陳利生 李學(xué)良

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

采煤塌陷區(qū)煤矸石回填復(fù)墾技術(shù)

陳利生 李學(xué)良

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

利用廢棄煤矸石回填采煤塌陷區(qū)建筑用地，是一條礦區(qū)綜合治理的有效途徑，既減輕了煤矸石對環(huán)境的污染，又降低了地基建設(shè)成本。運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)與工程實(shí)踐相結(jié)合的方法，對煤矸石的物化性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、工程性質(zhì)等進(jìn)行研究分析，初步建立了煤矸石回填建筑用地可行性分析、復(fù)墾場地選址、復(fù)墾場地規(guī)劃、回填標(biāo)高與覆土厚度確定、回填地基處理、復(fù)墾分區(qū)與施工、地基承載力檢測等一套完整的復(fù)墾體系。結(jié)果表明：在進(jìn)行矸石回填地基處理時(shí)，宜選擇已經(jīng)穩(wěn)沉的區(qū)域，避免二次變形對地基穩(wěn)定性的影響；對項(xiàng)目區(qū)分區(qū)、分塊進(jìn)行施工，提高矸石利用率；在地基處理時(shí)，采用分層回填、多次振壓處理的方法，經(jīng)振動壓實(shí)處理后，煤矸石地基的承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然土地基，完全能夠滿足建筑工程需要。

采煤沉陷區(qū) 煤矸石 地基處理 施工工藝 承載力測試

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，土地供應(yīng)變得越來越緊張，尤其是對于土地本來就偏少的南部地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展占用了大量的土地，甚至耕地也用于發(fā)展工業(yè)。由于開采造成的塌陷地區(qū)并沒有得到充分的利用，在目前的經(jīng)濟(jì)形式下，合理利用采煤塌陷區(qū)土地不但能從很大程度上緩解土地供不應(yīng)求的現(xiàn)狀，而且能減少耕地的進(jìn)一步損失，從而為企業(yè)帶來了經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。此外，在當(dāng)復(fù)墾方向?yàn)榻ㄖ玫貢r(shí)，可以將煤矸石作為回填地基的原材料，消耗大量的煤矸石，不僅可以消除其對環(huán)境的污染，也能為煤礦減輕了矸石處理的負(fù)擔(dān)。利用煤矸石回填采煤沉陷地作為建筑地基在我國一些地方已得到應(yīng)用，在煤矸石的物理力學(xué)性質(zhì)、工程性質(zhì)、回填處理技術(shù)以及建筑技術(shù)等方面的研究已取得了較多成果[4-5]，但在深入的理論研究方面和具體實(shí)施細(xì)節(jié)方面仍然存在一定的不足。本研究結(jié)合工程實(shí)例對采煤塌陷區(qū)矸石回填建筑用地的復(fù)墾技術(shù)進(jìn)行探討分析。

1 工程概況

孟莊煤礦位于安徽省蕭縣境內(nèi)，隸屬于皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，礦井采用斜井開拓方式，分4個(gè)水平開采，第一～第四水平標(biāo)高分別為-200 m，-300 m，-450 m，-760 m。開采方式為多煤層聯(lián)合開采，工作面采用走向長壁、全部垮落法回采，回采工藝為炮采及高檔普采。

區(qū)內(nèi)地層自下而上分別為奧陶系、石炭系、二疊系及其上覆第四系沖積層，總厚度約1 036.82 m，其中第四系厚23.85～52.44 m，平均厚度41.53 m。巖性主要由黃褐色粉砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土組成，局部夾薄層粉砂及細(xì)砂。井田位于閘河復(fù)式向斜北部，為一單斜構(gòu)造，次級褶皺發(fā)育，有施莊向斜、王梁背斜等，巖漿活動較強(qiáng)。礦井水文地質(zhì)條件屬于中等類型。

