煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的修复方法与流程

本发明涉及采矿、土地与矿山地质环境的修复与利用等技术领域，特别是涉及一种煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的修复方法。

背景技术：

煤炭资源开发为我国经济发展做出了巨大贡献。近年来我国矿山环境问题凸显，资源开发与国计民生及矿山环境保护之间的矛盾逐渐激化。我国政府已在矿山环境问题的调查、监测、管理方面投入大量的人力物力，在矿山环境问题的防治方面得到良好功效。

我国矿山环境问题突出表现在土地破坏、生态失衡等方面，具有发生频率高、影响范围广、发生后果严重等特点。因此，寻求有效、高效的矿山环境修复方法对修复矿山环境具有重要意义。

据2015年初统计数据，仅内蒙全境因煤矿开采造成土地破坏的面积达21万平方米，主要表现为开采沉陷问题及其伴生的地裂缝问题。煤矿沉陷盆地伴生地裂缝问题作为常见的矿山环境地质问题伴生问题，具有发生面积广、扰动破坏因素多、修复难度大等特点。目前，我国矿山环境修复研究中对煤矿沉陷盆地伴生地裂缝问题主要的修复方法是地表填埋。缺少根据裂缝的发生机制对症修复煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的研究，寻求有效的煤矿沉陷盆地伴生地裂缝修复方法对我国矿山环境修复以及保障煤矿井下作业安全有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的修复方法，以提高矿山环境地质问题伴生问题的修复效果。

基于上述目的，本发明提供的煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的修复方法包括以下骤：

1)对煤矿沉陷盆地伴生地裂缝进行分类；

2)根据煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的类型以及修复难易程度，确定地裂缝的修复顺序；

3)对煤矿沉陷盆地伴生地裂缝缝口进行扩口，使地裂缝和扩口在空间立面形成漏斗状；

4)根据不同的地裂缝类型，对扩口后的地裂缝进行修复；

5)在地裂缝的扩口处重覆表土。

在本发明的一些实施例中，所述修复方法还包括：

6)根据煤矿沉陷盆地伴生地裂缝所在区域的地理、地质条件，确定裂缝修复周边地表适宜种植的林、草植被，建设人工草地和林地或者灌木林地。

在本发明的一些实施例中，所述步骤1)包括：

获知地裂缝的分布区域、分布数量、发育情况以及裂缝扩口的垂直错动情况；

根据地裂缝地表二维形态分类，将地裂缝的类型分为环圈型和曲率型；按照裂缝与地下矿井的联通关系分类，将地裂缝的类型分为尖灭型和贯通型。

在本发明的一些实施例中，若环圈型地裂缝的最大弦长大于30m，则对该地裂缝建立地表二维直角坐标系，按照0°的规则划分为4个象限，此时4个象限中的裂缝地表二维类型划定均为曲率型；若曲率型地裂缝的长度大于45m，则将该地裂缝分成若干段。

在本发明的一些实施例中，所述步骤2)包括：

从距离沉陷盆地中心最近距离的地裂缝开始向外开展；

不同象限内与盆地中心距离相近时，首先判断地裂缝是否闭合，先修复环圈型地裂缝，后修复曲率型地裂缝；

其次判断地裂缝是否与地下矿井联通，先修复贯通型地裂缝，后修复尖灭型地裂缝；

最后依据裂缝扩口的垂直错动情况，若出现垂直错动，则先修复垂直错动的地裂缝，后修复未错动的地裂缝。

在本发明的一些实施例中，在所述步骤3)中，所述扩口边与原地表的夹角大于等于45°，且小于等于75°。

在本发明的一些实施例中，所述步骤3)还包括：

将所述扩口得到的表土堆积存放，每周向表土堆放区域喷水不少于3 次，单位面积喷洒时间不少于20秒，喷水量为4～6平方米表土/立方米水。

在本发明的一些实施例中，所述步骤4)包括：

对于尖灭型地裂缝，直接对其注浆，直至地裂缝的扩口底部有稳定的浆液液面为止；

对于贯通式地裂缝，先充填矸石作为缝隙骨架，利用粒径不大于1～1.5cm的矸石和粒径大于1～1.5cm小于3～3.5cm的矸石分别构成地裂缝充填骨架的下部和中上部；接着，对其进行注浆，直至地裂缝的扩口底部有稳定的浆液液面为止。

