采煤塌陷区煤矸石回填复垦技术

陈利生 李学良

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

采煤塌陷区煤矸石回填复垦技术

陈利生 李学良

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

利用废弃煤矸石回填采煤塌陷区建筑用地，是一条矿区综合治理的有效途径，既减轻了煤矸石对环境的污染，又降低了地基建设成本。运用室内试验与工程实践相结合的方法，对煤矸石的物化性质、力学性质、工程性质等进行研究分析，初步建立了煤矸石回填建筑用地可行性分析、复垦场地选址、复垦场地规划、回填标高与覆土厚度确定、回填地基处理、复垦分区与施工、地基承载力检测等一套完整的复垦体系。结果表明：在进行矸石回填地基处理时，宜选择已经稳沉的区域，避免二次变形对地基稳定性的影响；对项目区分区、分块进行施工，提高矸石利用率；在地基处理时，采用分层回填、多次振压处理的方法，经振动压实处理后，煤矸石地基的承载力远远大于天然土地基，完全能够满足建筑工程需要。

采煤沉陷区 煤矸石 地基处理 施工工艺 承载力测试

随着我国经济的高速发展，土地供应变得越来越紧张，尤其是对于土地本来就偏少的南部地区，经济发展占用了大量的土地，甚至耕地也用于发展工业。由于开采造成的塌陷地区并没有得到充分的利用，在目前的经济形式下，合理利用采煤塌陷区土地不但能从很大程度上缓解土地供不应求的现状，而且能减少耕地的进一步损失，从而为企业带来了经济效益[1-3]。此外，在当复垦方向为建筑用地时，可以将煤矸石作为回填地基的原材料，消耗大量的煤矸石，不仅可以消除其对环境的污染，也能为煤矿减轻了矸石处理的负担。利用煤矸石回填采煤沉陷地作为建筑地基在我国一些地方已得到应用，在煤矸石的物理力学性质、工程性质、回填处理技术以及建筑技术等方面的研究已取得了较多成果[4-5]，但在深入的理论研究方面和具体实施细节方面仍然存在一定的不足。本研究结合工程实例对采煤塌陷区矸石回填建筑用地的复垦技术进行探讨分析。

1 工程概况

孟庄煤矿位于安徽省萧县境内，隶属于皖北煤电集团有限责任公司，矿井采用斜井开拓方式，分4个水平开采，第一～第四水平标高分别为-200 m，-300 m，-450 m，-760 m。开采方式为多煤层联合开采，工作面采用走向长壁、全部垮落法回采，回采工艺为炮采及高档普采。

区内地层自下而上分别为奥陶系、石炭系、二叠系及其上覆第四系冲积层，总厚度约1 036.82 m，其中第四系厚23.85～52.44 m，平均厚度41.53 m。岩性主要由黄褐色粉砂质粉土、砂质粉土组成，局部夹薄层粉砂及细砂。井田位于闸河复式向斜北部，为一单斜构造，次级褶皱发育，有施庄向斜、王梁背斜等，岩浆活动较强。矿井水文地质条件属于中等类型。

拟搬迁的2个村庄位于孟庄煤矿井田的中部，矿井工业广场东南部约2.0 km处，占地面积合计约17 hm2(256亩)，人口合计约100户、300余人。2个村庄房屋结构类型主要为砖石结构和土坯结构，建筑面积合计2.1万m2。受孟庄煤矿31和41采区煤层开采影响，这2个村庄采取异地搬迁安置措施。村庄新址位于孟庄煤矿矿井4采区采煤塌陷区的上方，地基采用矸石回填地基处理技术。