擬搬遷的2個(gè)村莊位于孟莊煤礦井田的中部，礦井工業(yè)廣場東南部約2.0 km處，占地面積合計(jì)約17 hm2(256畝)，人口合計(jì)約100戶、300余人。2個(gè)村莊房屋結(jié)構(gòu)類型主要為磚石結(jié)構(gòu)和土坯結(jié)構(gòu)，建筑面積合計(jì)2.1萬m2。受孟莊煤礦31和41采區(qū)煤層開采影響，這2個(gè)村莊采取異地搬遷安置措施。村莊新址位于孟莊煤礦礦井4采區(qū)采煤塌陷區(qū)的上方，地基采用矸石回填地基處理技術(shù)。

2 煤矸石回填復(fù)墾建筑地基可行性分析

我國對煤矸石在工程實(shí)踐方面的利用進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，在淮北、開灤、徐州、鐵法、本溪、撫順等礦區(qū)積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上對研究成果進(jìn)行了大力推廣，尤其是近些年來，基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展使得煤矸石用于了公路、鐵路和工業(yè)地基等方面[6-8]，同時(shí)對各個(gè)應(yīng)用中煤矸石的工程試驗(yàn)也廣泛展開。試驗(yàn)研究與工程實(shí)踐證明，在施工合理的情況下，選擇合適的煤矸石回填公路、鐵路、建筑地基是充分可行的。

通過對項(xiàng)目區(qū)煤矸石組成、物化特性、工程特性的試驗(yàn)研究可知，孟莊礦的煤矸石巖石類型以砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖、細(xì)砂巖為主；通過抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，煤矸石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度均不小于20 MPa，除少數(shù)較軟巖石外，多數(shù)為較硬巖石，適宜作為復(fù)墾建筑用地地基充填材料；通過野外滲透試驗(yàn)可知，自然堆積條件下的煤矸石滲透系數(shù)較大，變化介于10-2～10-1cm/s量級，透水性能良好，均屬于強(qiáng)透水材料；通過室內(nèi)加壓滲透試驗(yàn)表明，煤矸石的滲透系數(shù)隨固結(jié)應(yīng)力的增加而降低的特性，有利于工程應(yīng)用，適宜用作復(fù)墾建筑用地地基材料。

3 矸石回填建設(shè)場地規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 復(fù)墾區(qū)選址和規(guī)劃原則

在復(fù)墾區(qū)選址與規(guī)劃時(shí)，優(yōu)先考慮與原村址較近且交通便利的地方，要盡量不占或少占耕地，充分利用采煤塌陷區(qū)上方的土地資源。在采煤沉陷區(qū)復(fù)墾建筑用地，復(fù)墾建筑場地宜選在穩(wěn)沉區(qū)，避免較大程度的的二次變形對新建建筑物造成破壞[9-11]。首先，村址盡量選擇在沉陷量小，地勢較高區(qū)域，目的是減少回填工程量，降低工程投資；其次，從施工便利的角度出發(fā)，將回填區(qū)按區(qū)劃分，綜合考慮各分區(qū)的回填工程，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)有利于施工的工藝流程。

3.2 復(fù)墾建設(shè)場地的選擇

根據(jù)上述原則，結(jié)合孟莊煤礦礦井開采規(guī)劃，考慮沉陷區(qū)現(xiàn)狀及待搬遷村莊實(shí)際情況，綜合確定村莊新址位于孟莊煤礦礦井4采區(qū)采煤塌陷穩(wěn)沉區(qū)的上方，新村址位于蕭縣龍城鎮(zhèn)邵莊村以東，北鄰蕭桃路，東界蕭吳公路，占地面積約17 hm2。

新址井下涉及區(qū)域?yàn)榈V井4采區(qū)，井下從1980—2003年先后開采過3煤層、41煤層、42煤層3個(gè)煤層，采深58.0～500.0 m，采厚3.0～4.5 m。經(jīng)礦方監(jiān)測資料可知，該區(qū)目前已基本達(dá)到穩(wěn)沉狀態(tài)，但其下部涉及多個(gè)采空區(qū)，在建筑荷載以及其他外界因素的影響下，仍可能會產(chǎn)生一定程度的殘余沉降。