在本发明的一些实施例中，利用粒径不大于1～1.5cm的矸石和粒径大于1～1.5cm小于3～3.5cm的矸石分别构成地裂缝充填骨架的下部1/4～2/3和中上部1/3～3/4。

从上面所述可以看出，本发明提供的煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的修复方法利用煤矿自身固废配合水泥(混合)砂浆修复煤炭矿山环境地质问题，与现有煤矿伴生地裂缝修复技术相比，本发明显示了如下优点：有效修复煤矿沉陷盆地伴生地裂缝问题，有效改善煤矿生态环境；体现了对表土层充分保护与利用，极大可能的修复原有矿山地质环境；从沉陷盆地伴生地裂缝发生机制的角度科学的修复煤矿沉陷盆地伴生地裂缝，有效地保障井下煤炭开采工作安全；能够有效的与后期煤矿生态修复构建“桥梁”，为后期生态修复提供保障。

附图说明

图1为本发明的实施例的无垂直错动伴生地裂缝扩口的剖视图；

图2为本发明的实施例的有垂直错动伴生地裂缝扩口的剖视图；

图3为本发明的实施例的伴生地裂缝注浆液面及重覆土的剖视图；

图4为本发明的实施例的伴生地裂缝矸石充填及注浆修复的剖视图。

图中标号表述如下：1-伴生地裂缝扩口下盘区，2-伴生地裂缝扩口上盘区，3-沉陷盆地地表，4-沉陷盆地伴生地裂缝；5-注浆终止液面，6-伴生地裂缝扩口重覆土区域。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施 例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

作为本发明的一个实施例，以大雁二矿煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的充填修复为例。大雁二矿(以下简称“二矿”)位于内蒙东北部鄂温克族自治旗境内，属寒温带大陆性半干旱气候。该矿含煤地层为中生界白垩系下统伊敏组和下部大磨拐河组，主采煤层埋深70～290m，顶板岩性为细砂岩、粉砂岩。该煤矿目前开采方式为机械化综放回采，顶板管理方式为全陷落法。二矿于上世纪八十年代开始开采、已于2011年闭坑。二矿主要存在的矿山环境地质问题为沉陷盆地及伴生地裂缝问题、排矸场堆放占地问题。二矿沉陷盆地周边草场遭破坏，原起伏状地表形态严重破坏，301国道等主要交通干线因伴生地裂缝问题产生严重破坏；二矿矿闭坑前主要废弃物类型为煤矸石，固废年产量约3万吨，电厂和砖厂每年利用约1万吨，剩余堆存于二矿排矸场，占地面积约0.39km²。

根据大雁二矿地质环境背景、矿产资源种类、开采方式及顶底板管理方式及煤矿沉陷盆地伴生地裂缝类型，考虑到二矿已经闭坑且目前煤矿沉陷盆地伴生地裂缝变形已趋于稳沉状态，可采用本发明提供的煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的修复方法进行修复，具体地，所述煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的修复方法包括以下步骤：

1)对煤矿沉陷盆地伴生地裂缝进行分类。具体地，在本发明的一个较佳实施例中，该步骤可以包括：

①通过实地进行煤矿沉陷盆地伴生地裂缝修复场区勘查工作，获知地裂缝的分布区域、分布数量、发育情况以及裂缝扩口的垂直错动情况；

②根据地裂缝地表二维形态分类，将地裂缝的类型分为环圈型(即地裂缝圈闭合)和曲率型(即地裂缝圈未闭合)；按照裂缝与地下矿井的联通关系分类，将地裂缝的类型分为尖灭型(即地裂缝与地下矿井不联通)和贯通型(即地裂缝与地下矿井联通)。

