CN102817366A - 浅埋巨厚煤层综放开采塌陷坑区水害防治方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种浅埋巨厚煤层综放开采塌陷坑区水害防治方法，解决了对于浅埋巨厚煤层开采塌陷区的水害防治，仍旧缺乏一种特别合理和优化的防治方法的问题。本发明采用三七灰土充填压实-黄土回填的方法对塌陷坑区的裂隙群进行治理，防止地表水入渗地下工作面；塌陷坑区坑底面为坡面设计且采用HDPE膜及天然卵石层进行防渗、导流处理，回填覆土，种植草本类植被；在塌陷坑区边坡开设排水渠，防止一次性大量降水入渗地下工作面；在地下工作面两巷道分别建防水闸门，使矿井与采空区隔离开来，确保矿井安全。本发明方法具有参数合理、建造成本低、防治效果好、适应性强、安全性好等优点，特别适用于浅埋巨厚煤层综放开采塌陷坑区的水害防治。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全治理技术领域，特别涉及一种浅埋巨厚煤层综放开采塌陷坑区水害防治方法。
背景技术
地下开采的煤矿往往导致地表大面积的塌陷，据统计我国煤炭开采塌陷土地累计已达110×104 hm2 ，造成的经济损失累计已超过500亿元。如果按采煤塌陷土地以0.2-0.3 hm2 /104 t估算，全国每年新增塌陷地面积约为(2.7-4.1)×104 hm2。开采沉陷不仅会导致土壤退化严重，土地无法耕种，同时煤层长期大面积开采，导致采空区面积不断扩大，采空区导水裂隙带和地面塌陷范围随之扩大，使地表水与地下水、矿坑水发生了直接联系，造成沙川径流大量渗漏、径流量明显减少，而部分开采沉陷过程与煤矿开采掘进过程同时发生，一旦出现贯通裂隙则可能导致地表水或地下水倒灌，进入工作面造成井下突水事故的发生。
80年代末至90年代以来，矿区塌陷地治理的理论研究处于高潮时期。最近几年国内外该研究领域较前异常活跃，然而目前国内外开采沉陷治理的研究目标主要定位于生态修复、农田恢复等方向，针对矿区水害防治的沉陷治理研究相对较少。特别是对于浅埋巨厚煤层，因其埋深相对较浅、煤层较厚，具有开采难度小、产量大等优点，是煤矿开采的优选，但是此类煤层的开采也更加容易引起开采沉陷并形成贯通性裂隙，由此产生的地表水入渗的矿井水害风险较大，而针对此类矿井塌陷区的水害仍旧缺乏一种特别合理和优化的防治方法，因此研究此类矿井塌陷区的水害防治具有重要的实用和理论意义。
发明内容
本发明是为了解决对于浅埋巨厚煤层开采塌陷区的水害防治，仍旧缺乏一种特别合理和优化的防治方法的问题，而提供一种浅埋巨厚煤层综放开采塌陷坑区水害防治方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种浅埋巨厚煤层综放开采塌陷坑区水害防治方法，包括如下步骤：
1）对塌陷坑区内的浅度、中度和深度裂隙分别进行夯填处理，其中，浅度和中度裂隙的夯填方法为：首先将浅度和中度裂隙的上部拓挖成深1.5m、宽0.5m的沟槽，然后用三七灰土进行人工夯填，每填加最多0.2m厚的三七灰土（石灰和土按体积比3:7混合，俗称三七灰土）就夯实一次，直至填加夯实的三七灰土厚度达到0.5m、密实度不小于93%，三七灰土填加夯实完毕后接着进行黄土回填，黄土层回填高度至少高出塌陷坑底表面0.2m，最后进行夯实找平；深度裂隙的夯填方法为：首先将深度裂隙的上部拓挖成深2m、宽1m的沟槽，然后用麻袋土充填裂隙（麻袋土：将黄土装填在麻袋中并封口；裂隙内填充麻袋土，可以有效防止三七灰土夯填时的下漏），接着再用三七灰土进行人工夯填，每填加最多0.2m厚的三七灰土就夯实一次，直至填加夯实的三七灰土厚度达到1m、密实度不小于93%，三七灰土填加夯实完毕后接着进行黄土回填，黄土层回填高度至少高出塌陷坑底表面0.3m，最后进行夯实找平；