3.3 新村建筑規(guī)劃

新址規(guī)劃住宅設(shè)計(jì)為2層樓房，坡屋頂，磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)類型一般為淺埋條形基礎(chǔ)。建筑布局采用單體聯(lián)排式布局，使規(guī)劃區(qū)整齊、規(guī)整。相鄰住戶共用山墻，房屋單排每隔30 m留設(shè)1條20 cm的沉降縫，房屋自然間標(biāo)準(zhǔn)為3.3 m×9.0 m。規(guī)劃區(qū)內(nèi)南北向道路中心線位置可根據(jù)房屋布局情況進(jìn)行左右微調(diào)。

4 煤矸石回填地基復(fù)墾工藝

該工程以復(fù)墾村莊搬遷用地為目標(biāo)，回填物料主要為孟莊礦矸石山的煤矸石以及外運(yùn)而來的山皮石，在回填地基表層覆蓋一定厚度的土層。復(fù)墾工程以復(fù)墾建筑用地為主，適當(dāng)復(fù)墾一定數(shù)量的養(yǎng)殖用地。

4.1 回填標(biāo)高與覆土層厚度確定

回填標(biāo)高是本工程的一個(gè)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)?；靥顦?biāo)高的確定主要是考慮以下幾個(gè)因素：第一，回填區(qū)四周的高程和排水能力；第二，是否在雨季會造成村內(nèi)排水不便引起積水；第三，保證魚塘內(nèi)水深要大于1.5 m。綜合以上因素最終確定本次回填區(qū)域的標(biāo)高為+35.5 m。

煤矸石充填搬遷村區(qū)地表覆土厚度0.3～0.5 m。

4.2 回填地基處理技術(shù)

國內(nèi)外很多資料證明，自然回填未經(jīng)壓實(shí)處理的煤矸石沉縮量很大，在未經(jīng)處理的煤矸石回填層上建造的建筑物會因地基不均勻沉降而產(chǎn)生破壞。所以，自然回填的煤矸石必須經(jīng)過壓實(shí)處理，才能在其上建造建筑物。

充填煤矸石地基的處理方法主要為強(qiáng)夯法、分層振動壓實(shí)法和灌漿法。強(qiáng)夯法用于處理一次充填全厚的煤矸石地基，其壓實(shí)深度可達(dá)5～10 m。分層振動壓實(shí)法對大面積分層回填的煤矸石墊層的處理既經(jīng)濟(jì)又合理，壓實(shí)效果理想，它不僅能提高煤矸石層的密實(shí)度和承載力，而且由于分層壓實(shí)大大降低孔隙率，隔絕了空氣，可防止煤矸石地基自燃、風(fēng)化及有害物質(zhì)的析出，近年來該方法被廣泛應(yīng)用。灌漿法在大面積應(yīng)用時(shí)費(fèi)用高，速度慢，加密效果差，只有在強(qiáng)夯法及振動壓實(shí)法不能實(shí)施的情況下采用[12-13]。

新村村址地勢比較平坦，沉陷積水較淺，施工條件較好。為了達(dá)到較好的煤矸石地基壓實(shí)處理效果，為煤矸石地基防自燃處理提供條件，擬建區(qū)煤矸石地基采用分區(qū)分層充填、分層振動壓實(shí)的方法，每道工序完工之后及時(shí)檢查驗(yàn)收，保證地基處理質(zhì)量。

4.3 建筑復(fù)墾分區(qū)與施工

4.3.1 施工分區(qū)

考慮回填復(fù)墾區(qū)的采動波及影響問題以及場地的地形地貌，本復(fù)墾回填工程共劃分為7個(gè)分區(qū)(見圖1所示)，施工結(jié)束后將作為宅基地用于搬遷村莊。其中1～6區(qū)作為建筑用地使用，7區(qū)復(fù)墾方向?yàn)轸~塘。分區(qū)交界處為回填地基的薄弱地帶，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免將重要房屋建在此處。

圖1 復(fù)墾區(qū)分區(qū)示意

4.3.2 施工工藝

本次回填工程采用土與煤矸石分層混和充填，所以施工工藝按這兩類物料設(shè)計(jì)。具體施工工藝流程為：

(1)首先對整個(gè)擬建區(qū)進(jìn)行表面清理，然后實(shí)施表土剝離，最后按回填工程相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行施工。凡屬耕植土應(yīng)予剝離0.4 m厚，堆存于復(fù)墾區(qū)外，拆除的建筑廢墟可回填到擬建區(qū)西南部的幾個(gè)洼坑墊底。

