高潛水位礦區(qū)樓房抗采動(dòng)變形技術(shù)

祁永川

(上海大屯能源股份有限公司公共協(xié)調(diào)部,江蘇沛縣 221611)

高潛水位礦區(qū)樓房抗采動(dòng)變形技術(shù)

祁永川

(上海大屯能源股份有限公司公共協(xié)調(diào)部,江蘇沛縣 221611)

Anti-deformation Technology of Buildings with High PhreaticWater Level in M in ing Area

為解決村莊下壓煤開采問題,保證煤炭企業(yè)可持續(xù)發(fā)展,大屯礦區(qū)研究及應(yīng)用抗采動(dòng)變形技術(shù),采取預(yù)墊高地基建抗變形結(jié)構(gòu)樓房的方法,對(duì)壓煤村莊進(jìn)行就地重建,既解放村莊壓覆的煤炭資源,又節(jié)約土地資源,改善了農(nóng)民的居住環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了企業(yè)、地方及農(nóng)民三方共贏。

高潛水位;壓煤村莊;抗變形技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)村莊等建筑物下、鐵路下、水體下壓煤達(dá) 13.764Gt,其中建筑物下壓煤占 50%,而建筑物下壓煤的 66%為村莊下壓煤。村莊下壓煤量半數(shù)以上位于江蘇、安徽、山東、河北、河南等 5省。大屯礦區(qū)位于蘇、魯兩省交界處,地勢(shì)平坦、地表潛水位較高,村莊密集,村莊壓煤量占礦區(qū)可利用儲(chǔ)量的30%,約 0.25Gt。

在我國(guó),實(shí)施村莊不搬遷采煤始于上世紀(jì) 50年代,當(dāng)時(shí)主要采用部分開采、充填開采、協(xié)調(diào)開采等井下開采技術(shù)措施及對(duì)地面已有建筑物進(jìn)行采前局部加固和采后維護(hù)等技術(shù)措施。步入上世紀(jì)80年代,建抗采動(dòng)變形結(jié)構(gòu)平房的大型戶群的村莊下采煤技術(shù),在國(guó)內(nèi)已得到較廣泛應(yīng)用,在大屯礦區(qū)也取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。但建抗采動(dòng)變形結(jié)構(gòu)二層樓房的大型戶群的村莊下采煤技術(shù),目前在國(guó)內(nèi)礦區(qū)仍應(yīng)用較少,尤其是在高潛水位礦區(qū)的應(yīng)用,目前國(guó)內(nèi)尚無報(bào)道。為實(shí)現(xiàn)在高潛水位條件下,建抗采動(dòng)變形結(jié)構(gòu)二層樓房,填補(bǔ)不搬遷村莊開采技術(shù)的空白,進(jìn)一步探索抗變形結(jié)構(gòu)房屋在結(jié)構(gòu)形式及材料應(yīng)用等方面的領(lǐng)域,根據(jù)大屯礦區(qū)龍東煤礦西輔采區(qū)地質(zhì)采礦條件,結(jié)合地下開采對(duì)地面房屋的影響及本地區(qū)土地資源較少的實(shí)際情況,研究和解決在不搬遷村莊 (或不遠(yuǎn)遷)的條件下實(shí)施高潛水位村莊下壓煤開采,提出了張廟、后三里 2個(gè)自然村合并成 1個(gè)新村,利用大部分老村址作為新村建設(shè)用地,采用矸石預(yù)墊高地基就地建抗采動(dòng)變形結(jié)構(gòu)二層樓房的技術(shù)方案。對(duì)壓煤村莊實(shí)施就地重建,既可最大限度地采出煤炭資源、提高礦井服務(wù)年限,符合可持續(xù)發(fā)展的要求,又可兼顧新農(nóng)村的規(guī)劃與建設(shè),改善農(nóng)民居住條件,提高農(nóng)民生活質(zhì)量,還可節(jié)約土地資源,保護(hù)礦區(qū)環(huán)境。

1 村莊壓煤開采問題

(1)高潛水位、密集型村莊下的壓煤正常開采難 龍東煤礦西輔采區(qū)地表潛水位較高,一般為0.5～1.1m,開采后地表下沉超過 0.5m地表就有積水。采深較淺,煤層埋深 215～235m,煤層厚度平均為 5.1m,開采后地表出現(xiàn)臺(tái)階狀裂縫,即使在非充分采動(dòng)條件下,也會(huì)造成地面村莊積水,甚至造成房屋開裂倒塌,從而妨礙村民正常生活和危及生命財(cái)產(chǎn)的安全。村莊戶群住宅密度大,不遷村則無法正常開采。