较佳地，该步骤还包括：根据所述地裂缝的类型绘制该沉陷盆地内的地裂缝类型分布示意图，以便于对该沉陷盆地进行修复。

可选地，若环圈型地裂缝的最大弦长较大，则对该地裂缝进行划区，若曲率型地裂缝的较长，则对该地裂缝进行分段。具体地，在本发明的又一个实施例中，可以通过以下方式进行：若环圈型地裂缝的最大弦长大于30m，则对该地裂缝建立地表二维直角坐标系，按照0°(正北)的规则划分为4 个象限，此时4个象限中的裂缝地表二维类型划定均为曲率型；若曲率型地裂缝的长度大于45m，则将该地裂缝分成若干段。

需要说明的是，若环圈型地裂缝的最大弦长小于等于30m，或者曲率型地裂缝的长度小于等于45m，则无需进行分区和分段。

2)根据煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的类型以及修复难易程度，确定地裂缝的修复顺序。

具体地，在发明的另一个实施例中，该步骤2)可以进一步包括：

对该沉陷盆地建立地表二维直角坐标系，按照0°(正北)的规则划分为4个象限，根据修复区内的地裂缝类型分布示意图，按照距离盆地中心(坐标原点)先近后远的原则制定修复地裂缝计划，从距离沉陷盆地中心最近距离的地裂缝开始向外开展；不同象限内与盆地中心距离相近时，首先判断地裂缝是否闭合，先修复环圈型地裂缝，后修复曲率型地裂缝；其次判断地裂缝是否与地下矿井联通，先修复贯通型地裂缝，后修复尖灭型地裂缝；最后依据裂缝扩口的垂直错动情况，若出现垂直错动，则先修复垂直错动的地裂缝，后修复未错动的地裂缝。

需要说明的是，若步骤1)中需要建立二维直角坐标系，那么该步骤2)中可以不需要再次建立二维直角坐标系，可以采用步骤1)建立的二维直角坐标系。

清除煤矿沉陷盆地伴生地裂缝修复区域内分布的因采煤活动堆积残留的固体废弃物、生活垃圾等，清运至矿山垃圾场或场区内专门堆放区域，清运过程中以及堆积场地需防止二次环境破坏。

3)煤矿沉陷盆地伴生地裂缝缝口扩张，因此需要对煤矿沉陷盆地伴生地裂缝缝口进行扩口，可以利用小型工程机械或人工方法进行扩口，使地裂缝和扩口在空间立面形成漏斗状。参见图1和图2，分别为本发明的实施例的无垂直错动伴生地裂缝扩口的剖视图和有垂直错动伴生地裂缝扩口的剖视图，其中1为伴生地裂缝扩口下盘区，2为伴生地裂缝扩口上盘区，3为沉陷盆地地表，4为沉陷盆地伴生地裂缝。

煤矿沉陷盆地伴生地裂缝缝口扩张建议采用如表1推荐的扩口工艺参数施工，扩口边与原地表的夹角最好大于等于45°，且小于等于75°。

表1 沉陷盆地周边裂缝修复工程扩口开挖工艺一览表

扩口得到的表土可堆积存放，每周向表土堆放区域喷水不少于3次，单位面积喷洒时间不少于20s。此步骤的效果在于减少修复区域表层土壤扰动后营养成分的破坏与丧失。可选地，喷水量为5平方米表土/立方米水。可选地，喷水量为5.5平方米表土/立方米水。可选地，喷水量为6平方米表土/立方米水。

4)根据不同的地裂缝类型，对扩口后的地裂缝进行修复，以保障地裂缝密实充填。

具体地，对于尖灭型伴生裂缝(A类裂缝)，宜直接注浆，如图3所示，5为注浆终止液面。即将强度等级为M7.5的水泥砂浆或水泥混合砂浆或者其他具有防渗效果的胶体材料(如高水)注入尖灭型伴生裂缝内，直至地表地裂缝扩口底部有稳定的浆液液面为止。

如图4所示，对于贯通式伴生裂缝(B类裂缝)，先充填矸石作为缝隙骨架，利用I类矸石和II类矸石分别构成地裂缝充填骨架的下部和中上部，且II类矸石的粒径大于I类矸石的粒径。在发明的又一个实施例中，可以利用粒径不大于1～1.5cm的矸石(I类矸石)和粒径大于1～1.5cm小于3～3.5cm的矸石(II类矸石)分别构成地裂缝充填骨架的下部和中上部。在本发明的另一个实施例中，利用I类矸石、II类矸石分别构成地裂缝充填骨架的下部1/3和中上部2/3。在本发明的另一个实施例中，利用I类矸石II类矸石分别构成地裂缝充填骨架的下部1/4和中上部3/4。在本发明的另一个实施例中，利用I类矸石II类矸石分别构成地裂缝充填骨架的下部2/3和中上部1/3。在本发明的另一个实施例中，利用I类矸石II类矸石分别构成地裂缝充填骨架的下部2/5和中上部3/5。