(2)整個(gè)區(qū)域?qū)嵤╉肥瘜雍屯翆臃謱踊靥睿謱訅簩?shí)復(fù)墾，具體回填復(fù)墾工程施工流程：①回填第1分層，回填標(biāo)高為+34.5 m，回填物料為矸石，厚度不超過500 mm。操作步驟為排矸、整平、測量、振壓、檢測，厚度誤差±50 mm；②第1分層回填達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，回填第2分層，第2分層回填標(biāo)高為+35 m，回填物料仍為矸石，層厚500 mm。操作步驟為排矸、整平、測量、振壓、檢測，厚度誤差±50 mm；③第2層回填達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，回填第3分層，第3分層回填標(biāo)高為+35.5 m，回填物料為素填土，將剝離的耕植土用于表土回填，當(dāng)耕植土不夠時(shí)可用非耕植土，層厚500 mm。操作步驟為排土、整平、測量、碾壓、檢測，厚度誤差±50 mm。見圖2所示。

圖2 復(fù)墾區(qū)回填分層示意

4.3.3 矸石充填復(fù)墾工藝

(1)覆土預(yù)取土堆存。在矸石充填區(qū)覆土土方預(yù)取出堆存，取土區(qū)應(yīng)選擇地勢較高的區(qū)域，以保持充矸區(qū)地勢平整，使填矸厚度基本一致，以利于矸石分層回填施工。若充填區(qū)地表有腐殖土，要將其剝離堆存于土場，做表層覆土之用。

(2)矸石分層回填、分層振動壓實(shí)。擬建區(qū)面積較大，應(yīng)分區(qū)、分層進(jìn)行回填，回填矸石應(yīng)采用自卸式汽車運(yùn)輸，推土機(jī)整平，振動壓路機(jī)振動壓實(shí)。

(3)矸石地基表面及邊坡處理。為了保持遷村場區(qū)良好的生活和綠化環(huán)境，矸石充填新村地基及邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)為矸石上方覆土厚度0.5 m，矸石邊坡的放坡系數(shù)1∶1.75，邊坡矸石進(jìn)行人工整理與夯實(shí)，邊坡矸石覆土厚度為0.5 m。

5 煤矸石地基承載力現(xiàn)場測試

地基承載力是建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，煤矸石地基承載力適合用靜力載荷試驗(yàn)和重型動力觸探確定，同時(shí)還可以確定其變形模量。國內(nèi)外資料證實(shí)，煤矸石地基處理后，能達(dá)到比較高的承載力，為了檢驗(yàn)振動壓實(shí)效果，進(jìn)行了煤矸石地基的載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇在村莊新址煤矸石回填區(qū)域進(jìn)行。此次采用淺層平板載荷試驗(yàn)，共選用3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。

圖3為根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪的加載-沉降關(guān)系曲線。根據(jù)圖3中記錄的P-S曲線，綜合判定煤矸石地基的容許承載力分別為：1#試驗(yàn)點(diǎn)為230 kPa，2#試驗(yàn)點(diǎn)為220 kPa，3#試驗(yàn)點(diǎn)為220 kPa。由此可以看出，經(jīng)振動壓實(shí)處理的煤矸石地基的承載力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然土地基，完全能夠滿足建筑工程需要。

圖3 煤矸石地基載荷試驗(yàn)P-S曲線

6 地表建筑場地分區(qū)

