一种采煤塌陷区修复方法

本发明属于煤矿开采领域，具体涉及一种采煤塌陷区修复方法。

背景技术：

煤炭资源开采形成采空区，导致上覆岩层失去下部支撑，原始平衡条件被破坏而产生移动、变形、破坏及塌落，进而造成地面塌陷、地裂缝等一系列的地质灾害(图1)。随着经济发展的需要，全国性的基础建设正在加速进行，高速公路、铁路、桥梁、隧道等设施，工业厂房及民用建筑等已随处可见，而土地资源却在日益减少，如此一来，某些大型建设项目必定需要在老采空区上方进行。在附加荷载作用下，可能会使原本处于相对平衡状态的垮落裂隙带岩体重新“活化”，造成老采空区上覆岩层的重新垮落、破碎、移动，进而导致地表再次产生移动和变形，地基受此影响后出现不良状况，稳定性变差，致使建筑物发生不均匀沉降、开裂、倾斜甚至倒塌等现象。因此，亟须从生态环境保护和煤炭开采协同发展的角度，研究采煤塌陷区开采损伤特征、稳定性评价及修复关键技术，促进煤炭生产与环境保护的协调发展。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种采煤塌陷区修复方法,包括如下步骤：s1，进行采煤塌陷区工程地质环境调研及岩土力学测试分析；

s11,采用传统的野外及矿井工程地质调查手段，收集矿区地质资料，包括采空区位置及范围，采动影响范围，采动影响范围内的地形地貌、地质构造、水文地质、地表生态环境；

s12，现场采集采煤塌陷区不同埋深的岩土样(即获取钻孔柱状)，基于室内岩土力学试验测试，获得采煤塌陷区岩土体物理力学参数和结构特征参数，为物理模拟、理论分析提供基础。

s2，构建采煤塌陷区稳定性评价体系；

s21,基于物理模拟、数值模拟、参考实测数据(即充分利用大量的数据)，定性或定量计算各影响因素对塌陷区稳定性的影响程度，获得各影响因素的敏感性指数，建立采煤塌陷区稳定性评价的多层次结构体系；

优选的，上述影响因素主要包括：采高、采宽、采深、采长、垮落带高度及岩性、有无厚硬岩层及厚硬岩层的位置；

s22,基于采煤塌陷区的建设用途需求，采煤塌陷区稳定性评价标准仅设定采煤塌陷区地表残余沉降这一个指标；对影响采煤塌陷区残余沉降的影响因素进行敏感性分析，目的是定性或定量给出每个影响因素的影响程度，确定影响程度较大的一个或几个关键影响因素，剔除影响程度较小的影响因素；

s23,最终确定的关键影响因素为：垮落带高度及岩性、厚硬岩层的位置以及采深采宽比。

优选的，步骤s2中的岩土体物理力学参数和结构特征参数可参考步骤s1中的测试结果。

s3，进行采煤塌陷区工程地质力学模型试验；

s31,根据相似准则，概化采煤塌陷区工程地质力学模型，再现采动塌陷过程；仅监测地表残余沉降以及影响地表残余沉降的关键因素，基于监测结果获取采煤塌陷区形成的时空数据；

s32，构建三维物理模型支架，所述三维物理模型支架包括模型框架、开采模拟区、应力测点和位移测点；模型框架包括矩形的底板、前侧板、后侧板、左侧板、右侧板，在底板的四角下部设置有支腿，在底板四角上部、支腿正上方设置有支撑立柱，前侧板、后侧板、左侧板、右侧板分别通过螺栓固定在相邻的支撑立柱上；

在底板的中部开挖矩形孔槽，设置开采模拟区，开挖模拟区包括呈阵列分布在矩形孔槽内的矩形块，在矩形块的底部为伸缩装置，在矩形块的顶部为底板应力测点，矩形块的高度大于所需模拟煤层开采高度；

此外，还设置有上覆岩层应力测点，位移测点包括地表沉陷测点、上覆岩层位移测点。

优选的，前侧板、后侧板、左侧板、右侧板自下而上由多块矩形板组成。

优选的，在底板上、开采模拟区外也设置有底板应力测点。

s33，构建三维物理模型，将矩形块顶升至预设高度，使得矩形块超出底板的高度为所需要模拟的采高，自下而上依次铺设煤层、岩层、松散层所对应的相似模拟材料，其中岩层类型及厚度按照步骤s12探查的钻孔柱状确定，岩层配比由各层岩性(包括岩石类型及其相关力学性质)决定；

