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(tuán)北京土地整治與生態(tài)修復(fù)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(fù)工程研究中心，北京 100010)

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目區(qū)概況

任城區(qū)是濟(jì)寧市主城區(qū)，全市經(jīng)濟(jì)、文化、金融、教育中心，行政區(qū)面積651 km2，常住人口102.2萬(wàn)。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(chǔ)量22.12億t，1998年以來共建成投產(chǎn)8對(duì)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(shè)計(jì)生產(chǎn)能力885萬(wàn)t/a，核定生產(chǎn)能力1 382萬(wàn)t/a。截至2018年已累計(jì)開采原煤2億多噸，近5年共開采原煤5 156萬(wàn)t，實(shí)現(xiàn)銷售收入256.9億元，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)65.22億元、利稅116.74億元，解決勞動(dòng)就業(yè)1.6萬(wàn)余人。

作為山東省和濟(jì)寧市的產(chǎn)煤大區(qū)，任城區(qū)曾為國(guó)家和地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，由于煤炭開采引發(fā)的土地塌陷等問題日益突出，嚴(yán)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(jì)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?xí)r間長(zhǎng))約23.33 km2。

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

圖1 項(xiàng)目區(qū)位示意圖

1.2 煤層開采情況

任城項(xiàng)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(gè)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(shí)間為2013～2014年,如圖2所示。由于項(xiàng)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(yù)測(cè)性、長(zhǎng)期性、隱蔽性及復(fù)雜性等顯著特點(diǎn)，后期會(huì)對(duì)地表建筑物等使用構(gòu)成極大安全隱患。解決條帶開采沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害系列問題是破解城市發(fā)展困局的關(guān)鍵。任城區(qū)聯(lián)合中國(guó)煤炭科工集團(tuán)，采用“技術(shù)研究+資本投入”運(yùn)作方式，融合“平臺(tái)+運(yùn)營(yíng)+技術(shù)”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(xiàng)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(gè)難點(diǎn)，一是治理資金支付壓力大。沉陷區(qū)綜合治理是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，生態(tài)修復(fù)、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(fù)治理基金和土地復(fù)墾費(fèi)用不足，地方政府財(cái)政能力難以支持采煤沉陷區(qū)綜合治理的費(fèi)用，治理資金的匱乏造成沉陷區(qū)綜合治理進(jìn)度整體緩慢，治理效果不明顯。二是治理技術(shù)要求高。因?yàn)樵擁?xiàng)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(xué)、集約、節(jié)約用地的原則，將該地塊治理為可以建設(shè)高層建筑的建設(shè)用地最為適宜，這就需要治理技術(shù)和治理效果完全滿足地面安全建設(shè)的需求。三是社會(huì)資本參與積極性不高。國(guó)家和山東省雖出臺(tái)規(guī)定，鼓勵(lì)因地制宜、綜合治理，但并未制定因此造成的土地利用結(jié)構(gòu)和布局調(diào)整的支持性政策，據(jù)實(shí)治理隨時(shí)可能面臨違法違規(guī)用地風(fēng)險(xiǎn)，很難大規(guī)模展開，社會(huì)資本治理采煤塌陷地投資大、回報(bào)率低，因缺乏合理的投資合作模式，社會(huì)資本參與度不高。

2.1 沉陷區(qū)治理和棚戶區(qū)改造相結(jié)合

依據(jù)任城區(qū)城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展需求，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)棚戶區(qū)改造的需求，因地制宜開展項(xiàng)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(shè)用地，解決沉陷區(qū)治理、棚戶區(qū)改造對(duì)建設(shè)用地的需求，同時(shí)提升項(xiàng)目區(qū)土地利用的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益，拓展城市發(fā)展空間。

2.2 采用先進(jìn)高效的治理技術(shù)

該項(xiàng)目按照“勘察-評(píng)估-設(shè)計(jì)-治理-監(jiān)測(cè)”的科學(xué)步驟開展工作，采用控制充填技術(shù)、定向鉆進(jìn)、建筑固料再生利用、深部定向光纖等創(chuàng)新技術(shù)，確保了“地下-地上”一體化安全保障體系(技術(shù)一體化、責(zé)任一體化，建設(shè)一體化)的建立，實(shí)現(xiàn)了以先進(jìn)技術(shù)保障建設(shè)安全的目標(biāo)。

2.3 建立科學(xué)的投資合作模式

該項(xiàng)目以任城區(qū)政府和社會(huì)資本合作的模式，成立“SPV”合資公司，實(shí)施“技術(shù)、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(xiàng)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(jià)值，促成土地資源再生，同時(shí)極大地改善人居生態(tài)環(huán)境，打造了中國(guó)首個(gè)條帶開采沉陷區(qū)高層建筑群土地再利用項(xiàng)目。