由地基荷載試驗(yàn)可知，經(jīng)過振動壓實(shí)處理的煤矸石地基承載力滿足新建房屋地基承載力的要求，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行新村建設(shè)是完全可行的。但考慮到新村下面是孟莊煤礦4采區(qū)的采空區(qū)，其雖達(dá)到穩(wěn)沉狀態(tài)，但在受到內(nèi)、外界因素影響時(shí)仍可能發(fā)生殘余變形，殘余變形會對建筑物的地基造成拉伸、剪切等一系列的破壞，進(jìn)而影響地面建筑物的安全使用，所以非常有必要對地表建筑物采取抗變形措施[14-15]。由于不同程度的變形所需采用的抗變形措施有所差異，故根據(jù)開采沉陷規(guī)律采用概率積分法，把擬建區(qū)域劃分為3個(gè)區(qū)，見圖4建設(shè)場地分區(qū)示意圖。1區(qū)無采空區(qū)殘余變形影響，可不采取抗變形結(jié)構(gòu)措施；2區(qū)為煤層露頭影響范圍和淺部采空區(qū)加大殘余變形影響范圍，按地表殘余最大傾斜變形10 mm/m，最大水平變形4.4 mm/m來設(shè)計(jì)建(構(gòu))筑物的抗變形結(jié)構(gòu)；3區(qū)為正常殘余變形影響范圍，按預(yù)計(jì)的地表殘余沉陷變形即最大傾斜3.7 mm/m，最大水平變形1.3 mm/m來設(shè)計(jì)建(構(gòu))筑物的抗變形結(jié)構(gòu)。

7 結(jié) 論

(1)在利用煤矸石作為采煤塌陷區(qū)地基充填材料進(jìn)行建筑復(fù)墾時(shí)，為避免殘余變形對地表建筑物的破壞，選址盡量選在周邊不再進(jìn)行開采的穩(wěn)沉區(qū)；其次由于各地煤矸石理化性質(zhì)、工程性質(zhì)有較大差異，在選擇煤矸石作為地基充填材料前應(yīng)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、野外滲透試驗(yàn)等一系列必要的試驗(yàn)研究，全面分析其作為充填材料是否可行，進(jìn)而進(jìn)行回填具體方案設(shè)計(jì)。

圖4 建設(shè)場地分區(qū)示意

(2)煤矸石充填復(fù)墾建筑用地地基宜采用分層回填，多次振壓的處理方法，分區(qū)、分塊進(jìn)行施工。在回填標(biāo)高、覆土厚度、地基處理、區(qū)段劃分等方面要嚴(yán)格按照規(guī)程，因地制宜地進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)證明，煤矸石回填復(fù)墾建筑用地地基，經(jīng)振動壓實(shí)處理后的承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天然土地基，完全能夠滿足建筑工程需要，利用煤矸石回填建筑地基建房是完全可行的。

(3)煤矸石回填建筑地基雖然效果顯著、實(shí)用性強(qiáng)，但建筑用地在采空區(qū)上方，尤其是多煤層采空區(qū)上方時(shí)，為確保建筑物安全，在嚴(yán)格執(zhí)行地基處理指標(biāo)的同時(shí)，對地表建筑物也要根據(jù)實(shí)際情況采取一系列的抗變形措施，必要時(shí)建立觀測站，適時(shí)進(jìn)行變形觀測，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Techniques of Gangue Backfilling and Reclamation in Subsidence Region of Coal Mined

Chen Lisheng Li Xueliang

(TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupCorp，Tangshan063012，China)

Using coal gangue as the backfill material of building foundation is an effective way of comprehensive treatment of mining area，which not only reduces the environmental pollution of coal gangue but also reduced the foundation construction cost.Components，physical properties，mechanical properties and engineer properties of coal gangue were studied and analyzed by using the methods of laboratory tests and the project.A set of integrated reclamation system was primarily built，including feasibility analysis，reclamation site selection，reclamation site planning，backfilling elevation and soil thickness determination，backfill foundation treatment，reclamation partition and construction，and bearing capacity detection of the foundation.The results showed that to avoid the two-stage deformation influence on foundation stability，a stabilized region should be selected.The partition construction in the project area is adopted to improve the utilization rate of coal gangues.During the process of the foundation treatment，the methods of stratified backfill and multiple vibration treatments are used so that the bearing capacity of coal gangue foundation is far greater than the natural foundation after treatment by vibration and compaction.It is fully able to meet the need of construction project.

Subsidence region of coal mined，Coal gangue，F(xiàn)oundation treatment，Construction technology，Bearing capacity test

2014-05-27

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(編號：2012BAC13B03)。

陳利生(1978—)，男，主任，工程師，碩士。

TD853

A

1001-1250(2014)-09-137-05