岩层铺设过程中，在所需观测应力、位移的岩层中埋设上覆岩层应力测点、上覆岩层位移测点；在地表需观测下沉的位置安设地表沉陷测点；

优选的，基于步骤s23确定的关键影响因素，将上覆岩层应力测点、上覆岩层位移测点设于厚硬岩层位置、采空区垮落带顶板位置。

s34，模拟开挖，自左而右依次模拟开挖煤层，模拟开挖方式为收缩伸缩装置，使得矩形块下移，直至矩形块的顶部与底板顶部齐平，伸缩装置收缩时必须一次尽可能的快速收缩到位，而不是缓慢降低，要使得在降低过程中，上部的岩层与矩形顶板脱离后形成悬空，即使得煤层顶板是摔落到矩形块顶部的；

优选的，步骤s33中，矩形块的顶升高度m+n大于煤层采高m，大于的值为n，则在煤层底板先铺设厚度为n的煤层下底板岩层，然后再铺设设计采高厚度m的煤层，此时煤层顶板高度与矩形块顶部高度相同；步骤s34中，模拟开挖时使得矩形块下降值为m。

优选的，步骤s2中的物理模拟可以采用步骤s3中的三维物理模型支架进行模拟。

地表存在残余沉降是因为其下覆岩层中存在空间/空隙，这些空间/空隙逐渐被压缩而传递至地表，要想控制残余沉降，就要找到这些空隙所在，以采区控制手段。

s4，进行采煤塌陷区修复；

s41,基于步骤s3的物理模拟可以确定采煤塌陷区的岩层中残存空隙的主要分布位置，结合步骤s11获得的采煤塌陷区工程地质环境，确定地面钻孔孔位，自地面通过钻孔对残存空隙的主要分布位置进行注浆充填；

s411,当岩层中存在厚硬岩层时，当厚硬岩层靠近煤层，开采后会导致厚硬岩层破断，其残存空隙位于厚硬岩层以下直至采空区垮落带；当厚硬岩层远离煤层，开采后不会导致厚硬岩层破断，其残存空隙主要位于厚硬岩层下部的离层(厚硬岩层处仅一个完整的空隙，且上部即厚硬岩层)和采空区垮落带；

s412,当没有厚硬岩层时，残存空隙主要位于垮落带，当采深与采宽的比较小时，残存空隙主要位于采空区垮落带周围的环形圈/o型圈；当采深与采宽的比较大时，残存空隙位于整个采空区垮落带；

s42，进行地表采煤塌陷区回填。

本发明的有益技术效果为：将影响地表残余沉降的影响因素进行降维，确定普适性的关键影响因素进行简化研究，基于此，设计了三维物理模型，基于物理模型可以确定上覆岩层中的残存空隙的主要分布位置，结合获得的采煤塌陷区工程地质环境，确定地面钻孔孔位，自地表对残存空隙的主要分布位置进行注浆充填，有的放矢。

附图说明

图1是采煤地层破坏、地表塌陷示意图；

图2是本发明三维模型支架示意图；

图中，模型框架1；模型立杆11；支腿12；开采模拟区3；开采分块31；伸缩结构32；底板应力测点33；上覆岩层应力测点4，地表沉陷测点5；上覆岩层位移测点6。

具体实施方式

一种采煤塌陷区修复方法,包括如下步骤：s1，进行采煤塌陷区工程地质环境调研及岩土力学测试分析；

s11,采用传统的野外及矿井工程地质调查手段，收集矿区地质资料，包括采空区位置及范围，采动影响范围，采动影响范围内的地形地貌、地质构造、水文地质、地表生态环境；

s12，现场采集采煤塌陷区不同埋深的岩土样(即获取钻孔柱状)，基于室内岩土力学试验测试，获得采煤塌陷区岩土体物理力学参数和结构特征参数，为物理模拟、理论分析提供基础。

s2，构建采煤塌陷区稳定性评价体系；

s21,基于物理模拟、数值模拟、参考实测数据(即充分利用大量的数据)，定性或定量计算各影响因素对塌陷区稳定性的影响程度，获得各影响因素的敏感性指数，建立采煤塌陷区稳定性评价的多层次结构体系；

优选的，上述影响因素主要包括：采高、采宽、采深、采长、垮落带高度及岩性、有无厚硬岩层及厚硬岩层的位置；

s22,基于采煤塌陷区的建设用途需求，采煤塌陷区稳定性评价标准仅设定采煤塌陷区地表残余沉降这一个指标；对影响采煤塌陷区残余沉降的影响因素进行敏感性分析，目的是定性或定量给出每个影响因素的影响程度，确定影响程度较大的一个或几个关键影响因素，剔除影响程度较小的影响因素；这个过程相当于对不确定性分析进行降维，否则影响因素太多，计算量太大。

s23,最终确定的关键影响因素为：垮落带高度及岩性、厚硬岩层的位置以及采深采宽比。

该步骤的目的在于确定影响采煤塌陷区地表残余沉降的关键因素或主要因素，这些关键因素或主要因素是普适性的，即一般适用于所有的采煤塌陷区工况；确定好这些关键因素后才利于步骤s3的实施，对简化步骤s3具有重要意义。