2 煤矸石回填复垦建筑地基可行性分析

我国对煤矸石在工程实践方面的利用进行了实地试验，在淮北、开滦、徐州、铁法、本溪、抚顺等矿区积累了大量的工程经验与试验数据，并在此基础上对研究成果进行了大力推广，尤其是近些年来，基础建设的快速发展使得煤矸石用于了公路、铁路和工业地基等方面[6-8]，同时对各个应用中煤矸石的工程试验也广泛展开。试验研究与工程实践证明，在施工合理的情况下，选择合适的煤矸石回填公路、铁路、建筑地基是充分可行的。

通过对项目区煤矸石组成、物化特性、工程特性的试验研究可知，孟庄矿的煤矸石岩石类型以砂质页岩、泥质页岩、细砂岩为主；通过抗压强度试验，煤矸石的饱和单轴抗压强度均不小于20 MPa，除少数较软岩石外，多数为较硬岩石，适宜作为复垦建筑用地地基充填材料；通过野外渗透试验可知，自然堆积条件下的煤矸石渗透系数较大，变化介于10-2～10-1cm/s量级，透水性能良好，均属于强透水材料；通过室内加压渗透试验表明，煤矸石的渗透系数随固结应力的增加而降低的特性，有利于工程应用，适宜用作复垦建筑用地地基材料。

3 矸石回填建设场地规划设计

3.1 复垦区选址和规划原则

在复垦区选址与规划时，优先考虑与原村址较近且交通便利的地方，要尽量不占或少占耕地，充分利用采煤塌陷区上方的土地资源。在采煤沉陷区复垦建筑用地，复垦建筑场地宜选在稳沉区，避免较大程度的的二次变形对新建建筑物造成破坏[9-11]。首先，村址尽量选择在沉陷量小，地势较高区域，目的是减少回填工程量，降低工程投资；其次，从施工便利的角度出发，将回填区按区划分，综合考虑各分区的回填工程，在此基础上设计有利于施工的工艺流程。

3.2 复垦建设场地的选择

根据上述原则，结合孟庄煤矿矿井开采规划，考虑沉陷区现状及待搬迁村庄实际情况，综合确定村庄新址位于孟庄煤矿矿井4采区采煤塌陷稳沉区的上方，新村址位于萧县龙城镇邵庄村以东，北邻萧桃路，东界萧吴公路，占地面积约17 hm2。

新址井下涉及区域为矿井4采区，井下从1980—2003年先后开采过3煤层、41煤层、42煤层3个煤层，采深58.0～500.0 m，采厚3.0～4.5 m。经矿方监测资料可知，该区目前已基本达到稳沉状态，但其下部涉及多个采空区，在建筑荷载以及其他外界因素的影响下，仍可能会产生一定程度的残余沉降。

3.3 新村建筑规划

新址规划住宅设计为2层楼房，坡屋顶，砖混结构，基础类型一般为浅埋条形基础。建筑布局采用单体联排式布局，使规划区整齐、规整。相邻住户共用山墙，房屋单排每隔30 m留设1条20 cm的沉降缝，房屋自然间标准为3.3 m×9.0 m。规划区内南北向道路中心线位置可根据房屋布局情况进行左右微调。

4 煤矸石回填地基复垦工艺

该工程以复垦村庄搬迁用地为目标，回填物料主要为孟庄矿矸石山的煤矸石以及外运而来的山皮石，在回填地基表层覆盖一定厚度的土层。复垦工程以复垦建筑用地为主，适当复垦一定数量的养殖用地。

4.1 回填标高与覆土层厚度确定

回填标高是本工程的一个重要的技术经济指标。回填标高的确定主要是考虑以下几个因素：第一，回填区四周的高程和排水能力；第二，是否在雨季会造成村内排水不便引起积水；第三，保证鱼塘内水深要大于1.5 m。综合以上因素最终确定本次回填区域的标高为+35.5 m。

煤矸石充填搬迁村区地表覆土厚度0.3～0.5 m。

4.2 回填地基处理技术

国内外很多资料证明，自然回填未经压实处理的煤矸石沉缩量很大，在未经处理的煤矸石回填层上建造的建筑物会因地基不均匀沉降而产生破坏。所以，自然回填的煤矸石必须经过压实处理，才能在其上建造建筑物。

