采煤塌陷區煤矸石回填復墾技術

陳利生 李學良

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

采煤塌陷區煤矸石回填復墾技術

陳利生 李學良

(中煤科工集團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建筑用地，是一條礦區綜合治理的有效途徑，既減輕了煤矸石對環境的污染，又降低了地基建設成本。運用室內試驗與工程實踐相結合的方法，對煤矸石的物化性質、力學性質、工程性質等進行研究分析，初步建立了煤矸石回填建筑用地可行性分析、復墾場地選址、復墾場地規劃、回填標高與覆土厚度確定、回填地基處理、復墾分區與施工、地基承載力檢測等一套完整的復墾體系。結果表明：在進行矸石回填地基處理時，宜選擇已經穩沉的區域，避免二次變形對地基穩定性的影響；對項目區分區、分塊進行施工，提高矸石利用率；在地基處理時，采用分層回填、多次振壓處理的方法，經振動壓實處理后，煤矸石地基的承載力遠遠大于天然土地基，完全能夠滿足建筑工程需要。

采煤沉陷區 煤矸石 地基處理 施工工藝 承載力測試

隨著我國經濟的高速發展，土地供應變得越來越緊張，尤其是對于土地本來就偏少的南部地區，經濟發展占用了大量的土地，甚至耕地也用于發展工業。由于開采造成的塌陷地區并沒有得到充分的利用，在目前的經濟形式下，合理利用采煤塌陷區土地不但能從很大程度上緩解土地供不應求的現狀，而且能減少耕地的進一步損失，從而為企業帶來了經濟效益[1-3]。此外，在當復墾方向為建筑用地時，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境的污染，也能為煤礦減輕了矸石處理的負擔。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用，在煤矸石的物理力學性質、工程性質、回填處理技術以及建筑技術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施細節方面仍然存在一定的不足。本研究結合工程實例對采煤塌陷區矸石回填建筑用地的復墾技術進行探討分析。

1 工程概況

孟莊煤礦位于安徽省蕭縣境內，隸屬于皖北煤電集團有限責任公司，礦井采用斜井開拓方式，分4個水平開采，第一～第四水平標高分別為-200 m，-300 m，-450 m，-760 m。開采方式為多煤層聯合開采，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。

區內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粉土、砂質粉土組成，局部夾薄層粉砂及細砂。井田位于閘河復式向斜北部，為一單斜構造，次級褶皺發育，有施莊向斜、王梁背斜等，巖漿活動較強。礦井水文地質條件屬于中等類型。

擬搬遷的2個村莊位于孟莊煤礦井田的中部，礦井工業廣場東南部約2.0 km處，占地面積合計約17 hm2(256畝)，人口合計約100戶、300余人。2個村莊房屋結構類型主要為磚石結構和土坯結構，建筑面積合計2.1萬m2。受孟莊煤礦31和41采區煤層開采影響，這2個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采區采煤塌陷區的上方，地基采用矸石回填地基處理技術。

2 煤矸石回填復墾建筑地基可行性分析

我國對煤矸石在工程實踐方面的利用進行了實地試驗，在淮北、開灤、徐州、鐵法、本溪、撫順等礦區積累了大量的工程經驗與試驗數據，并在此基礎上對研究成果進行了大力推廣，尤其是近些年來，基礎建設的快速發展使得煤矸石用于了公路、鐵路和工業地基等方面[6-8]，同時對各個應用中煤矸石的工程試驗也廣泛展開。試驗研究與工程實踐證明，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。

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

3 矸石回填建設場地規劃設計

3.1 復墾區選址和規劃原則

在復墾區選址與規劃時，優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上方的土地資源。在采煤沉陷區復墾建筑用地，復墾建筑場地宜選在穩沉區，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，將回填區按區劃分，綜合考慮各分區的回填工程，在此基礎上設計有利于施工的工藝流程。

3.2 復墾建設場地的選擇

根據上述原則，結合孟莊煤礦礦井開采規劃，考慮沉陷區現狀及待搬遷村莊實際情況，綜合確定村莊新址位于孟莊煤礦礦井4采區采煤塌陷穩沉區的上方，新村址位于蕭縣龍城鎮邵莊村以東，北鄰蕭桃路，東界蕭吳公路，占地面積約17 hm2。

新址井下涉及區域為礦井4采區，井下從1980—2003年先后開采過3煤層、41煤層、42煤層3個煤層，采深58.0～500.0 m，采厚3.0～4.5 m。經礦方監測資料可知，該區目前已基本達到穩沉狀態，但其下部涉及多個采空區，在建筑荷載以及其他外界因素的影響下，仍可能會產生一定程度的殘余沉降。

3.3 新村建筑規劃

新址規劃住宅設計為2層樓房，坡屋頂，磚混結構，基礎類型一般為淺埋條形基礎。建筑布局采用單體聯排式布局，使規劃區整齊、規整。相鄰住戶共用山墻，房屋單排每隔30 m留設1條20 cm的沉降縫，房屋自然間標準為3.3 m×9.0 m。規劃區內南北向道路中心線位置可根據房屋布局情況進行左右微調。

4 煤矸石回填地基復墾工藝

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

4.1 回填標高與覆土層厚度確定

回填標高是本工程的一個重要的技術經濟指標。回填標高的確定主要是考慮以下幾個因素：第一，回填區四周的高程和排水能力；第二，是否在雨季會造成村內排水不便引起積水；第三，保證魚塘內水深要大于1.5 m。綜合以上因素最終確定本次回填區域的標高為+35.5 m。

