偷牡仡惻c各類規(guī)劃基本統(tǒng)一，使其與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)一致。

②資源化原則。使煤礦開采破壞的耕地、水域等，通過填方、挖方等工程手段進行綜合治理，最大限度地恢復土地資源功能。

③因地制宜的原則。結(jié)合市政、水利、園林等建設工程，宜建則建、宜林則林、宜水則水。把地處城市規(guī)劃區(qū)中的的采空塌陷穩(wěn)沉區(qū)治理恢復為城鎮(zhèn)住宅用地、廣場用地，非穩(wěn)沉區(qū)治理恢復為綠地和水域。使其發(fā)揮最大的經(jīng)濟效益。

④科學化原則。使其工程布局科學合理，技術(shù)可行，經(jīng)濟合理，易于施工。運用“挖深墊淺”成熟治理經(jīng)驗對塌陷穩(wěn)沉區(qū)進行治理，采用“超前治理”模式對非穩(wěn)沉區(qū)進行治理。做到“區(qū)內(nèi)土方平衡”，避免土方遠距離運輸。

⑤經(jīng)濟效益服從社會效益和環(huán)境效益的原則。以社會效益、環(huán)境效益優(yōu)先，并盡可能做到社會效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟效益相協(xié)調(diào)。

4.2 市政空間綜合治理利用目標

①通過礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)綜合治理，消除礦山開采遺留的地質(zhì)災害隱患、解決礦山安全問題，使治理區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到徹底改善，變成以水、林、休閑、居住為特征，植被覆蓋率高的生態(tài)區(qū)。為最終打造成以城市綠心為主題，以科學研究、生態(tài)修復、文化創(chuàng)意、資源保護、旅游休閑為整體的城市中央公園提供支撐。

②通過對采煤沉陷區(qū)進行超前治理，最大限度地利用沉陷區(qū)尚未穩(wěn)沉的土地，充分發(fā)揮其土地資源的生產(chǎn)潛力，使廢棄土地重新得到利用。采用挖深墊淺、造湖和造地相結(jié)合工程措施，形成城鎮(zhèn)住宅、商業(yè)、綠地、水域、道路等城市用地，優(yōu)化和提升土地利用結(jié)構(gòu)，區(qū)內(nèi)各項基礎設施得到完善，使土地價值重新得到提升，為城市發(fā)展和礦區(qū)轉(zhuǎn)型提供新的經(jīng)濟增長點和動力源。

③通過治理，新增的景觀水域儲存的水資源，可以為淮水北調(diào)提供蓄水庫容，有利于緩解淮北市水資源供需緊張的局面，為本治理區(qū)的工業(yè)發(fā)展打造優(yōu)質(zhì)的社會環(huán)境，從而實現(xiàn)社會及經(jīng)濟效益共贏的目標。

4.3 市政空間綜合治理利用重難點分析

①治理區(qū)域廣，統(tǒng)籌規(guī)劃難度大。項目治理區(qū)域總面積近2000hm2（3萬畝），既要基于海綿城市理念整合“水底管線、水面綠植、水上路網(wǎng)”三層立體空間，又要因地制宜布設“湖、管、閘、島、路、橋、園、林、亭、樓、廣場”人居生態(tài)層面，并充分考慮沉陷區(qū)地質(zhì)、規(guī)模、深淺度、文化背景及城市整體布局，統(tǒng)籌規(guī)劃難度大。

②工程涉及方面繁雜，多方溝通協(xié)調(diào)難度大。項目實施過程既涉及社區(qū)群眾、鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府、礦山企業(yè)，又與區(qū)域內(nèi)市政道路、淮水北調(diào)、城市開發(fā)建設等息息相關，多方溝通協(xié)調(diào)難度大。

③實施內(nèi)容豐富，綜合治理任務重。既要分區(qū)采取“挖深墊淺，挖湖造地”，又要在科學預測未穩(wěn)沉區(qū)域未來塌陷尺度的基礎上，通過提前挖出表土、預留塌陷標高等方式進行超前治理，又要實現(xiàn)“田成方、路相通、林成片、溝成網(wǎng)、湖相連”，綜合治理任務重。

④建設目標高，施工技術(shù)要求先進。既要改良土壤，又要凈化水系、保護水體，同時消除沉陷區(qū)較大空隙，提高環(huán)湖道路、島嶼區(qū)域地基承載力和穩(wěn)定性，施工技術(shù)要求高。

相關關系分為正相關、負相關和零相關.正相關指兩個變量的變化方向相同；負相關指兩個變量的變化方向相反；零相關指兩個變量之間沒有相關.

4.4 市政空間綜合治理利用方法

4.4.1 礦山地質(zhì)環(huán)境生態(tài)綜合治理

①對采礦治理區(qū)地質(zhì)條件現(xiàn)狀展開詳細的地質(zhì)情況調(diào)查，具體包括地形測繪、資料收集及環(huán)境地質(zhì)條件調(diào)查等。調(diào)查礦山地質(zhì)環(huán)境問題的類型、規(guī)模、危害程度及其主要影響因素，分析區(qū)內(nèi)采煤塌陷水塘的水深、淤泥厚度、塌陷面積以及塌陷發(fā)展趨勢等；并根據(jù)未來塌陷發(fā)展趨勢，確定科學合理的治理技術(shù)方案。

②采取排水、挖方、填方、護坡等有效的工程措施，因地制宜地將沉陷區(qū)土地恢復為城鎮(zhèn)住宅用地、商業(yè)用地、綠地用地、水域用地、道路用地、娛樂康體用地、加油加氣站用地、防護綠地、廣場用地、供水用地等其他用地。

③設置長期有效的監(jiān)測網(wǎng)點，開展采礦治理區(qū)的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測及過程治理效果的評估。

4.4.2 市政景觀園林工程建設

①以“突出展現(xiàn)植被群落生態(tài)功能”“適地適樹”“展現(xiàn)區(qū)域標識特色”的理念原則為方向，采取落葉樹種和常綠樹種進行搭配，把鄉(xiāng)土植被作為基調(diào)骨干樹種，之間大面積穿插種植各式各樣的花和樹木，與湖面和綠道等景觀遙相呼應。

③按照生態(tài)多樣性的原則，在通過人工對植被群落的優(yōu)化配置上達到植被生態(tài)環(huán)境要求的同時，兼顧景觀環(huán)境展現(xiàn)效果，形成一連串非常穩(wěn)定的生態(tài)植被群落。

④按照藝術(shù)景觀性的原則，遵循建造園林藝術(shù)的基本條件，既要關注重點突出植被的個體美和群體組合美，又要關注整體的協(xié)調(diào)，主要為植物群落和其他構(gòu)景要素的協(xié)調(diào)，采取搭配不同形狀的喬灌草，打造出優(yōu)美的林冠線和錯落有致的游客觀光體驗。

5 結(jié)語

以淮北市朱莊-楊莊礦城中高潛水位采煤沉陷區(qū)為研究對象，通過從地表不均勻塌陷、水資源平衡破壞、生態(tài)環(huán)境破壞與河堤防洪能力下降等方面對采空區(qū)環(huán)境巖土工程問題進行了分析，結(jié)合城中采空區(qū)治理需要遵循的市政空間綜合治理利用原則，針對性地分析了治理目標、治理工作重難點與治理方法，為兩淮地區(qū)及其他類似高潛水位的采煤沉陷區(qū)生態(tài)綜合治理提供參考。