充填煤矸石地基的处理方法主要为强夯法、分层振动压实法和灌浆法。强夯法用于处理一次充填全厚的煤矸石地基，其压实深度可达5～10 m。分层振动压实法对大面积分层回填的煤矸石垫层的处理既经济又合理，压实效果理想，它不仅能提高煤矸石层的密实度和承载力，而且由于分层压实大大降低孔隙率，隔绝了空气，可防止煤矸石地基自燃、风化及有害物质的析出，近年来该方法被广泛应用。灌浆法在大面积应用时费用高，速度慢，加密效果差，只有在强夯法及振动压实法不能实施的情况下采用[12-13]。

新村村址地势比较平坦，沉陷积水较浅，施工条件较好。为了达到较好的煤矸石地基压实处理效果，为煤矸石地基防自燃处理提供条件，拟建区煤矸石地基采用分区分层充填、分层振动压实的方法，每道工序完工之后及时检查验收，保证地基处理质量。

4.3 建筑复垦分区与施工

4.3.1 施工分区

考虑回填复垦区的采动波及影响问题以及场地的地形地貌，本复垦回填工程共划分为7个分区(见图1所示)，施工结束后将作为宅基地用于搬迁村庄。其中1～6区作为建筑用地使用，7区复垦方向为鱼塘。分区交界处为回填地基的薄弱地带，在规划设计时，应避免将重要房屋建在此处。

图1 复垦区分区示意

4.3.2 施工工艺

本次回填工程采用土与煤矸石分层混和充填，所以施工工艺按这两类物料设计。具体施工工艺流程为：

(1)首先对整个拟建区进行表面清理，然后实施表土剥离，最后按回填工程相关技术规范进行施工。凡属耕植土应予剥离0.4 m厚，堆存于复垦区外，拆除的建筑废墟可回填到拟建区西南部的几个洼坑垫底。

(2)整个区域实施矸石层和土层分层回填，分层压实复垦，具体回填复垦工程施工流程：①回填第1分层，回填标高为+34.5 m，回填物料为矸石，厚度不超过500 mm。操作步骤为排矸、整平、测量、振压、检测，厚度误差±50 mm；②第1分层回填达到设计要求后，回填第2分层，第2分层回填标高为+35 m，回填物料仍为矸石，层厚500 mm。操作步骤为排矸、整平、测量、振压、检测，厚度误差±50 mm；③第2层回填达到设计要求后，回填第3分层，第3分层回填标高为+35.5 m，回填物料为素填土，将剥离的耕植土用于表土回填，当耕植土不够时可用非耕植土，层厚500 mm。操作步骤为排土、整平、测量、碾压、检测，厚度误差±50 mm。见图2所示。

图2 复垦区回填分层示意

4.3.3 矸石充填复垦工艺

(1)覆土预取土堆存。在矸石充填区覆土土方预取出堆存，取土区应选择地势较高的区域，以保持充矸区地势平整，使填矸厚度基本一致，以利于矸石分层回填施工。若充填区地表有腐殖土，要将其剥离堆存于土场，做表层覆土之用。

(2)矸石分层回填、分层振动压实。拟建区面积较大，应分区、分层进行回填，回填矸石应采用自卸式汽车运输，推土机整平，振动压路机振动压实。

(3)矸石地基表面及边坡处理。为了保持迁村场区良好的生活和绿化环境，矸石充填新村地基及边坡设计参数为矸石上方覆土厚度0.5 m，矸石边坡的放坡系数1∶1.75，边坡矸石进行人工整理与夯实，边坡矸石覆土厚度为0.5 m。