s3，进行采煤塌陷区工程地质力学模型试验；

s31,根据相似准则，概化采煤塌陷区工程地质力学模型，再现采动塌陷过程；仅监测地表残余沉降以及影响地表残余沉降的关键因素，基于监测结果获取采煤塌陷区形成的时空数据；

s32，构建三维物理模型支架，所述三维物理模型支架包括模型框架1、开采模拟区3、应力测点和位移测点；模型框架1包括矩形的底板、前侧板、后侧板、左侧板、右侧板，在底板的四角下部设置有支腿12，在底板四角上部、支腿正上方设置有支撑立柱11，前侧板、后侧板、左侧板、右侧板分别通过螺栓固定在相邻的支撑立柱11上；

在底板的中部开挖矩形孔槽，设置开采模拟区3，开挖模拟区3包括呈阵列分布在矩形孔槽内的矩形块31，在矩形块31的底部为伸缩装置32，在矩形块31的顶部为底板应力测点33，矩形块的高度大于所需模拟煤层开采高度；

此外，还设置有上覆岩层应力测点4，位移测点包括地表沉陷测点5、上覆岩层位移测点6；

优选的，前侧板、后侧板、左侧板、右侧板自下而上由多块矩形板组成。

优选的，在底板上、开采模拟区3外也设置有底板应力测点33。

优选的，上覆岩层位移测点6可以与圆管配合使用，在铺设模型时将上覆岩层位移测点埋在待测层位，上覆岩层位移测点连接带刻度的测线，测线通过竖直的圆管伸出地表；模拟开挖时，圆管可抽出也可继续保留，通过观测测线下移量来确定上覆岩层位移测点6的下沉量。

s33，构建三维物理模型，将矩形块顶升至预设高度，使得矩形块超出底板的高度为所需要模拟的采高，自下而上依次铺设煤层(顶部高度与矩形块31的高度相同)、岩层、松散层所对应的相似模拟材料，其中岩层类型及厚度按照步骤s12探查的钻孔柱状确定，岩层配比(决定力学性质)由各层岩性(包括岩石类型及其相关力学性质)决定；

岩层铺设过程中，在所需观测应力、位移的岩层中埋设上覆岩层应力测点4、上覆岩层位移测点6；在地表需观测下沉的位置安设地表沉陷测点5；

优选的，基于步骤s23确定的关键影响因素，将上覆岩层应力测点4、上覆岩层位移测点6设于厚硬岩层位置、采空区垮落带顶板位置。

s34，模拟开挖，自左而右依次模拟开挖煤层，模拟开挖方式为收缩伸缩装置32，使得矩形块31下移，直至矩形块的顶部与底板顶部齐平(底板具有一定的厚度)，伸缩装置收缩时必须一次尽可能的快速收缩到位，而不是缓慢降低，要使得在降低过程中，上部的岩层与矩形顶板脱离后形成悬空，即使得煤层顶板是摔落到矩形块31顶部的；

优选的，步骤s33中，矩形块的顶升高度m+n大于煤层采高m，大于的值为n，则在煤层底板先铺设厚度为n的煤层下底板岩层，然后再铺设设计采高厚度m的煤层，此时煤层顶板高度与矩形块顶部高度相同；步骤s34中，模拟开挖时使得矩形块下降值为m。

优选的，步骤s2中的物理模拟可以采用步骤s3中的三维物理模型支架进行模拟。

地表存在残余沉降是因为其下覆岩层中存在空间/空隙，这些空间/空隙逐渐被压缩而传递至地表，要想控制残余沉降，就要找到这些空隙所在，以采区控制手段。

s4，进行采煤塌陷区修复；

s41,基于步骤s3的物理模拟可以确定采煤塌陷区的岩层中残存空隙的主要分布位置，结合步骤s11获得的采煤塌陷区工程地质环境，确定地面钻孔孔位，自地面通过钻孔对残存空隙的主要分布位置进行注浆充填；

s411,当岩层中存在厚硬岩层时，当厚硬岩层靠近煤层，开采后会导致厚硬岩层破断，其残存空隙位于厚硬岩层以下直至采空区垮落带；当厚硬岩层远离煤层，开采后不会导致厚硬岩层破断，其残存空隙主要位于厚硬岩层下部的离层(厚硬岩层处仅一个完整的空隙，且上部即厚硬岩层)和采空区垮落带；

s412,当没有厚硬岩层时，残存空隙主要位于垮落带，当采深与采宽的比较小时，残存空隙主要位于采空区垮落带周围的环形圈/o型圈；当采深与采宽的比较大时，残存空隙位于整个采空区垮落带；

s42，进行地表采煤塌陷区回填。