高潜水位矿区楼房抗采动变形技术

祁永川

(上海大屯能源股份有限公司公共协调部,江苏沛县 221611)

高潜水位矿区楼房抗采动变形技术

祁永川

(上海大屯能源股份有限公司公共协调部,江苏沛县 221611)

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

为解决村庄下压煤开采问题,保证煤炭企业可持续发展,大屯矿区研究及应用抗采动变形技术,采取预垫高地基建抗变形结构楼房的方法,对压煤村庄进行就地重建,既解放村庄压覆的煤炭资源,又节约土地资源,改善了农民的居住环境,实现了企业、地方及农民三方共赢。

高潜水位;压煤村庄;抗变形技术

据统计,全国村庄等建筑物下、铁路下、水体下压煤达 13.764Gt,其中建筑物下压煤占 50%,而建筑物下压煤的 66%为村庄下压煤。村庄下压煤量半数以上位于江苏、安徽、山东、河北、河南等 5省。大屯矿区位于苏、鲁两省交界处,地势平坦、地表潜水位较高,村庄密集,村庄压煤量占矿区可利用储量的30%,约 0.25Gt。

在我国,实施村庄不搬迁采煤始于上世纪 50年代,当时主要采用部分开采、充填开采、协调开采等井下开采技术措施及对地面已有建筑物进行采前局部加固和采后维护等技术措施。步入上世纪80年代,建抗采动变形结构平房的大型户群的村庄下采煤技术,在国内已得到较广泛应用,在大屯矿区也取得了成功的经验。但建抗采动变形结构二层楼房的大型户群的村庄下采煤技术,目前在国内矿区仍应用较少,尤其是在高潜水位矿区的应用,目前国内尚无报道。为实现在高潜水位条件下,建抗采动变形结构二层楼房,填补不搬迁村庄开采技术的空白,进一步探索抗变形结构房屋在结构形式及材料应用等方面的领域,根据大屯矿区龙东煤矿西辅采区地质采矿条件,结合地下开采对地面房屋的影响及本地区土地资源较少的实际情况,研究和解决在不搬迁村庄 (或不远迁)的条件下实施高潜水位村庄下压煤开采,提出了张庙、后三里 2个自然村合并成 1个新村,利用大部分老村址作为新村建设用地,采用矸石预垫高地基就地建抗采动变形结构二层楼房的技术方案。对压煤村庄实施就地重建,既可最大限度地采出煤炭资源、提高矿井服务年限,符合可持续发展的要求,又可兼顾新农村的规划与建设,改善农民居住条件,提高农民生活质量,还可节约土地资源,保护矿区环境。

1 村庄压煤开采问题

(1)高潜水位、密集型村庄下的压煤正常开采难 龙东煤矿西辅采区地表潜水位较高,一般为0.5～1.1m,开采后地表下沉超过 0.5m地表就有积水。采深较浅,煤层埋深 215～235m,煤层厚度平均为 5.1m,开采后地表出现台阶状裂缝,即使在非充分采动条件下,也会造成地面村庄积水,甚至造成房屋开裂倒塌,从而妨碍村民正常生活和危及生命财产的安全。村庄户群住宅密度大,不迁村则无法正常开采。

(2)异地迁村采煤难度大 通过异地搬迁村庄来解放压煤储量,问题是新村选址难。该地区土地资源少,村庄密集,村庄重复压煤现象较为普遍,若异地迁至无煤区,因不方便生产生活,村民不愿远离故土,而增加搬迁工作难度,致使一个村庄 3～5a都无法搬迁完。从而严重制约着矿井的开拓布置,导致矿井生产系统的失调,以及维护、恢复费高,无形中增加了矿井生产成本。

(3)运用采煤技术开采,造成煤炭资源损失严重 村庄压煤开采技术,已研究近 50a,虽有多种技术措施与方法,但与现有的开采强度、高产高效的要求相距甚远。在现有经济条件下,采用部分开采措施 (最常用的方法为条带开采),一般采出率小于 50%,从而造成大量的资源浪费,且仍难以满足现场的要求和保证村庄安然无恙。

2 村庄下采煤开采技术途径

我国村庄下采煤技术途径和方法主要有:开采方法、岩层控制、建筑物保护、搬迁重建、积水区重建等 5类技术措施。对于某一个村庄下采煤来说,往往是采用 2种或 2种以上的技术方法。

对于土地资源较少,煤炭储量不丰富,且潜水位高,村庄密集的大屯矿区,若部分开采则煤炭资源采出率低,降低矿井的服务年限;若充填开采,则基本建设投资高、生产工艺复杂,生产成本高,在我国村庄下采煤尚无大范围应用;若采用覆岩离层充填减沉技术,从目前国内应用情况看,还不能解决村庄下采煤问题。而在高潜水位塌陷区煤矸石回填造地用作建筑场址,既可改善矿区环境,又符合国家土地复垦政策,同时抗变形建筑技术已日趋成熟,不但可解决村庄搬迁选址难的问题,而且有利于新农村建设。因此,采用煤矸石回填、预垫高地基建抗变形房屋,实施压煤村庄就地搬迁,是解决村庄下压煤问题的重要技术途径之一。