2）将塌陷坑区的坑边修理压实成坡度为3:1的边坡，将坑底面填土压实成坡面状且坡面上汇聚形成有一个坡面最低点，坡面最低点位于坑底面与边坡的相交处，边坡上对应坡面最低点的位置挖设有一条一端与坡面最低点相接、另一端延伸至塌陷坑区外且坡度为5-6°的排水渠，当坑底面有积水时，积水可以沿坑底坡面汇集于坡面最低点，然后再通过排水渠排至塌陷坑区外；经处理后的塌陷坑区的底面和边坡的平整度为±2cm/m2，底面和边坡垂直深度2.5cm内的土层中不含有粒径大于5mm的尖锐物料，底面土层密实度不小于93%、边坡土层密实度不小于90%；
3）选用 6m宽幅、1.5 mm 厚的 HDPE膜作为防渗层，分别铺设于塌陷坑区的坑底和边坡上，其中，坑底面选用光面的HDPE膜进行铺设并将整个坑底面铺满，边坡面选用糙面的HDPE膜进行铺设并将整个边坡面铺满；边坡面在进行HDPE膜铺设时，对位于边坡面坡口处的HDPE膜采用锚固沟法进行锚固，即在边坡面上端距坡口1m处开挖宽、深各0.1m的矩形沟槽，然后将HDPE膜沿矩形沟槽底部、侧壁和边缘铺设，然后向矩形沟槽内回填黄土并夯实；
4）在塌陷坑区坑底和边坡的HDPE膜上铺设天然卵石导流层，天然卵石导流层按上细下粗分两层进行铺设，其中，上层为厚200mm、粒径为8～16mm的细层天然卵石导流层，下层为厚200mm、粒径为16～32mm的粗层天然卵石导流层；在塌陷坑区坑底天然卵石导流层内铺设有一根直径为315mm、倾斜坡度为5%的HDPE 穿孔管（HDPE 穿孔管为现有技术，即HDPE管的管壁上开设有若干通孔），HDPE 穿孔管的一端端口位于坑底中心处、另一端端口位于排水渠内；
5）在塌陷坑区坑底天然卵石导流层上进行黄土回填，回填黄土的高度为3m，并在回填黄土层上种植草本类植被；
6）在井下工作面的两个巷道中，距停采线5m的位置分别各建有一座防水闸门。
本发明中的各参数是通过理论分析计算和数值模拟优选出的。
塌陷坑区内的裂隙一般分为浅度、中度和深度裂隙，浅度裂隙是指深度小于2.5m的裂隙，中度裂隙是指深度大于2.5m、小于5m的裂隙，深度裂隙是指深度大于5m的裂隙。裂隙群采用三七灰土充填压实-黄土回填的方法进行治理，可防止地表水入渗地下工作面。
一般，坡度的表示方法有百分比法、度数法、分数法等；其中，百分比法：即两点的高程差与其水平距离的百分比，其计算公式如下：坡度 = (高程差/水平距离)x100%；度数法：用度数来表示坡度，利用反三角函数计算而得，其公式如下：tanα(坡度)= 高程差/水平距离，即可求出坡度α；分数法：坡面的垂直高度h和水平距离l的比i，即i=h/l。本发明方法中均涉及到了这三种坡度表示方法。
HDPE膜也被称为高密度聚乙烯膜、HDPE土工膜、HDPE防渗膜，它是由高分子聚乙烯通过吹塑或平挤制成的具有很强耐久性的防渗材料，可以作为水、气的隔离层，其渗透系数可达 10-12～10-13cm/s，通常采用l～2mm 厚的高密度聚乙烯作为衬层材料。
本发明选用高密度聚乙烯膜单层衬里防渗系统对塌陷坑区进行防渗处理。综合考虑地面沉降进一步发育引起的防渗膜的拉伸变形、抗机械损伤能力及塌陷坑区的实际特点，本发明方法中选择 1.5mm 厚的HDPE膜。
HDPE膜按规格幅宽一般为3m、3.5m、4m、6m、7m，由于塌陷坑区铺设面积较大，考虑减少焊缝（可以降低渗漏现象）和施工周期，本发明方法选用了求幅宽为6m的HDPE膜。
由于坑底底面地势平坦且坑底底面坡度较小，坑底HDPE膜发生滑动的可能性较小，故坑底底面可选择光面的HDPE膜进行铺设。对于边坡面，则需要考虑到不同材料之间的相对滑动对防渗系统造成的破坏，从安全性的角度出发，本发明方法在边坡面上采用糙面HDPE膜进行铺设。