煤矸石充填搬遷村區地表覆土厚度0.3～0.5 m。

4.2 回填地基處理技術

國內外很多資料證明，自然回填未經壓實處理的煤矸石沉縮量很大，在未經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生破壞。所以，自然回填的煤矸石必須經過壓實處理，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夯法、分層振動壓實法和灌漿法。強夯法用于處理一次充填全厚的煤矸石地基，其壓實深度可達5～10 m。分層振動壓實法對大面積分層回填的煤矸石墊層的處理既經濟又合理，壓實效果理想，它不僅能提高煤矸石層的密實度和承載力，而且由于分層壓實大大降低孔隙率，隔絕了空氣，可防止煤矸石地基自燃、風化及有害物質的析出，近年來該方法被廣泛應用。灌漿法在大面積應用時費用高，速度慢，加密效果差，只有在強夯法及振動壓實法不能實施的情況下采用[12-13]。

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

4.3 建筑復墾分區與施工

4.3.1 施工分區

考慮回填復墾區的采動波及影響問題以及場地的地形地貌，本復墾回填工程共劃分為7個分區(見圖1所示)，施工結束后將作為宅基地用于搬遷村莊。其中1～6區作為建筑用地使用，7區復墾方向為魚塘。分區交界處為回填地基的薄弱地帶，在規劃設計時，應避免將重要房屋建在此處。

圖1 復墾區分區示意

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計。具體施工工藝流程為：

(1)首先對整個擬建區進行表面清理，然后實施表土剝離，最后按回填工程相關技術規范進行施工。凡屬耕植土應予剝離0.4 m厚，堆存于復墾區外，拆除的建筑廢墟可回填到擬建區西南部的幾個洼坑墊底。

(2)整個區域實施矸石層和土層分層回填，分層壓實復墾，具體回填復墾工程施工流程：①回填第1分層，回填標高為+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分層回填達到設計要求后，回填第2分層，第2分層回填標高為+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層回填達到設計要求后，回填第3分層，第3分層回填標高為+35.5 m，回填物料為素填土，將剝離的耕植土用于表土回填，當耕植土不夠時可用非耕植土，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 復墾區回填分層示意

4.3.3 矸石充填復墾工藝

(1)覆土預取土堆存。在矸石充填區覆土土方預取出堆存，取土區應選擇地勢較高的區域，以保持充矸區地勢平整，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。擬建區面積較大，應分區、分層進行回填，回填矸石應采用自卸式汽車運輸，推土機整平，振動壓路機振動壓實。

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

5 煤矸石地基承載力現場測試

地基承載力是建筑基礎設計中的關鍵數據，煤矸石地基承載力適合用靜力載荷試驗和重型動力觸探確定，同時還可以確定其變形模量。國內外資料證實，煤矸石地基處理后，能達到比較高的承載力，為了檢驗振動壓實效果，進行了煤矸石地基的載荷試驗。試驗選擇在村莊新址煤矸石回填區域進行。此次采用淺層平板載荷試驗，共選用3個試驗點。

圖3為根據試驗數據所繪的加載-沉降關系曲線。根據圖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#試驗點為230 kPa，2#試驗點為220 kPa，3#試驗點為220 kPa。由此可以看出，經振動壓實處理的煤矸石地基的承載力已遠遠大于天然土地基，完全能夠滿足建筑工程需要。

圖3 煤矸石地基載荷試驗P-S曲線

6 地表建筑場地分區

由地基荷載試驗可知，經過振動壓實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，在其基礎上進行新村建設是完全可行的。但考慮到新村下面是孟莊煤礦4采區的采空區，其雖達到穩沉狀態，但在受到內、外界因素影響時仍可能發生殘余變形，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，故根據開采沉陷規律采用概率積分法，把擬建區域劃分為3個區，見圖4建設場地分區示意圖。1區無采空區殘余變形影響，可不采取抗變形結構措施；2區為煤層露頭影響范圍和淺部采空區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來設計建(構)筑物的抗變形結構；3區為正常殘余變形影響范圍，按預計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來設計建(構)筑物的抗變形結構。

7 結 論

(1)在利用煤矸石作為采煤塌陷區地基充填材料進行建筑復墾時，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行開采的穩沉區；其次由于各地煤矸石理化性質、工程性質有較大差異，在選擇煤矸石作為地基充填材料前應進行抗壓強度試驗、野外滲透試驗等一系列必要的試驗研究，全面分析其作為充填材料是否可行，進而進行回填具體方案設計。

圖4 建設場地分區示意

(2)煤矸石充填復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、分塊進行施工。在回填標高、覆土厚度、地基處理、區段劃分等方面要嚴格按照規程，因地制宜地進行設計實施。經現場試驗證明，煤矸石回填復墾建筑用地地基，經振動壓實處理后的承載力遠遠大于天然土地基，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、實用性強，但建筑用地在采空區上方，尤其是多煤層采空區上方時，為確保建筑物安全，在嚴格執行地基處理指標的同時，對地表建筑物也要根據實際情況采取一系列的抗變形措施，必要時建立觀測站，適時進行變形觀測，發現問題及時處理。

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(責任編輯 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，Foundation treatment，Construction technology，Bearing capacity test

2014-05-27

“十二五”國家科技支撐計劃重點項目(編號：2012BAC13B03)。

陳利生(1978—)，男，主任，工程師，碩士。

TD853

A

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