5 煤矸石地基承载力现场测试

地基承载力是建筑基础设计中的关键数据，煤矸石地基承载力适合用静力载荷试验和重型动力触探确定，同时还可以确定其变形模量。国内外资料证实，煤矸石地基处理后，能达到比较高的承载力，为了检验振动压实效果，进行了煤矸石地基的载荷试验。试验选择在村庄新址煤矸石回填区域进行。此次采用浅层平板载荷试验，共选用3个试验点。

图3为根据试验数据所绘的加载-沉降关系曲线。根据图3中记录的P-S曲线，综合判定煤矸石地基的容许承载力分别为：1#试验点为230 kPa，2#试验点为220 kPa，3#试验点为220 kPa。由此可以看出，经振动压实处理的煤矸石地基的承载力已远远大于天然土地基，完全能够满足建筑工程需要。

图3 煤矸石地基载荷试验P-S曲线

6 地表建筑场地分区

由地基荷载试验可知，经过振动压实处理的煤矸石地基承载力满足新建房屋地基承载力的要求，在其基础上进行新村建设是完全可行的。但考虑到新村下面是孟庄煤矿4采区的采空区，其虽达到稳沉状态，但在受到内、外界因素影响时仍可能发生残余变形，残余变形会对建筑物的地基造成拉伸、剪切等一系列的破坏，进而影响地面建筑物的安全使用，所以非常有必要对地表建筑物采取抗变形措施[14-15]。由于不同程度的变形所需采用的抗变形措施有所差异，故根据开采沉陷规律采用概率积分法，把拟建区域划分为3个区，见图4建设场地分区示意图。1区无采空区残余变形影响，可不采取抗变形结构措施；2区为煤层露头影响范围和浅部采空区加大残余变形影响范围，按地表残余最大倾斜变形10 mm/m，最大水平变形4.4 mm/m来设计建(构)筑物的抗变形结构；3区为正常残余变形影响范围，按预计的地表残余沉陷变形即最大倾斜3.7 mm/m，最大水平变形1.3 mm/m来设计建(构)筑物的抗变形结构。

7 结 论

(1)在利用煤矸石作为采煤塌陷区地基充填材料进行建筑复垦时，为避免残余变形对地表建筑物的破坏，选址尽量选在周边不再进行开采的稳沉区；其次由于各地煤矸石理化性质、工程性质有较大差异，在选择煤矸石作为地基充填材料前应进行抗压强度试验、野外渗透试验等一系列必要的试验研究，全面分析其作为充填材料是否可行，进而进行回填具体方案设计。

图4 建设场地分区示意

(2)煤矸石充填复垦建筑用地地基宜采用分层回填，多次振压的处理方法，分区、分块进行施工。在回填标高、覆土厚度、地基处理、区段划分等方面要严格按照规程，因地制宜地进行设计实施。经现场试验证明，煤矸石回填复垦建筑用地地基，经振动压实处理后的承载力远远大于天然土地基，完全能够满足建筑工程需要，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虽然效果显著、实用性强，但建筑用地在采空区上方，尤其是多煤层采空区上方时，为确保建筑物安全，在严格执行地基处理指标的同时，对地表建筑物也要根据实际情况采取一系列的抗变形措施，必要时建立观测站，适时进行变形观测，发现问题及时处理。

[1] 张继栋，崔 艳，白中科.土地复垦对矿区土地资源可持续利用的影响[J].金属矿山，2010(12)：144-147. Zhang Jidong，Cui Yan，Bai Zhongke.Impact of land reclamation on sustainable utilization of land resources in mining areas[J].Metal Mine,2010(12)：144-147.

[2] 李文梅，张红日，覃志豪，等.济宁市采煤塌陷地状况与治理途径研究[J].山东科技大学学报：自然科学版，2008,27(6)：24-27. Li Wenhong，Zhang Hongri，Tan Zhihao，et al.Study on the status of coal mining subsidence and its control measures in Jining City[J].Journal of Shandong University:Science and Technology,2008,27(6)：24-27.