当塌陷坑区内有积水时，一部分积水可以被天然卵石导流层上的黄土层及黄土层上的草本植被吸收；渗过黄土层的积水可沿着具有坡度的卵石导流层汇集到塌陷坑区坑底的坡面最低点，然后经开设在边坡上的排水渠排至塌陷坑区外；渗入卵石导流层的积水还可以从HDPE 穿孔管管壁上的通孔进入到HDPE 穿孔管内，然后沿HDPE 穿孔管流入排水渠并排至塌陷坑区外。为了进一步提高井下的安全性，还在井下工作面的两个巷道中，距停采线5m的位置分别各建有一座防水闸门，使矿井与采空区隔离开来，一旦发生水患，矿井分区隔离，可以缩小灾情影响范围，控制水势危害，确保矿井安全，同时加大井下应急排水能力，可以进一步减少水灾风险。
本发明的有益效果如下：采用三七灰土充填压实-黄土回填的方法对塌陷坑区的裂隙群进行治理，防止地表水入渗地下工作面；塌陷坑区的坑底面为坡面设计，同时采用HDPE膜及天然卵石层进行防渗、导流处理，并回填覆土，种植草本类植被，在塌陷坑区东南角开设排水渠，防止一次性大量降水入渗地下工作面；在地下工作面两巷道分别建防水闸门，使矿井与采空区隔离开来，缩小灾情影响范围，控制水势危害，确保矿井安全。本发明防治水效果优良、参数合理，体现出了建造成本低、防治效果好、适应性强、安全性好等优点，尤其特别适用于浅埋巨厚煤层综放开采塌陷坑区的水害防治。
附图说明
图1为本发明水害防治整体示意图。
图2为本发明中浅度和中度裂隙夯填示意图。
图3为本发明中深度裂隙夯填示意图。
图4为本发明中天然卵石导流层及HDPE 穿孔管截面示意图。
图5为本发明中地下工作面两巷道内防水闸门结构示意图。
图中：1-三七灰土、2-黄土、3-麻袋土、4- HDPE膜、5-细层天然卵石导流层、6-粗层天然卵石导流层、7-HDPE 穿孔管、8-草本类植被、9-防水闸门、10-矩形沟槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述：
如图1至图5所示，一种浅埋巨厚煤层综放开采塌陷坑区水害防治方法，包括如下步骤：
1）对塌陷坑区内的浅度、中度和深度裂隙分别进行夯填处理，其中，浅度和中度裂隙的夯填方法为：首先将浅度和中度裂隙的上部拓挖成深1.5m、宽0.5m的沟槽，然后用三七灰土1进行人工夯填，每填加最多0.2m厚的三七灰土1就夯实一次，直至填加夯实的三七灰土1厚度达到0.5m、密实度不小于93%，三七灰土1填加夯实完毕后接着进行黄土2回填，黄土2层回填高度至少高出塌陷坑底表面0.2m，最后进行夯实找平；深度裂隙的夯填方法为：首先将深度裂隙的上部拓挖成深2m、宽1m的沟槽，然后用麻袋土3充填裂隙，接着再用三七灰土1进行人工夯填，每填加最多0.2m厚的三七灰土1就夯实一次，直至填加夯实的三七灰土1厚度达到1m、密实度不小于93%，三七灰土1填加夯实完毕后接着进行黄土2回填，黄土2层回填高度至少高出塌陷坑底表面0.3m，最后进行夯实找平；
2）将塌陷坑区的坑边修理压实成坡度为3:1的边坡，将坑底面填土压实成坡面状且坡面上汇聚形成有一个坡面最低点，坡面最低点位于坑底面与边坡的相交处，边坡上对应坡面最低点的位置挖设有一条一端与坡面最低点相接、另一端延伸至塌陷坑区外且坡度为5-6°的排水渠，当坑底面有积水时，积水可以沿坑底坡面汇集于坡面最低点，然后再通过排水渠排至塌陷坑区外；经处理后的塌陷坑区的底面和边坡的平整度为±2cm/m2，底面和边坡垂直深度2.5cm内的土层中不含有粒径大于5mm的尖锐物料，底面土层密实度不小于93%、边坡土层密实度不小于90%；
3）选用 6m宽幅、1.5 mm 厚的 HDPE膜4作为防渗层，分别铺设于塌陷坑区的坑底和边坡上，其中，坑底面选用光面的HDPE膜4进行铺设并将整个坑底面铺满，边坡面选用糙面的HDPE膜4进行铺设并将整个边坡面铺满；边坡面在进行HDPE膜4铺设时，对位于边坡面坡口处的HDPE膜4采用锚固沟法进行锚固，即在边坡面上端距坡口1m处开挖宽、深各0.1m的矩形沟槽10，然后将HDPE膜4沿矩形沟槽10底部、侧壁和边缘铺设，然后向矩形沟槽10内回填黄土2并夯实；
