CN110889163B - 一种治理黄土丘陵区采煤塌陷宽大裂缝的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种治理黄土丘陵区采煤塌陷宽大裂缝的方法。本发明根据宽大裂缝的发育特点，利用反铲挖掘机进行裂缝治理。依据水土保持原理和土壤重构理论，提出了利用垄沟微地貌改造技术进行塌陷裂缝就地充填的方法，建立了裂缝充填与垄沟修建的之间的数学模型，构建了适合黄土丘陵区采煤塌陷宽大裂缝反铲挖掘机充填的工艺流程，为反铲挖掘机裂缝治理提供了技术指导。本发明成果有助于裂缝区土壤重构，促进矿区生态恢复及生态文明建设。

Description

一种治理黄土丘陵区采煤塌陷宽大裂缝的方法

技术领域

本发明涉及黄土丘陵区采煤塌陷宽大裂缝治理的新方法。

背景技术

在西部黄土丘陵地区，煤炭资源开采对地表的破坏主要是裂缝。尤其是在煤层埋藏浅，厚度大的区域，地表往往出现较多的发育宽度大于50cm的宽大裂缝。该类裂缝影响程度大，治理难度大。目前还缺少专门研究，无针对性的治理技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种治理黄土丘陵区采煤塌陷宽大裂缝的方法。本发明根据裂缝区地形特点，就地取材，实现了宽大裂缝就地掩埋，减少了土方外运，节约了治理成本。本发明成果有助于裂缝区土壤重构，促进矿区生态恢复及生态文明建设。

本发明根据宽大裂缝的发育特点，利用反铲挖掘机进行裂缝治理。依据水土保持原理和土壤重构理论，提出了利用垄沟微地貌改造技术进行塌陷裂缝就地充填的方法，建立了裂缝充填与垄沟修建的之间的数学模型，构建了适合黄土丘陵区采煤塌陷宽大裂缝反铲挖掘机充填的工艺流程，为反铲挖掘机裂缝治理提供了技术指导。

本发明的技术方案是：一种治理黄土丘陵区采煤塌陷宽大裂缝的方法，其特征是：利用垄沟微地貌改造技术进行塌陷裂缝就地充填，建立了裂缝充填与垄沟修建的之间的数学模型，构建了适合黄土丘陵区采煤塌陷宽大裂缝反铲挖掘机充填的工艺流程，为反铲挖掘机裂缝治理提供了技术指导；具体包括以下三部分内容

一、其中塌陷裂缝就地充填的具体方法是：利用生土垄和种植沟对治理区微地貌进行重塑；生土垄是在裂缝所在的位置，利用生土填高成垄，促进径流就地拦蓄入渗；种植沟是依托取土区进行修建，利用原来地表剥离的表土进行覆盖，增加表土层厚度，改善植被恢复条件；

二、其中裂缝充填与垄沟修建的之间的数学模型如下：

裂缝区单位长度生土垄修建需要填充的土方量V₁可采用下式计算：

公式中，V₁表示单位长度生土垄修建需要填充的土方量，W表示裂缝发育宽度，β表示生土垄的坡角；

单位长度种植沟修建需要剥离的底土的土方量V₂可采用下式计算：

V₂＝[(2W₂+H₃*ctg(θ))*H₃]/2+[(W₂+H₃*ctg(θ))²*sin(a)*sin(180-θ)/(2*sin(θ-a))]

(公式2)

公式中，V₂表示单位长度种植沟修建需要剥离的底土的土方量，W₂表示种植沟的宽度，H₃表示裂缝侧底土剥离厚度，θ表示种植沟的坡角，a表示原地面坡度；

基于裂缝就地掩埋，单位长度生土垄修建需要填充的土方量V₁和种植沟修建需要剥离的底土的土方量V₂应当平衡，即：

V₁＝V₂ (公式3)

令,

k₁＝H₃*ctg(θ)

k₂＝sin(a)*sin(180-θ)/(2*sin(θ-a))

(公式3)可采用下式表达：

V₁＝[(2W₂+k₁)*H₃]/2+[(W₂+k₁)²*k₂] (公式4)

令，

x＝(W₂+k₁)

a＝k₂

b＝H₃

c＝-k₁*H₃/2-V₁

求解方程，得到以下关系：

则，种植沟的宽度W₂：

种植沟的表土层厚度H₄按照下式进行估算：

公式中:W₃表示原地表表土剥离的宽度，W₂表示种植沟的宽度，H₀表示地表表土剥离的厚度；

三、其中反铲挖掘机采用前进式，进行塌陷裂缝治理，反铲挖掘机充填的工艺流程如下：

(一)治理区段划分

根据反铲挖掘机的最大挖掘半径L，沿裂缝划分为若干治理区段，每个区段长度D取0.7L，即：D＝0.7L，取整即可；

围绕挖掘机，将治理区段划分为四个不同类型区块；在挖掘机前方，将治理区段划分为两个区块，分别为裂缝充填区和取土区，取土区进一步划分为取土单元一和取土单元二；挖掘机占用的区块为挖掘机工作区；挖掘机后侧为松土区；

