回填重构组合物、其制备方法和其在地裂缝精细回填中的应用与流程

本发明涉及地裂缝治理，具体而言，涉及一种回填重构组合物、其制备方法和其在干旱半干旱生态脆弱区采矿地裂缝精细回填中的应用。

背景技术：

1、我国是一个矿种资源丰富的矿业大国，矿业开发历史悠久。大量的矿山开采，不仅使国民经济实力得以提升，人们的生活条件得到改善，还提升了我国在国际上的综合影响力。但是，矿产资源长久以来被无序开采，矿区的生态系统与水文地质环境被破坏。

2、以神东矿区为例，由于煤层埋深较浅、可开采范围相对较广、利于采用大型机械进行开采等原因，该矿区采空区的面积较大。此外，所在地区的煤层顶板基岩较薄而其上部的松散覆盖层厚度偏厚，因此，在工作面来压时上部松散覆盖层全部切落，地表极易产生大面积的沉陷，进而在地表处产生出大量地表裂缝和裂缝带。另外，由于所在地区的蒸发量极大，地表裂缝和裂缝带对土壤中水的分布和运动均产生了显著的影响，对生态环境的影响极大。

3、现阶段对于地裂缝的治理大多为就地掩埋，虽然成本较低，但缺少理论指导，现场操作盲目，导致治理效果较差。因此，基于以上事实，为了保护环境，增强生态可持续性，对矿区地裂缝回填治理的研究已成了当务之急。

4、粉煤灰作为燃煤电厂的主要固体废弃物，每年的排放量巨大。粉煤灰是高度分散的微粒集合体。尽管煤炭的类型和燃烧工艺对粉煤灰的物理化学性质产生显著影响，但几乎所有的粉煤灰都是由硅、铝与不定型碳、铁、钙、镁、钾、钠和硫等元素组成。粉煤灰的优势颗粒是粉粒，容重低。因此粉煤灰在工业和农业领域有广泛的利用前景。由于粉煤灰中含有大量植物生长所必需的微量元素，常被用来作为农业土壤的改良剂，其不仅能够改善土壤的微团粒结构，而且能够改变土壤养分和化学元素组成以促进植物生长。其次，有研究表明(陈孝杨，严家平，rüdiger anlauf：粉煤灰和砂壤土混合后水力学特征参数的试验研究；[j].煤炭工程，2012(09)：101-103)将粉煤灰加入砂壤土可以增大砂壤土的饱和含水率，即持水性。但是，总体而言，粉煤灰目前在工业领域和农业土壤改良方面的利用量有限，大量的粉煤灰仍堆积在处置场，造成周围大气、水体和土壤的污染。因此，为了保护环境，减少粉煤灰对大气、水体和土壤的污染同样也是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、因此，本发明的主要目的在于提供一种回填重构组合物、其制备方法和其在地裂缝精细回填中的应用，其既可以对因开采产生的大量地裂缝进行回填，又可以实现粉煤灰的大量利用，从而改良了矿区土壤的持水性能，达到治废和修复生态环境的社会效益和经济效益。

2、为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种回填重构组合物，该组合物包含风积沙、黄土、黏土和粉煤灰，并且所述风积沙、所述黄土、所述黏土和所述粉煤灰的质量比为(1～3):(1～3):(1～3):(1～3)，包括端点值。

3、进一步地，所述风积沙、所述黄土、所述黏土和所述粉煤灰的质量比为1:1:1:2。

4、进一步地，所述风积沙、所述黄土、所述黏土和所述粉煤灰的粒径<2mm。

5、根据本发明的第二方面，本发明提供了一种制备回填重构组合物的方法，该方法包括以下步骤：从待回填采矿地采集风积沙、黄土、黏土和粉煤灰；将所述风积沙、所述黄土、所述黏土和所述粉煤灰通过2mm标准筛；和所述风积沙、所述黄土、所述黏土和所述粉煤灰的质量为自变量，按以下质量比均匀混合：(1～3):(1～3):(1～3):(1～3)，包括端点值。

6、进一步地，所述风积沙、所述黄土、所述黏土和所述粉煤灰的质量比为1:1:1:2。

7、根据本发明的第三方面，本发明提供了回填重构组合物在回填地裂缝中的应用，所述回填包括以下步骤：(a)制备根据权利要求1至3中任一项所述的回填重构组合物；(b)将步骤(a)所得的所述回填重构组合物回填至地裂缝中，至距地表20cm处停止回填，将已回填的所述回填重构组合物夯实后再填充至距地表20cm处停止回填；(c)向步骤(b)所回填的所述地裂缝的剩余部分填充非沉陷区原状土直至地表，并夯实；(d)在经回填后地表进行植被建设。