4）在塌陷坑区坑底和边坡的HDPE膜4上铺设天然卵石导流层，天然卵石导流层按上细下粗分两层进行铺设，其中，上层为厚200mm、粒径为8～16mm的细层天然卵石导流层5，下层为厚200mm、粒径为16～32mm的粗层天然卵石导流层6；在塌陷坑区坑底天然卵石导流层内铺设有一根直径为315mm、倾斜坡度为5%的HDPE 穿孔管7，HDPE 穿孔管7的一端端口位于坑底中心处、另一端端口位于排水渠内；
5）在塌陷坑区坑底天然卵石导流层上进行黄土2回填，回填黄土2的高度为3m，并在回填黄土2层上种植草本类植被8；
6）在井下工作面的两个巷道中，距停采线5m的位置分别各建有一座防水闸门9。
Claims (1)
1.一种浅埋巨厚煤层综放开采塌陷坑区水害防治方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）对塌陷坑区内的浅度、中度和深度裂隙分别进行夯填处理，其中，浅度和中度裂隙的夯填方法为：首先将浅度和中度裂隙的上部拓挖成深1.5m、宽0.5m的沟槽，然后用三七灰土（1）进行人工夯填，每填加最多0.2m厚的三七灰土（1）就夯实一次，直至填加夯实的三七灰土（1）厚度达到0.5m、密实度不小于93%，三七灰土（1）填加夯实完毕后接着进行黄土（2）回填，黄土（2）层回填高度至少高出塌陷坑底表面0.2m，最后进行夯实找平；深度裂隙的夯填方法为：首先将深度裂隙的上部拓挖成深2m、宽1m的沟槽，然后用麻袋土（3）充填裂隙，接着再用三七灰土（1）进行人工夯填，每填加最多0.2m厚的三七灰土（1）就夯实一次，直至填加夯实的三七灰土（1）厚度达到1m、密实度不小于93%，三七灰土（1）填加夯实完毕后接着进行黄土（2）回填，黄土（2）层回填高度至少高出塌陷坑底表面0.3m，最后进行夯实找平；
2）将塌陷坑区的坑边修理压实成坡度为3:1的边坡，将坑底面填土压实成坡面状且坡面上汇聚形成有一个坡面最低点，坡面最低点位于坑底面与边坡的相交处，边坡上对应坡面最低点的位置挖设有一条一端与坡面最低点相接、另一端延伸至塌陷坑区外且坡度为5-6°的排水渠，当坑底面有积水时，积水可以沿坑底坡面汇集于坡面最低点，然后再通过排水渠排至塌陷坑区外；经处理后的塌陷坑区的底面和边坡的平整度为±2cm/m2，底面和边坡垂直深度2.5cm内的土层中不含有粒径大于5mm的尖锐物料，底面土层密实度不小于93%、边坡土层密实度不小于90%；
3）选用 6m宽幅、1.5 mm 厚的 HDPE膜（4）作为防渗层，分别铺设于塌陷坑区的坑底和边坡上，其中，坑底面选用光面的HDPE膜（4）进行铺设并将整个坑底面铺满，边坡面选用糙面的HDPE膜（4）进行铺设并将整个边坡面铺满；边坡面在进行HDPE膜（4）铺设时，对位于边坡面坡口处的HDPE膜（4）采用锚固沟法进行锚固，即在边坡面上端距坡口1m处开挖宽、深各0.1m的矩形沟槽（10），然后将HDPE膜（4）沿矩形沟槽（10）底部、侧壁和边缘铺设，然后向矩形沟槽（10）内回填黄土（2）并夯实；
4）在塌陷坑区坑底和边坡的HDPE膜（4）上铺设天然卵石导流层，天然卵石导流层按上细下粗分两层进行铺设，其中，上层为厚200mm、粒径为8～16mm的细层天然卵石导流层（5），下层为厚200mm、粒径为16～32mm的粗层天然卵石导流层（6）；在塌陷坑区坑底天然卵石导流层内铺设有一根直径为315mm、倾斜坡度为5%的HDPE 穿孔管（7），HDPE 穿孔管（7）的一端端口位于坑底中心处、另一端端口位于排水渠内；
5）在塌陷坑区坑底天然卵石导流层上进行黄土（2）回填，回填黄土（2）的高度为3m，并在回填黄土（2）层上种植草本类植被（8）；
6）在井下工作面的两个巷道中，距停采线5m的位置分别各建有一座防水闸门（9）。
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