(2)異地遷村采煤難度大 通過異地搬遷村莊來解放壓煤儲(chǔ)量,問題是新村選址難。該地區(qū)土地資源少,村莊密集,村莊重復(fù)壓煤現(xiàn)象較為普遍,若異地遷至無煤區(qū),因不方便生產(chǎn)生活,村民不愿遠(yuǎn)離故土,而增加搬遷工作難度,致使一個(gè)村莊 3～5a都無法搬遷完。從而嚴(yán)重制約著礦井的開拓布置,導(dǎo)致礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的失調(diào),以及維護(hù)、恢復(fù)費(fèi)高,無形中增加了礦井生產(chǎn)成本。

(3)運(yùn)用采煤技術(shù)開采,造成煤炭資源損失嚴(yán)重 村莊壓煤開采技術(shù),已研究近 50a,雖有多種技術(shù)措施與方法,但與現(xiàn)有的開采強(qiáng)度、高產(chǎn)高效的要求相距甚遠(yuǎn)。在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)條件下,采用部分開采措施 (最常用的方法為條帶開采),一般采出率小于 50%,從而造成大量的資源浪費(fèi),且仍難以滿足現(xiàn)場(chǎng)的要求和保證村莊安然無恙。

2 村莊下采煤開采技術(shù)途徑

我國(guó)村莊下采煤技術(shù)途徑和方法主要有:開采方法、巖層控制、建筑物保護(hù)、搬遷重建、積水區(qū)重建等 5類技術(shù)措施。對(duì)于某一個(gè)村莊下采煤來說,往往是采用 2種或 2種以上的技術(shù)方法。

對(duì)于土地資源較少,煤炭?jī)?chǔ)量不豐富,且潛水位高,村莊密集的大屯礦區(qū),若部分開采則煤炭資源采出率低,降低礦井的服務(wù)年限;若充填開采,則基本建設(shè)投資高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜,生產(chǎn)成本高,在我國(guó)村莊下采煤尚無大范圍應(yīng)用;若采用覆巖離層充填減沉技術(shù),從目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況看,還不能解決村莊下采煤?jiǎn)栴}。而在高潛水位塌陷區(qū)煤矸石回填造地用作建筑場(chǎng)址,既可改善礦區(qū)環(huán)境,又符合國(guó)家土地復(fù)墾政策,同時(shí)抗變形建筑技術(shù)已日趨成熟,不但可解決村莊搬遷選址難的問題,而且有利于新農(nóng)村建設(shè)。因此,采用煤矸石回填、預(yù)墊高地基建抗變形房屋,實(shí)施壓煤村莊就地搬遷,是解決村莊下壓煤?jiǎn)栴}的重要技術(shù)途徑之一。

3 新村選址

采用就地重建技術(shù)進(jìn)行村莊下采煤時(shí),新村址應(yīng)選擇在地表移動(dòng)與變形較小的區(qū)域,因下沉積水區(qū),潛水位以下的矸石將長(zhǎng)期浸泡在水中,浸泡在水中的矸石層的高度小者較矸石層高度大的場(chǎng)地穩(wěn)定性好,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),宜選在開采預(yù)計(jì)下沉值小于 1.5m的區(qū)域,可以保證房屋地基有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,以滿足房屋抗變形技術(shù)的要求。依據(jù)龍東礦西輔采區(qū)開采預(yù)計(jì)下沉等值線圖,在采區(qū)西翼地表下沉值小于 1.5m,避開地表變形較大區(qū)域,及根據(jù)地方政府對(duì)農(nóng)村宅基地用地管理的有關(guān)規(guī)定和小城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃的要求,結(jié)合張廟、后三里村現(xiàn)有的人口結(jié)構(gòu)、戶型戶數(shù)實(shí)際情況,規(guī)劃張廟、后三里兩新村共占地 20hm2。