8、进一步地，在所述步骤(b)之前进一步包括模拟所述回填重构组合物的步骤，所述模拟包括：(1)进行单因素试验，测定所述回填重构组合物的干容重、饱和体积含水率和饱和入渗系数，基于所述饱和体积含水率和所述饱和入渗系数随组分比例的变化选择用于后续步骤的所述回填重构组合物；(2)采用圆柱模型，将步骤(1)选择出的所述回填重构组合物加载入圆柱模型至距顶部20cm处，将已回填的所述回填重构组合物夯实后再填充至距顶部20cm处，再装填非沉陷区原状土至顶部，测定非沉陷区原状土和步骤(1)选择出的所述回填重构组合物的以下参数：模拟降雨条件下的含水率变化、不同体积含水率对应的张力值和不同体积含水率对应的水吸力；和(3)利用matlab软件拟合水分特征曲线和水分运移参数。

9、进一步地，在所述模拟所述回填重构组合物的步骤之前进一步包括对模拟模型进行校验的步骤，所述校验包括：(i)在沉陷区工作面上设计多条土壤观测剖面；(ii)在步骤(i)的每条土壤观测剖面上设置土壤传感器；(iii)在非沉陷区工作面上设计多条土壤观测剖面；(iv)在步骤(iii)的每条土壤观测剖面上设置土壤传感器；(v)采集数据并自动上传以获得实测数据；和(vi)将原状土加载入圆柱模型，提取输出的模拟数据，将模拟数据与现场原位监测的实测数据进行对比。

10、进一步地，在所述校验中：步骤(i)和步骤(iii)的土壤观测剖面为5条；步骤(ii)和步骤(iv)的所述土壤传感器的设置位点的深度分别为10cm、60cm、110cm、160cm、210cm；每个设置位点处有3个监测点，分别监测土壤湿度、温度及电导率；并且每隔30分钟进行一次所述采集。

11、应用本发明的技术方案提供了一种回填重构组合物，其对干旱缺水矿区地裂缝的回填后水分运移情况与矿区非沉陷区土壤水分运移情况接近并且饱和体积含水率高于非沉陷区土壤，回填重构组合物的保水性能优于矿区原状土。本发明的回填重构组合物的各回填组分颗粒粒径较小、无需机械破碎，从而节约了制备成本。此外，本发明的回填应用操作简便，回填效果显著，具有广泛的工程实际应用前景。

技术特征：

1.一种回填重构组合物，其特征在于，所述组合物包含风积沙、黄土、黏土和粉煤灰，并且所述风积沙、所述黄土、所述黏土和所述粉煤灰的质量比为(1～3):(1～3):(1～3):

2.根据权利要求1所述的回填重构组合物，其特征在于，所述风积沙、所述黄土、所述黏土和所述粉煤灰的质量比为1:1:1:2。

3.根据权利要求1所述的回填重构组合物，其特征在于，所述风积沙、所述黄土、所述黏土和所述粉煤灰的粒径<2mm。

4.一种制备权利要求1至3中任一项所述的回填重构组合物的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述风积沙、所述黄土、所述黏土和所述粉煤灰的质量比为1:1:1:2。

6.回填重构组合物在回填地裂缝中的应用，其特征在于，所述回填包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，在所述步骤(b)之前进一步包括模拟所述回填重构组合物的步骤，所述模拟包括：

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，在所述模拟所述回填重构组合物的步骤之前进一步包括对模拟模型进行校验的步骤，所述校验包括：

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，在所述校验中：

技术总结
本发明涉及回填重构组合物、其制备方法和其在地裂缝精细回填中的应用。具体地，本发明涉及一种回填重构组合物，其特征在于，所述组合物包含风积沙、黄土、黏土和粉煤灰，并且所述风积沙、所述黄土、所述黏土和所述粉煤灰的质量比为(1～3):(1～3):(1～3):(1～3)，包括端点值。还涉及制备回填重构组合物的方法，以及回填重构组合物在回填地裂缝中的应用。本发明的回填重构组合物可以对因开采产生的大量地裂缝进行回填，实现粉煤灰的大量利用，改良了矿区土壤的持水性能，从而达到治废和修复生态环境的社会效益和经济效益。

技术研发人员：罗文,吕情绪,高振宇,王振荣,李果,李伟
受保护的技术使用者：国能神东煤炭集团有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12