陳 杰

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100010；2.中煤科工集團北京土地整治與生態(tài)修復科技研究院有限公司，北京 100010;3.煤炭行業(yè)礦區(qū)土地整治與生態(tài)修復工程研究中心，北京 100010)

1 項目概況

1.1 項目區(qū)概況

任城區(qū)是濟寧市主城區(qū)，全市經(jīng)濟、文化、金融、教育中心，行政區(qū)面積651 km2，常住人口102.2萬。任城區(qū)是重要的煤炭基地，煤炭資源豐富，截至2018年底探明煤炭資源儲量22.12億t，1998年以來共建成投產(chǎn)8對礦井，井田面積409.39 km2，占轄區(qū)面積的63%。目前，全區(qū)煤炭生產(chǎn)企業(yè)總設計生產(chǎn)能力885萬t/a，核定生產(chǎn)能力1 382萬t/a。截至2018年已累計開采原煤2億多噸，近5年共開采原煤5 156萬t，實現(xiàn)銷售收入256.9億元，實現(xiàn)利潤65.22億元、利稅116.74億元，解決勞動就業(yè)1.6萬余人。

作為山東省和濟寧市的產(chǎn)煤大區(qū)，任城區(qū)曾為國家和地方經(jīng)濟建設做出了重要貢獻。同時，由于煤炭開采引發(fā)的土地塌陷等問題日益突出，嚴重制約了任城區(qū)可持續(xù)發(fā)展。目前，任城區(qū)采煤塌陷地累計47.6 km2，其中積水面積13.33 km2，塌陷深度一般3～5 m，此外，還形成城市近郊條帶開采沉陷區(qū)(煤炭采出后地表下沉量小、穩(wěn)沉時間長)約23.33 km2。

任城項目位于濟寧市北郊，行政區(qū)劃屬山東省濟寧市任城區(qū)管轄。東距濟寧市任城區(qū)政府1 km，地理位置優(yōu)越，京滬鐵路在項目區(qū)東側通過，兗(州)新(鄉(xiāng))鐵路通過濟寧，東與京滬線相連，西與京廣線接軌。項目區(qū)緊鄰濟寧市任城區(qū)政府、屬于任城區(qū)的核心發(fā)展區(qū)，項目地塊范圍為：南至任城大道、北至任興路，東至建設北路、西至濟安橋路，如圖1所示，項目總面積3.33 km2。

圖1 項目區(qū)位示意圖

1.2 煤層開采情況

任城項目是岱莊煤礦7300條帶開采形成的采煤沉陷區(qū)，開采的工作面為7330、7334和7338三個條帶開采工作面，煤炭開采厚度為2.6 m左右，工作面開采寬度50 m左右、煤柱寬度100 m左右，開采煤層為3上煤，開采時間為2013～2014年,如圖2所示。由于項目區(qū)條帶式非充分采空區(qū)上覆巖層未充分垮落，決定了采空區(qū)沉陷具有突發(fā)性、不可預測性、長期性、隱蔽性及復雜性等顯著特點，后期會對地表建筑物等使用構成極大安全隱患。解決條帶開采沉陷區(qū)地質(zhì)災害系列問題是破解城市發(fā)展困局的關鍵。任城區(qū)聯(lián)合中國煤炭科工集團，采用“技術研究+資本投入”運作方式，融合“平臺+運營+技術”三要素，開創(chuàng)采煤沉陷區(qū)綜合治理與土地開發(fā)一體化的“任城模式”。

圖2 項目區(qū)煤層開采情況

2 治理思路

任城區(qū)城市條帶沉陷區(qū)治理工作存在三個難點，一是治理資金支付壓力大。沉陷區(qū)綜合治理是一項系統(tǒng)工程，生態(tài)修復、移民安置、棚戶區(qū)改造等工作，需要大量的資金投入，煤炭企業(yè)繳納的環(huán)境恢復治理基金和土地復墾費用不足，地方政府財政能力難以支持采煤沉陷區(qū)綜合治理的費用，治理資金的匱乏造成沉陷區(qū)綜合治理進度整體緩慢，治理效果不明顯。二是治理技術要求高。因為該項目所處區(qū)域是城市規(guī)劃區(qū)，處于城市發(fā)展的重要地塊，稀缺性顯而易見，按照科學、集約、節(jié)約用地的原則，將該地塊治理為可以建設高層建筑的建設用地最為適宜，這就需要治理技術和治理效果完全滿足地面安全建設的需求。三是社會資本參與積極性不高。國家和山東省雖出臺規(guī)定，鼓勵因地制宜、綜合治理，但并未制定因此造成的土地利用結構和布局調(diào)整的支持性政策，據(jù)實治理隨時可能面臨違法違規(guī)用地風險，很難大規(guī)模展開，社會資本治理采煤塌陷地投資大、回報率低，因缺乏合理的投資合作模式，社會資本參與度不高。