3 新村选址

采用就地重建技术进行村庄下采煤时,新村址应选择在地表移动与变形较小的区域,因下沉积水区,潜水位以下的矸石将长期浸泡在水中,浸泡在水中的矸石层的高度小者较矸石层高度大的场地稳定性好,根据实践经验,宜选在开采预计下沉值小于 1.5m的区域,可以保证房屋地基有足够的强度和稳定性,以满足房屋抗变形技术的要求。依据龙东矿西辅采区开采预计下沉等值线图,在采区西翼地表下沉值小于 1.5m,避开地表变形较大区域,及根据地方政府对农村宅基地用地管理的有关规定和小城镇建设规划的要求,结合张庙、后三里村现有的人口结构、户型户数实际情况,规划张庙、后三里两新村共占地 20hm2。

4 抗变形技术应用

4.1 变形区域划分

依据“三下”采煤规程的有关规定,变形区域的划分,以开采沉陷预计的水平变形值ε为主要参考指标。变形区域划分前,对西辅采区设计开采工作面进行地表移动与变形预计,根据预计的水平变形等值线图,将受开采影响的新村址划分为 5个变形等级区域。

一级变形区:|ε|≤2mm/m

二级变形区:2mm/m<|ε|≤4 mm/m

三级变形区:4mm/m<|ε|≤6 mm/m

四级变形区:6mm/m<|ε|≤8 mm/m

五级变形区:8mm/m<|ε|≤12 mm/m

一般只需划分一至四级,其中五级变形区,是从村址边界的齐整、提高场址利用率角度考虑,五级变形区仅占整个村址的 5%。

4.2 房屋变形等级划分

(1)房屋基础坐落在一级变形区内,该房屋设计为Ⅰ级抗变形,坐落在Ⅱ级变形区内,则设计为Ⅱ级抗变形,以此类推,共 5个等级。

(2)房屋基础坐落在两级变形区之间,按高一等级变形区域设计房屋抗变形等级,以保证房屋的安全性。如房屋基础坐落在一至二级变形区,按二级抗变形等级划分。

4.3 抗变形楼房设计

4.3.1 楼房的建筑设计

在建筑形式上力求简单,平面形状采用矩形单元组合,同时,在建筑高度变化较大、荷载变化较大、平面转折处,以及地基承载能力明显差异处,都应设置足够宽度的变形缝。变形缝的设计必须保证建筑物从基础到屋面全面切开,以形成一条通缝,促使变形缝两侧单元自成独立体,从而保证建筑物相邻单元在地基产生各种不均匀变形时,不会因相互碰撞挤压而破坏。

在后三里新村房屋设计时,每户庭院式布置,有主房、配房,建筑平面矩形单元组合,除了在平面上合理紧凑外,还选择了利于冬季日照、防寒与夏季通风、防热的朝向;在建筑材料选择上,仍使用砖石、钢筋混凝土为主体。这样,既符合我国农村当前实际,又能满足抗变形、抗震、节能、经济、空间尺度合理的要求,做到了功能与环境的统一。在平面布置上,结合现有的房屋建造技术和当地农民的使用习惯,正房以 2层小楼为主,厨房和卫生间与正房分离。并且按照各户人口情况,分别选择了二开间和三开间房型,座北朝南,房屋造型“L”型。每开间宽为3300～3600mm,进深为6500～8000mm,带有外走廊;在立面设计上,采用前窗采光,后窗一层为小高窗;外墙面水泥砂浆粉刷墙,室内抹灰面墙,木制门窗,室内外地坪高差0.3m,楼房层高 3.2m,脊高 8.4m。相邻两户山墙毛石基础之间留有 50mm变形缝,为节约土地,山墙设计为偏心基础,两外墙间隔 460mm。

4.3.2 房屋结构设计

采动区新建抗变形结构房屋的关键是结构设计,不仅要能够满足使用功能与环境的要求,而且还要减少其受附加外力影响的程度。而一个好的结构设计将提高房屋的整体强度和空间刚度,使之能够有效地减小房屋受损害的程度,并具有较强抵抗地表不均匀变形的能力。在采动区抗变形设计中,保护措施分为刚性保护措施和柔性保护措施。刚性措施是在房屋结构中设置构造柱、圈梁、钢筋混凝土加强带等加强构件,用以增加房屋抵抗变形的能力;柔性保护措施 (如变形补偿沟、基础滑动层、房屋变形缝等)是人为地在建筑结构上或地基、基础上形成弱面,用以吸收部分地表变形,从而减小了房屋结构中因采动引起的附加力。

在后三里新村楼房设计中,根据房屋所处地表下沉盆地位置的不同,采取了不同的加强保护措施。在刚性保护措施中,考虑了地表变形值的大小、房屋的平面尺寸,以及回填矸石地基的松散性造成的不均匀沉降等因素,设置了不同等级的构造柱、基础圈梁、檐口圈梁、墙体混凝土加强带等;在柔性保护措施中,设置了基础滑动层、房屋变形缝等,考虑到该村地基为回填矸石地基,本身较为松散,可以吸收部分采动地表变形,不设置地表变形补偿沟。