[3] 李树志.我国采煤沉陷土地损毁及其复垦技术现状与展望[J].煤炭科学技术，2014，42(1)：93-97. Li Shuzhi.Present status and outlook on land damage and reclamation technology of mining subsidence area in China[J].Coal Science and Technology,2014,42(1):93-97.

[4] 张新国，江 宁，张玉江,等.矸石膏体充填材料力学特性试验[J].金属矿山，2012(12)：127-131. Zhang Xinguo，Jiang Ning，Zhang Yujiang，et al.Study on mechanical properties of coal waste paste filling materials[J].Metal Mine,2012(12)：127-131.

[5] 刘松玉，邱 钰，童立元,等.煤矸石的强度特征试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006(1)：199-205. Liu Songyu，Qiu Yu，Tong Liyuan，et al.Experimental study on strength properties of coal wastes[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006(1)：199-205.

[6] 王修山，郝培文，张 干.煤矸石路用性能研究[J].路基工程，2009(2):44-45. Wang Xiushan，Hao Peiwen，Zhang Gan.Research on road performance properties of coal gangue[J].Subgrade Engineering,2009(2):44-45.

[7] 张清峰，王东权.煤矸石地基在强夯冲击荷载作用下的物理模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2013(5):1049-1056. Zhang Qingfeng，Wang Dongquan.Physical model tests of coal gangue foundation under dynamic compaction loads[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013(5):1049-1056.

[8] 刘晓玲，王新民，吴 鹏.煤矸石似膏体快速充填试验研究[J].金属矿山,2011(6):6-8. Liu Xiaoling，Wang Xinmin，Wu Peng.Experimental research of rapid filling with paste-like coal gangue[J].Metal Mine,2011(6):6-8.

[9] 李学良，李树志，李凤明.采动地基注浆加固治理技术研究[J].金属矿山，2011(11)：33-36. Li Xueliang，Li Shuzhi，Li Fengming.Research on grouting consolidation of foundation over abandoned mine goaf[J].Metal Mine,2011(11)：33-36.

[10] 何国清，杨 伦，凌赓娣,等.矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991. He Guoqing，Yang Lun，Ling Gengdi，et al.Mining Subsidence Science[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press,1991.

[11] 王亚军，贺江洪，闫鹏阳.老采空区地基稳定性附加应力-概率积分法评价[J].金属矿山,2013(2)：135-139. Wang Yajun，He Jianghong，Yan Pengyang.Foundation stability evaluation of old goaf based on additional stress and probability integration[J].Metal Mine,2013(2)：135-139.

[12] 唐志新.采空区煤矸石地基的处理[J].矿山测量,2011,(1):84-86. Tang Zhixin.Treatment of mined out area of coal gangue foundation[J].Mine Surveying，2011(1):84-86.

[13] 徐斗斗，郭广礼，栗 帅.矸石充填体压缩率对充填效果影响的数值模拟[J].金属矿山,2011(3):42-45. Xu Doudou，Guo Guangli，Li Shuai.Numerical simulation on the backfilling effect by compression rate of gangue backfilling[J].Metal Mine,2011(3):42-45.

[14] 李召龙，吴 侃.荷载作用下采空区附加沉降的相似材料模拟研究[J].金属矿山，2012(3):56-59. Li Zhaolong，Wu Kan.Study of similar material simulation on goaf extra subsidence under load[J].Metal Mine,2012(3):56-59.

[15] 段敬民，钱永久，曾宪桃.采空区抗变形住宅建筑体系及其加固技术[J].煤炭工程，2008(8):44-46. Duan Jingmin，Qian Yongjiu，Zeng Xiantao.Anti deformation residential building system in area above mining goaf and reinforced technology[J].Coal Engineering,2008(8):44-46.

(责任编辑 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”国家科技支撑计划重点项目(编号：2012BAC13B03)。

陈利生(1978—)，男，主任，工程师，硕士。

TD853

A

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