2.1 沉陷區(qū)治理和棚戶區(qū)改造相結合

依據(jù)任城區(qū)城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃和經(jīng)濟、社會發(fā)展需求，結合項目區(qū)棚戶區(qū)改造的需求，因地制宜開展項目區(qū)采煤沉陷區(qū)綜合治理，按照“地下-地上”一體化治理的原則，將沉陷區(qū)用作建設用地，解決沉陷區(qū)治理、棚戶區(qū)改造對建設用地的需求，同時提升項目區(qū)土地利用的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益，拓展城市發(fā)展空間。

2.2 采用先進高效的治理技術

該項目按照“勘察-評估-設計-治理-監(jiān)測”的科學步驟開展工作，采用控制充填技術、定向鉆進、建筑固料再生利用、深部定向光纖等創(chuàng)新技術，確保了“地下-地上”一體化安全保障體系(技術一體化、責任一體化，建設一體化)的建立，實現(xiàn)了以先進技術保障建設安全的目標。

2.3 建立科學的投資合作模式

該項目以任城區(qū)政府和社會資本合作的模式，成立“SPV”合資公司，實施“技術、工程與資本融合，一體化整體治理與綜合開發(fā)利用”的綜合治理模式，并建立和試行可持續(xù)發(fā)展的沉陷區(qū)治理專項基金，建立政府與投資方共贏的投資合作模式，提升沉陷區(qū)土地潛在價值，促成土地資源再生，同時極大地改善人居生態(tài)環(huán)境，打造了中國首個條帶開采沉陷區(qū)高層建筑群土地再利用項目。

首先，教師“支架”促進教師的課堂組織，在課堂進行過程中不斷促進學習者參與課堂。研究者發(fā)現(xiàn)教師“支架”能幫助學習者積極參與課堂互動的意義協(xié)商（梁國杰2011），也能調(diào)節(jié)學習者情緒從而幫助他們擺脫焦慮和體驗成功(楊翠蓉、韋洪濤2015)。

3 治理方案

3.1 采空區(qū)詳細勘察

為保證項目區(qū)高密度建筑群綜合開發(fā)項目的順利實施，查明采空區(qū)分布及其對工程建設的影響，中國煤炭科工集團組織地質(zhì)、鉆探、物探等多專業(yè)力量對項目區(qū)開展了采空區(qū)詳細勘察工作，完成勘察鉆孔14個，鉆探總進尺7 821.83 m；完成高密度三維地震勘探測線24條，總物理點1 329個，控制面積0.62 km2；孔內(nèi)VSP地震物理勘探2孔，炮點1 280個；完成瞬變電磁法勘探物理點3 057個，有效控制勘探面積0.48 km2，為采空區(qū)治理工程設計提供地質(zhì)依據(jù)。

3.2 勘察結論

(1)項目區(qū)存在岱莊煤礦條帶開采3上煤形成的采空區(qū)，平均采厚2.6 m，埋深514～582 m，平均埋深538 m，頂板部分發(fā)生垮落，采動裂隙發(fā)育，覆巖破碎，采空區(qū)“三帶”發(fā)育特征明顯，采空區(qū)處于非充分采動、不充分垮落、全沖水狀態(tài)。

(2)根據(jù)勘察結果，項目區(qū)作為城市高密度建筑群綜合開發(fā)建設場地進行采空區(qū)治理是非常必要的。根據(jù)各采空區(qū)治理方法的適用條件，結合該項目區(qū)煤礦采空區(qū)的地表變形特征、工程地質(zhì)條件、采礦情況等因素，建議對該采空區(qū)采用灌漿充填治理方案。

3.3 治理設計

在對采空區(qū)詳細勘察的基礎上，開展了項目區(qū)采空區(qū)治理工程設計工作，為工程施工提供依據(jù)，對7330工作面采空區(qū)采用定向鉆孔灌漿充填，7334、7338工作面采空區(qū)采用保護煤柱與墩臺設計相結合的局部充填治理方案。

(1)7330工作面采空區(qū)采用定向鉆孔灌漿充填

7330 工作面采空區(qū)主要分布在任興路及其以北區(qū)域，存在占用城市道路、城鎮(zhèn)土地及房屋拆遷等問題，根據(jù)工程進度要求，結合現(xiàn)場實際情況，采用常規(guī)垂直鉆孔無法滿足施工工期要求。定向鉆孔具有施工占地小，地表對環(huán)境破壞小，技術成熟、可靠的特點，設計 7330 工作面采空區(qū)采用定向鉆孔采空區(qū)充填方案，如圖3所示。

(2)7334、7338工作面煤柱保護與墩臺注漿相結合局部充填方案

從施工工藝、技術可靠性、施工占地協(xié)調(diào)難度、社會影響及工程造價等方面對治理方案進行了綜合對比，7334、7338工作面采空區(qū)治理利用煤柱自身強度，通過對條帶開采后遺留煤柱進行注漿保護，防止煤柱受地下水、長期荷載作用，煤柱剝落、風化及塑性區(qū)向煤柱內(nèi)部進一步發(fā)展，充分利用煤柱自身強度對上部地層起到承載作用；同時在采空區(qū)內(nèi)設置 50 m×50 m 墩臺，起到分擔煤柱荷載，降低煤柱內(nèi)應力作用，提高地層承載力，以降低采空區(qū)覆巖變形的作用。鉆孔平面布置圖如圖4所示。