4.3.3 房屋基础滑动层设计

基础水平滑动层,设置在毛石基础顶面上,毛石基础顶面以 20mm厚,1∶3水泥砂浆抹平压光,水泥砂浆水平层的平整度不得大于 5mm;然后铺 3层 500mm宽的油毡,利用云母片耐腐蚀、滑动摩擦系数小的特点,在两层油毡之间,均匀铺设2mm厚的云母片,使得楼房在采动过程中受较大水平应力影响时能够整体移动。

4.3.4 墙体混凝土加强带设计

在每层窗台下标高位置,沿房屋外墙设置钢筋混凝土薄带一周圈,俗称 “腰带”,遇门洞口断开;与墙体同宽,厚 60mm,配 3层 <6mm钢筋。以此来提高房屋的整体刚度和抗变形能力。

4.4 建筑场址矸石回填

(1)按搬迁工程分期进度,编制分块段回填进度计划。20hm2新村址自南向北分 4期填完。

(2)根据预计地表下沉等值线图和新村规划的室外标高,在回填区域内绘制 10m×10m或 20m ×20m的格网图。在格网每个结点上标出最终回填标高值 (即该点的室外标高加相应点的下沉值)。

(3)根据回填设计图用木桩标定出回填高度,标定桩数量以满足回填需要为宜,一般每回填一层标定 1次。重点控制房屋基础持力层的密实度、标高和平整度,每层回填后保证其表面基本平整,不应有明显的高低凸凹。压实后标高允许偏差 ± 50mm。

(4)块段回填工程竣工后,进行地基承载力试验,施工方提出竣工验收申请,建设方组织验收,验收合格后交付使用。

(5)矸石地基承载力试验,采用慢速维持荷载法并辅助控制下沉量。在压实后的大面积矸石回填地基上,选择压实强度较强、较弱和一般 3个特征测点。测试结果:3个测点的承载能力均达到200kN/m2以上,高于设计承载力 150kN/m2,满足要求,矸石地基的振动碾压效果达到预期目的。

4.5 新村建设与施工质量控制

(1)在新村规划范围内,共完成 2层抗变形结构楼房约 8×104m2,其中民房 7.8×104m2,小学教学楼 0.2×104m2。新村布置成庭院行列式,农村面貌焕然一新,充分体现了科学性、合理性和超前性的规划原则。

(2)为保证抗变形结构楼房施工质量符合设计要求,聘请工程建设监理,按国家有关建筑施工规范和设计要求,全方位、全过程对建筑施工质量进行监督管理。每一栋房屋建立 1份建筑档案,记录该栋房屋自开工到竣工期间的每一道施工工序的检查与隐蔽工程验收等详细情况。

4.6 采动后村庄及房屋现状

新村建成后,龙东矿西辅采区已开采 4个工作面,在受开采影响的新村范围内,村内道路出现了不同程度的裂缝,其裂缝宽度为 20～175mm,个别裂缝出现 50～100mm的台阶;抗变形楼房除按一定规律有整体移动外 (移动距为 10～60mm),房屋本身没有因地表移动和变形而受损,而抗变形房屋附近的一般砖混结构房屋,已受到严重损害。

5 结束语

在采煤塌陷高潜水位矿区,利用矸石回填建筑物场地,采用抗变形技术建 2层楼房的途径实施压煤村庄搬迁,解决村庄下采煤开采问题,在技术上是先进的,经济上是合理的。该技术的应用,为高潜水位、村庄密集型地区的村庄压煤开采,煤矸石合理利用,消除矿区地面矸石山开辟了新途径。不仅可以解放村庄下压煤量,使煤矿获得较大利润,提高矿井服务年限,而且解决了迁村选址难的问题;两村合一,原平房改建楼房,符合新农村建设发展方向,节约了土地资源,改变了农村环境,改善了农民的居住条件,符合国家用地政策,满足现代化村镇规划建设的需要。利用废矸石做回填材料,搬走矸石山,改善了矿区环境,取得了显著的经济效益、环境效益和社会效益。大屯矿区煤田上方密集分布 50多座村庄,压煤量高达 0.25Gt,该项技术在矿区具有广阔的推广应用前景,也可供全国其他条件类似的矿区借鉴。

[1]国家煤炭工业局 .建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 [M].北京:煤炭工业出版社,2000.

[2]周国铨,崔继宪,刘广荣,等.建筑物下采煤 [M].北京:煤炭工业出版社,1983.

[3]谭勇强,祁永川 .利用采煤沉陷区建造民用建筑物的可行性探讨 [C].地下开采现代技术理论与实践新进展 [A].北京:煤炭工业出版社,2007.

[4]天地科技股份有限公司开采所事业部,上海大屯能源股份有限公司.龙东煤矿后三里、张庙村抗采动变形楼房设计[R].北京:天地科技股份有限公司,2000.

[责任编辑:徐乃忠]

TD823.83

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1006-6225(2010)06-0039-03

201-08-30

祁永川 (1963-),男,江苏泗阳人,工程师,现任上海大屯能源公司公共协调部迁村主管,主要从事压煤村庄搬迁工作。