4 抗變形技術(shù)應(yīng)用

4.1 變形區(qū)域劃分

依據(jù)“三下”采煤規(guī)程的有關(guān)規(guī)定,變形區(qū)域的劃分,以開采沉陷預(yù)計(jì)的水平變形值ε為主要參考指標(biāo)。變形區(qū)域劃分前,對(duì)西輔采區(qū)設(shè)計(jì)開采工作面進(jìn)行地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì),根據(jù)預(yù)計(jì)的水平變形等值線圖,將受開采影響的新村址劃分為 5個(gè)變形等級(jí)區(qū)域。

一級(jí)變形區(qū):|ε|≤2mm/m

二級(jí)變形區(qū):2mm/m<|ε|≤4 mm/m

三級(jí)變形區(qū):4mm/m<|ε|≤6 mm/m

四級(jí)變形區(qū):6mm/m<|ε|≤8 mm/m

五級(jí)變形區(qū):8mm/m<|ε|≤12 mm/m

一般只需劃分一至四級(jí),其中五級(jí)變形區(qū),是從村址邊界的齊整、提高場(chǎng)址利用率角度考慮,五級(jí)變形區(qū)僅占整個(gè)村址的 5%。

4.2 房屋變形等級(jí)劃分

(1)房屋基礎(chǔ)坐落在一級(jí)變形區(qū)內(nèi),該房屋設(shè)計(jì)為Ⅰ級(jí)抗變形,坐落在Ⅱ級(jí)變形區(qū)內(nèi),則設(shè)計(jì)為Ⅱ級(jí)抗變形,以此類推,共 5個(gè)等級(jí)。

(2)房屋基礎(chǔ)坐落在兩級(jí)變形區(qū)之間,按高一等級(jí)變形區(qū)域設(shè)計(jì)房屋抗變形等級(jí),以保證房屋的安全性。如房屋基礎(chǔ)坐落在一至二級(jí)變形區(qū),按二級(jí)抗變形等級(jí)劃分。

4.3 抗變形樓房設(shè)計(jì)

4.3.1 樓房的建筑設(shè)計(jì)

在建筑形式上力求簡(jiǎn)單,平面形狀采用矩形單元組合,同時(shí),在建筑高度變化較大、荷載變化較大、平面轉(zhuǎn)折處,以及地基承載能力明顯差異處,都應(yīng)設(shè)置足夠?qū)挾鹊淖冃慰p。變形縫的設(shè)計(jì)必須保證建筑物從基礎(chǔ)到屋面全面切開,以形成一條通縫,促使變形縫兩側(cè)單元自成獨(dú)立體,從而保證建筑物相鄰單元在地基產(chǎn)生各種不均勻變形時(shí),不會(huì)因相互碰撞擠壓而破壞。

在后三里新村房屋設(shè)計(jì)時(shí),每戶庭院式布置,有主房、配房,建筑平面矩形單元組合,除了在平面上合理緊湊外,還選擇了利于冬季日照、防寒與夏季通風(fēng)、防熱的朝向;在建筑材料選擇上,仍使用磚石、鋼筋混凝土為主體。這樣,既符合我國(guó)農(nóng)村當(dāng)前實(shí)際,又能滿足抗變形、抗震、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、空間尺度合理的要求,做到了功能與環(huán)境的統(tǒng)一。在平面布置上,結(jié)合現(xiàn)有的房屋建造技術(shù)和當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的使用習(xí)慣,正房以 2層小樓為主,廚房和衛(wèi)生間與正房分離。并且按照各戶人口情況,分別選擇了二開間和三開間房型,座北朝南,房屋造型“L”型。每開間寬為3300～3600mm,進(jìn)深為6500～8000mm,帶有外走廊;在立面設(shè)計(jì)上,采用前窗采光,后窗一層為小高窗;外墻面水泥砂漿粉刷墻,室內(nèi)抹灰面墻,木制門窗,室內(nèi)外地坪高差0.3m,樓房層高 3.2m,脊高 8.4m。相鄰兩戶山墻毛石基礎(chǔ)之間留有 50mm變形縫,為節(jié)約土地,山墻設(shè)計(jì)為偏心基礎(chǔ),兩外墻間隔 460mm。