圖3 定向鉆DX01、DX02井眼軌跡三維模型立體圖

圖4 鉆孔平面布置圖

(3)采空區(qū)治理與城區(qū)民用建筑垃圾再生利用相結合

煤礦采空區(qū)充填治理工程需要大量價格低廉的工程填料，如砂、石、粉煤灰等，一般需要通過屬地或外地購買獲取。該項目場地原為棚戶區(qū)，地面建筑物多為 1～2 層的磚混結構或磚結構，建筑物在拆除后產(chǎn)生大量建筑垃圾，由于垃圾量大且處置困難而堆積于地面。

經(jīng)實驗室與現(xiàn)場試驗結果表明，項目場地堆存的民用建筑垃圾經(jīng)適度破碎后可形成再生土木工程材料，粒度與成分比例可調(diào)，該再生材料物理力學性質(zhì)穩(wěn)定，是無化學活性的穩(wěn)定惰性材料?？勺鳛楣こ碳吓c其它工程材料混合制備多類用于采空區(qū)充填治理的充填材料，實現(xiàn)建筑垃圾再生材料替代部分需購買的工程材料，實現(xiàn)建筑垃圾環(huán)保再利用和環(huán)境保護雙重效果，如圖5所示。

圖5 項目區(qū)建筑廢料破碎機

3.4 治理成果

截止2020年1月31日，任城項目已經(jīng)完成鉆孔126個，注漿113 260 m3，經(jīng)過對已經(jīng)治理完成的2個采空區(qū)進行質(zhì)量檢測與評價工作，地面移動觀測數(shù)據(jù)顯示，傾斜：i≤±1 mm/m；豎曲率：k≤±0.1 mm/m2；水平變形ε≤±1.0mm/m；下沉值W≤100 mm，均小于國標GB 51044-2014及T 00/CAGHP 005的相關要求，表明治理效果良好;對鉆探取芯結石體試樣進行力學試驗結果顯示，結石體單軸抗壓強度均>3 MPa，滿足GB 51044-2014及T 00/CAGHP 005規(guī)定不小于2 MPa的要求。經(jīng)過對不同序次的鉆孔取芯情況統(tǒng)計，采空區(qū)底板往上50 m范圍內(nèi)的整個裂隙帶注漿段，均取出漿液結石體，表明整個采空區(qū)及其覆巖的裂隙，得到了有效的注漿充填加固。

結合濟寧市任城區(qū)發(fā)展規(guī)劃與建設，開展項目區(qū)采煤沉陷區(qū)規(guī)模性建設用地開發(fā)，將采煤沉陷區(qū)治理為城市建設發(fā)展的積極要素，通過對項目區(qū)“地下-地上”一體化治理與監(jiān)測防控消除沉陷區(qū)災害隱患，保障沉陷區(qū)地面建設正常開發(fā)利用，建筑物高度可達100 m，解決城市建設用地瓶頸制約問題，如圖6所示。

圖6 沉陷區(qū)安置方案設計

4 結 論

(1)該項目實現(xiàn)了沉陷區(qū)治理與利用的效益最大化。項目結合棚戶區(qū)改造的需求，按照“地下-地上”一體化治理的原則，因地制宜將沉陷區(qū)治理為建設場地，解決了沉陷區(qū)治理、棚戶區(qū)改造對建設用地的需求，同時提升項目區(qū)土地利用的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益，為煤炭資源城市的可持續(xù)發(fā)展提供了思路。

(2)建立了可持續(xù)發(fā)展的沉陷區(qū)治理投資合作模式。項目以政府和社會資本合作的模式，成立“SPV”合資公司，實施“技術、工程與資本融合，一體化整體治理與綜合開發(fā)利用”的治理模式，解決了沉陷區(qū)治理資金匱乏難題，為我國采煤沉陷區(qū)治理引入社會資本提供了樣板。

(3)打造了采煤沉陷區(qū)綜合治理的“任城模式”，為采煤沉陷區(qū)治理提供了推廣利用和參考價值。通過沉陷區(qū)綜合治理，增加采空區(qū)土地再利用，打破了沉陷區(qū)土地復耕、濕地生態(tài)建設等傳統(tǒng)治理模式和理念，實現(xiàn)人與自然和諧共生的重大民生工程。

(4)形成了條帶開采沉陷區(qū)治理與利用的關鍵創(chuàng)新技術。項目采用了采空區(qū)控制充填技術、定向鉆進、建筑固料再生利用、深部定向光纖等創(chuàng)新技術，確保了“地下-地上”一體化安全保障體系(技術一體化、責任一體化，建設一體化)的建立，實現(xiàn)了以先進技術保障建設安全的目標。