(二)具体治理步骤

第一步：第一区段的治理

(1)将取土单元一的表土进行剥离，地表表土剥离的厚度为H₀，临时存放到取土单元二的上方；

(2)剥离取土单元一的生土，充填裂缝区，生土的剥离深度参考设定的裂缝侧底土剥离厚度值H₃；

(3)剥离取土单元二的表土以及存放的取土单元一的表土，移动到取土单元一的上方；

(4)剥离取土单元二的生土，充填裂缝区，修筑生土垄；

(5)将堆放在取土单元一上方的表土平铺到整个取土区，初步形成种植沟；

第二步：反铲挖掘机前移，进行第二区段治理，重复第一区段的治理步骤；

第三步：利用挖沟的斗齿对挖掘机履带碾压过的前一区段种植沟的表土进行松土，完成种植沟的修建；

第四步：然后按照上述流程治理剩余的区段。

本发明技术优势

1、本发明根据裂缝区地形特点，就地取材，实现了宽大裂缝就地掩埋，减少了土方外运，节约了治理成本。

2、利用现代机械，进行裂缝治理，能显著提高治理效率。反铲挖掘机取土方式灵活，工作范围大，爬坡能力强，稳定性好，适合在黄土丘陵区开展工作。

3、通过微地貌改造，不仅可以控制水土流失，而且可以增加表土层的厚度，改善蓄水条件。

4、本发明遵循土壤重构理论，优化了治理工艺，可以有效保护土壤资源，改善土壤，促进植被恢复。

附图说明

图1是宽大裂缝发育特征示意图。

图2是裂缝区垄沟微地貌改造模式示意图。

图3是生土垄修建土方量计算图。

图4是种植沟取土区土方量计算图。

图5是反铲挖掘机占位及推进方向示意图。

图6是治理区段及类型划分示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明内容进行详细说明

(1)宽大裂缝的内涵及发育特征

本发明治理的对象主要是黄土丘陵区煤矿开采沉陷所造成的宽大裂缝。本发明所界定的宽大裂缝是指在采深与采厚的比值较小的条件下，采煤所引起的地表开口宽度大于50cm的裂缝。根据现场调查，宽大裂缝不仅发育宽度大，而且深度大，裂缝两侧的高程多存在一定的落差。根据裂缝两侧地形的关系，将地势较高的裂缝一侧称为高位区，较低的裂缝一侧称为低位区。裂缝发育特征空间关系见图1所示。

(2)裂缝区垄沟微地貌改造

1)裂缝区垄沟微地貌改造模式

宽大裂缝充填时需要较大的土方量，如果外运土方，工程量大，成本高。如果采用就地掩埋，又难以恢复到要来地貌形状。因此，需要考虑对治理区的微地貌进行改造，减少土壤扰动量，满足水土保持和植被恢复的要求。本发明提出在裂缝充填时，利用垄沟造型对治理区微地貌进行重塑。垄又称“生土垄”，是在裂缝所在的位置，利用生土填高成垄。“生土垄”可以把径流就地拦蓄，就地入渗。沟，又称“种植沟”。依托取土区进行修建，利用原来地表剥离的表土进行覆盖，通过疏松土壤，改善植被恢复条件。裂缝区垄沟微地貌改造见图2所示。

2)顾及裂缝充填的垄沟关系分析

①生土垄充填土量分析

设裂缝发育宽度为W，裂缝深度为H₁，生土垄的高度为H₂，生土垄的坡角为β，空间关系见图3所示。则裂缝区单位长度生土垄修建需要填充的土方量V₁可采用下式计算：V₁＝W*(H₁+H₂)/2

根据相关调查，裂缝发育宽度和裂缝深度之间存在以下关系：

根据生土垄的几何关系：H₂＝W*tan(β)/2

则，

②种植沟取土区底土剥离土方量分析

设原地面坡度为a，种植沟坡角为θ，种植沟的宽度为W₂，裂缝侧底土剥离厚度为H₃，各参数空间关系见图4所示。考虑裂缝一侧边坡近似于直立，则单位长度种植沟修建需要剥离的底土的土方量V₂可采用下式计算：

V₂＝V₂₁+V₂₂

＝[(W₂+W₂+H₃*ctg(θ))*H₃]/2+[(W₂+H₃*ctg(θ))²*sin(a)*sin(180-θ)/(2*sin(θ-a))]