4.3.2 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采動(dòng)區(qū)新建抗變形結(jié)構(gòu)房屋的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不僅要能夠滿足使用功能與環(huán)境的要求,而且還要減少其受附加外力影響的程度。而一個(gè)好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將提高房屋的整體強(qiáng)度和空間剛度,使之能夠有效地減小房屋受損害的程度,并具有較強(qiáng)抵抗地表不均勻變形的能力。在采動(dòng)區(qū)抗變形設(shè)計(jì)中,保護(hù)措施分為剛性保護(hù)措施和柔性保護(hù)措施。剛性措施是在房屋結(jié)構(gòu)中設(shè)置構(gòu)造柱、圈梁、鋼筋混凝土加強(qiáng)帶等加強(qiáng)構(gòu)件,用以增加房屋抵抗變形的能力;柔性保護(hù)措施 (如變形補(bǔ)償溝、基礎(chǔ)滑動(dòng)層、房屋變形縫等)是人為地在建筑結(jié)構(gòu)上或地基、基礎(chǔ)上形成弱面,用以吸收部分地表變形,從而減小了房屋結(jié)構(gòu)中因采動(dòng)引起的附加力。

在后三里新村樓房設(shè)計(jì)中,根據(jù)房屋所處地表下沉盆地位置的不同,采取了不同的加強(qiáng)保護(hù)措施。在剛性保護(hù)措施中,考慮了地表變形值的大小、房屋的平面尺寸,以及回填矸石地基的松散性造成的不均勻沉降等因素,設(shè)置了不同等級(jí)的構(gòu)造柱、基礎(chǔ)圈梁、檐口圈梁、墻體混凝土加強(qiáng)帶等;在柔性保護(hù)措施中,設(shè)置了基礎(chǔ)滑動(dòng)層、房屋變形縫等,考慮到該村地基為回填矸石地基,本身較為松散,可以吸收部分采動(dòng)地表變形,不設(shè)置地表變形補(bǔ)償溝。

4.3.3 房屋基礎(chǔ)滑動(dòng)層設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)水平滑動(dòng)層,設(shè)置在毛石基礎(chǔ)頂面上,毛石基礎(chǔ)頂面以 20mm厚,1∶3水泥砂漿抹平壓光,水泥砂漿水平層的平整度不得大于 5mm;然后鋪 3層 500mm寬的油氈,利用云母片耐腐蝕、滑動(dòng)摩擦系數(shù)小的特點(diǎn),在兩層油氈之間,均勻鋪設(shè)2mm厚的云母片,使得樓房在采動(dòng)過程中受較大水平應(yīng)力影響時(shí)能夠整體移動(dòng)。

4.3.4 墻體混凝土加強(qiáng)帶設(shè)計(jì)

在每層窗臺(tái)下標(biāo)高位置,沿房屋外墻設(shè)置鋼筋混凝土薄帶一周圈,俗稱 “腰帶”,遇門洞口斷開;與墻體同寬,厚 60mm,配 3層 <6mm鋼筋。以此來提高房屋的整體剛度和抗變形能力。

4.4 建筑場(chǎng)址矸石回填

(1)按搬遷工程分期進(jìn)度,編制分塊段回填進(jìn)度計(jì)劃。20hm2新村址自南向北分 4期填完。

(2)根據(jù)預(yù)計(jì)地表下沉等值線圖和新村規(guī)劃的室外標(biāo)高,在回填區(qū)域內(nèi)繪制 10m×10m或 20m ×20m的格網(wǎng)圖。在格網(wǎng)每個(gè)結(jié)點(diǎn)上標(biāo)出最終回填標(biāo)高值 (即該點(diǎn)的室外標(biāo)高加相應(yīng)點(diǎn)的下沉值)。

(3)根據(jù)回填設(shè)計(jì)圖用木樁標(biāo)定出回填高度,標(biāo)定樁數(shù)量以滿足回填需要為宜,一般每回填一層標(biāo)定 1次。重點(diǎn)控制房屋基礎(chǔ)持力層的密實(shí)度、標(biāo)高和平整度,每層回填后保證其表面基本平整,不應(yīng)有明顯的高低凸凹。壓實(shí)后標(biāo)高允許偏差 ± 50mm。

(4)塊段回填工程竣工后,進(jìn)行地基承載力試驗(yàn),施工方提出竣工驗(yàn)收申請(qǐng),建設(shè)方組織驗(yàn)收,驗(yàn)收合格后交付使用。