然后，再使用强度等级为M7.5的水泥砂浆或水泥混合砂浆或者其他具有防渗效果的胶体材料(如高水)密实充填B类裂缝的矸石缝隙，直至地表地裂缝扩口底部有稳定的浆液液面为止。液面高度位于扩口底部附近，可容许的值为高出液面2～3cm。

5)在地裂缝的扩口处重覆表土。如图3所示，在扩口处(即伴生地裂缝扩口下盘区1和上盘区2)进行表土重覆，6为伴生地裂缝扩口重覆土区域。

煤矿沉陷盆地伴生地裂缝修复区域需重复表土，可以将步骤3)中扩口挖出的地表土重铺于重覆土区域6。优选地，可以在伴生裂缝扩口内自扩口底部开始覆I类矸石2～3cm(高度)，其余高度内密实充填表土，可一次完成表土覆盖，有垂直错动的裂缝按照地表高差平滑过渡。重铺以两侧扩口为边界，重铺区域中部可适当下凹。

6)根据煤矿沉陷盆地伴生地裂缝所在区域的地理、地质条件，确定裂缝修复周边地表适宜种植的林、草植被，建设人工草地和林地或者灌木林地。煤矿沉陷盆地伴生地裂缝修复区重铺表土完成后要根据修复区域气象、水文、立地条件以及土壤等地理、地质条件，确定煤矿沉陷盆地伴生地裂缝修复区域适宜种植的林、草植被，建设人工草地和林地或者灌木林地。

植被修复要符合当地生态规律，以内蒙地区及东北局部地区为例，随着经度变化，自东向西可以选择性种植：黑桦、榛灌丛、蒙古栎、大针茅、羊草、克氏针茅、小针茅、短花针茅、沙生针茅、蒿类、锦鸡儿类、珍珠柴、绵刺、红砂、梭梭、霸王等。

表2 内蒙及东北局部地区沉陷盆地生态修复一览表

大雁二矿选用本发明提供的煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的修复方法，旨在修复矿山及周边区域原有地表形态，有效利用煤矸石，减少固废堆积。二矿已闭坑多年，沉陷盆地已趋于稳定，地表形态修复工程后与原有地形比照，修整地形但保持塌陷后丘陵形态，基本看不出沉陷盆地的范围。

如上所述，本发明提供的煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的修复方法具有以下有益效果：

(1)煤矿沉陷盆地伴生地裂缝类型划分：对二矿已有煤矿沉陷盆地伴生地裂缝进行系统分类，确定修复区域地裂缝类型，实施有针对性的修复工艺；

(2)煤矿沉陷盆地伴生地裂缝修复顺序：根据类型分类及修复难以程度，确定地裂缝修复顺序，确保施工能顺利开展，工程量合理分配，保障地裂缝密实充填尤其是贯通型裂缝得到充分的修复；

(3)煤矿沉陷盆地伴生地裂缝扩口施工：对二矿煤矿沉陷盆地伴生地裂缝缝口扩张，保证浆液在注入伴生裂缝后不溢出，浆液不污染周边环境；

(4)煤矿沉陷盆地伴生地裂缝注浆：二矿根据煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的类型及施工顺序的确定，就A类地裂缝进行注浆封堵，就B类裂缝进行先充填矸石骨架后注浆封堵，密实充填并修复了伴生地裂缝；

(5)林、草地修复：利用林草混合种植法修复土地，保证修复区植被群落丰富和生态修复效果。

(6)形成一种集多种煤矿沉陷盆地伴生地裂缝修复技术于一体的煤矿煤矿沉陷盆地伴生地裂缝修复方法，可应用于类似的煤矿煤矿沉陷盆地伴生地裂缝修复。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。