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

3 治理方案

3.1 采空區(qū)詳細(xì)勘察

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

3.2 勘察結(jié)論

(1)項(xiàng)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(dòng)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(dòng)、不充分垮落、全沖水狀態(tài)。

(2)根據(jù)勘察結(jié)果，項(xiàng)目區(qū)作為城市高密度建筑群綜合開發(fā)建設(shè)場(chǎng)地進(jìn)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(jié)合該項(xiàng)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(duì)該采空區(qū)采用灌漿充填治理方案。

3.3 治理設(shè)計(jì)

在對(duì)采空區(qū)詳細(xì)勘察的基礎(chǔ)上，開展了項(xiàng)目區(qū)采空區(qū)治理工程設(shè)計(jì)工作，為工程施工提供依據(jù)，對(duì)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(hù)煤柱與墩臺(tái)設(shè)計(jì)相結(jié)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(jìn)度要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(duì)環(huán)境破壞小，技術(shù)成熟、可靠的特點(diǎn)，設(shè)計(jì) 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(hù)與墩臺(tái)注漿相結(jié)合局部充填方案

從施工工藝、技術(shù)可靠性、施工占地協(xié)調(diào)難度、社會(huì)影響及工程造價(jià)等方面對(duì)治理方案進(jìn)行了綜合對(duì)比，7334、7338工作面采空區(qū)治理利用煤柱自身強(qiáng)度，通過對(duì)條帶開采后遺留煤柱進(jìn)行注漿保護(hù)，防止煤柱受地下水、長(zhǎng)期荷載作用，煤柱剝落、風(fēng)化及塑性區(qū)向煤柱內(nèi)部進(jìn)一步發(fā)展，充分利用煤柱自身強(qiáng)度對(duì)上部地層起到承載作用；同時(shí)在采空區(qū)內(nèi)設(shè)置 50 m×50 m 墩臺(tái)，起到分擔(dān)煤柱荷載，降低煤柱內(nèi)應(yīng)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(jié)合

煤礦采空區(qū)充填治理工程需要大量?jī)r(jià)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(gòu)買獲取。該項(xiàng)目場(chǎng)地原為棚戶區(qū)，地面建筑物多為 1～2 層的磚混結(jié)構(gòu)或磚結(jié)構(gòu)，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(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，項(xiàng)目場(chǎng)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是無化學(xué)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(shí)現(xiàn)建筑垃圾再生材料替代部分需購(gòu)買的工程材料，實(shí)現(xiàn)建筑垃圾環(huán)保再利用和環(huán)境保護(hù)雙重效果，如圖5所示。

圖5 項(xiàng)目區(qū)建筑廢料破碎機(jī)

3.4 治理成果

截止2020年1月31日，任城項(xiàng)目已經(jīng)完成鉆孔126個(gè)，注漿113 260 m3，經(jīng)過對(duì)已經(jīng)治理完成的2個(gè)采空區(qū)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)工作，地面移動(dòng)觀測(cè)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(guó)標(biāo)GB 51044-2014及T 00/CAGHP 005的相關(guān)要求，表明治理效果良好;對(duì)鉆探取芯結(jié)石體試樣進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果顯示，結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)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(duì)不同序次的鉆孔取芯情況統(tǒng)計(jì)，采空區(qū)底板往上50 m范圍內(nèi)的整個(gè)裂隙帶注漿段，均取出漿液結(jié)石體，表明整個(gè)采空區(qū)及其覆巖的裂隙，得到了有效的注漿充填加固。

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

圖6 沉陷區(qū)安置方案設(shè)計(jì)

4 結(jié) 論

(1)該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了沉陷區(qū)治理與利用的效益最大化。項(xiàng)目結(jié)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(shè)場(chǎng)地，解決了沉陷區(qū)治理、棚戶區(qū)改造對(duì)建設(shè)用地的需求，同時(shí)提升項(xiàng)目區(qū)土地利用的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)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(xiàng)目以政府和社會(huì)資本合作的模式，成立“SPV”合資公司，實(shí)施“技術(shù)、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(guó)采煤沉陷區(qū)治理引入社會(huì)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(jià)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(fù)耕、濕地生態(tài)建設(shè)等傳統(tǒng)治理模式和理念，實(shí)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(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)。項(xiàng)目采用了采空區(qū)控制充填技術(shù)、定向鉆進(jìn)、建筑固料再生利用、深部定向光纖等創(chuàng)新技術(shù)，確保了“地下-地上”一體化安全保障體系(技術(shù)一體化、責(zé)任一體化，建設(shè)一體化)的建立，實(shí)現(xiàn)了以先進(jìn)技術(shù)保障建設(shè)安全的目標(biāo)。