(5)矸石地基承載力試驗(yàn),采用慢速維持荷載法并輔助控制下沉量。在壓實(shí)后的大面積矸石回填地基上,選擇壓實(shí)強(qiáng)度較強(qiáng)、較弱和一般 3個(gè)特征測(cè)點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果:3個(gè)測(cè)點(diǎn)的承載能力均達(dá)到200kN/m2以上,高于設(shè)計(jì)承載力 150kN/m2,滿足要求,矸石地基的振動(dòng)碾壓效果達(dá)到預(yù)期目的。

4.5 新村建設(shè)與施工質(zhì)量控制

(1)在新村規(guī)劃范圍內(nèi),共完成 2層抗變形結(jié)構(gòu)樓房約 8×104m2,其中民房 7.8×104m2,小學(xué)教學(xué)樓 0.2×104m2。新村布置成庭院行列式,農(nóng)村面貌煥然一新,充分體現(xiàn)了科學(xué)性、合理性和超前性的規(guī)劃原則。

(2)為保證抗變形結(jié)構(gòu)樓房施工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求,聘請(qǐng)工程建設(shè)監(jiān)理,按國(guó)家有關(guān)建筑施工規(guī)范和設(shè)計(jì)要求,全方位、全過程對(duì)建筑施工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督管理。每一棟房屋建立 1份建筑檔案,記錄該棟房屋自開工到竣工期間的每一道施工工序的檢查與隱蔽工程驗(yàn)收等詳細(xì)情況。

4.6 采動(dòng)后村莊及房屋現(xiàn)狀

新村建成后,龍東礦西輔采區(qū)已開采 4個(gè)工作面,在受開采影響的新村范圍內(nèi),村內(nèi)道路出現(xiàn)了不同程度的裂縫,其裂縫寬度為 20～175mm,個(gè)別裂縫出現(xiàn) 50～100mm的臺(tái)階;抗變形樓房除按一定規(guī)律有整體移動(dòng)外 (移動(dòng)距為 10～60mm),房屋本身沒有因地表移動(dòng)和變形而受損,而抗變形房屋附近的一般磚混結(jié)構(gòu)房屋,已受到嚴(yán)重?fù)p害。

5 結(jié)束語

在采煤塌陷高潛水位礦區(qū),利用矸石回填建筑物場(chǎng)地,采用抗變形技術(shù)建 2層樓房的途徑實(shí)施壓煤村莊搬遷,解決村莊下采煤開采問題,在技術(shù)上是先進(jìn)的,經(jīng)濟(jì)上是合理的。該技術(shù)的應(yīng)用,為高潛水位、村莊密集型地區(qū)的村莊壓煤開采,煤矸石合理利用,消除礦區(qū)地面矸石山開辟了新途徑。不僅可以解放村莊下壓煤量,使煤礦獲得較大利潤(rùn),提高礦井服務(wù)年限,而且解決了遷村選址難的問題;兩村合一,原平房改建樓房,符合新農(nóng)村建設(shè)發(fā)展方向,節(jié)約了土地資源,改變了農(nóng)村環(huán)境,改善了農(nóng)民的居住條件,符合國(guó)家用地政策,滿足現(xiàn)代化村鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)的需要。利用廢矸石做回填材料,搬走矸石山,改善了礦區(qū)環(huán)境,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。大屯礦區(qū)煤田上方密集分布 50多座村莊,壓煤量高達(dá) 0.25Gt,該項(xiàng)技術(shù)在礦區(qū)具有廣闊的推廣應(yīng)用前景,也可供全國(guó)其他條件類似的礦區(qū)借鑒。

[1]國(guó)家煤炭工業(yè)局 .建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

[2]周國(guó)銓,崔繼憲,劉廣榮,等.建筑物下采煤 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1983.

[3]譚勇強(qiáng),祁永川 .利用采煤沉陷區(qū)建造民用建筑物的可行性探討 [C].地下開采現(xiàn)代技術(shù)理論與實(shí)踐新進(jìn)展 [A].北京:煤炭工業(yè)出版社,2007.

[4]天地科技股份有限公司開采所事業(yè)部,上海大屯能源股份有限公司.龍東煤礦后三里、張廟村抗采動(dòng)變形樓房設(shè)計(jì)[R].北京:天地科技股份有限公司,2000.

[責(zé)任編輯:徐乃忠]

TD823.83

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1006-6225(2010)06-0039-03

201-08-30

祁永川 (1963-),男,江蘇泗陽人,工程師,現(xiàn)任上海大屯能源公司公共協(xié)調(diào)部遷村主管,主要從事壓煤村莊搬遷工作。