公示中，V₂₁表示取土区截面下部梯形处的土方量，V₂₂表示取土区截面上部三角形处的土方量。

③垄沟几何关系分析

顾及治理区土方平衡，相干参数已知的条件下，则可根据裂缝发育宽度W，推算出种植沟的宽度为W₂。

令，

k₁＝H₃*ctg(θ)

k₂＝sin(a)*sin(180-θ)/(2*sin(θ-a))

则，取土和填土的土方平衡关系可采用下式表达：

V₁＝[(2W₂+k₁)*H₃]/2+[(W₂+k₁)²*k₂]

(W₂+k₁)²*k₂+(W₂+k₁)*H₃-k₁*H₃/2-V₁＝0

令，x＝(W₂+k₁)

a＝k₂

b＝H₃

c＝-k₁*H₃/2-V₁

求解方程，取大于0的有效值，即：

则：W₂＝x-k₁

④种植沟表土层厚度变化分析

根据图4可知，种植沟的坡度设定为水平，由于地形坡度发生变化，原地表表土剥离的宽度W₃大于种植沟的宽度W₂，表土回填后，种植沟的表土层厚度H₄大于原来的地表表土剥离的厚度H₀，种植沟的表土层厚度H₄按照下式进行估算：

(3)治理工艺流程

1)反铲挖掘机裂缝治理方向及占位分析

从安全考虑，反铲挖掘机宜采用前进式进行塌陷裂缝治理，设备运行在裂缝的高位区。如果采用后退式治理，由于反铲挖掘机尾部裂缝没有充填，设备的履带易滑入裂缝区，影响施工进度。同时，反铲挖掘机运行于高位区，可以获得较大的作业区域，有利于提高工作效率。反铲挖掘机占位及推进方向见图4所示。

2)治理区段划分

根据反铲挖掘机的最大挖掘半径L，沿裂缝划分为若干治理区段，每个区段长度D取0.7L，即：D＝0.7L，取整即可。

围绕挖掘机，将治理区段划分为四个不同类型区块。在挖掘机前方，将治理区段划分为两个区块，分别为裂缝充填区和取土区，取土区进一步划分为取土单元一和取土单元二；挖掘机占用的区块为挖掘机工作区；挖掘机后侧为松土区。

治理区段及区块类型划分见图6所示。

3)治理步骤

第一步：第一区段的治理

一、将取土单元一的表土进行剥离，表土剥离厚度30cm，临时存放到取土单元二的上方。

二、剥离取土单元一的生土，充填裂缝区，生土的剥离深度参考设定的裂缝侧剥离厚度值H₃。

三、剥离取土单元二的表土以及存放的取土单元一的表土，移动到取土单元一的上方。

四、剥离取土单元二的生土，充填裂缝区，修筑生土垄。

五、将堆放在取土单元一上方的表土平铺到整个取土区，初步形成种植沟。

第二步：反铲挖掘机前移，进行第二区段治理，重复第一区段的治理步骤。

第三步：利用挖沟的斗齿对挖掘机履带碾压过的前一区段种植沟的表土进行松土，完成种植沟的修建。

第四步：然后按照上述流程治理剩余的区段。

案例分析

陕北某煤矿，地貌类型为黄土丘陵，所采煤层的平均厚度为6.94m，煤层倾角2°，平均埋深230m。通过对地表某裂缝调查分析，裂缝开口宽度0.80m，裂缝两侧落差0.4m，垂直裂缝的地面坡度30°，种植沟和生土垄的坡角为45°，反铲挖掘机的最大工作半径9m。根据以上数据，计算裂缝治理的主要工艺参数。

1、生土垄充填土量

根据裂缝发育宽度W＝0.8m，生土垄的坡角β＝45°，确定生土垄的高度H₂：

H₂＝W*tan(β)＝0.40m

根据裂缝发育宽度W和裂缝深度H₁的关系，估算裂缝深度：

计算单位长度生土垄修建需要填充的土方量V₁：

V₁＝W*(H₁+H₂)/2＝3.738m³

2、种植沟宽度计算

已知原地面坡度a＝30°，种植沟坡角θ＝45°,裂缝侧底土剥离厚度H₃＝0.3m，计算相关参数：

k₁＝H₃*ctg(θ)＝0.3m

k₂＝sin(a)*sin(180-θ)/(2*sin(θ-a))＝0.683

a＝k₂＝0.683

b＝H₃＝0.3

c＝-k₁*H₃/2-V₁＝-3.783

经解算：

x＝(W₂+k₁)＝2.144m

种植沟的宽度：

W₂＝x-k₁＝1.844m，取整，按2m设计

表土剥离厚度取0.3m，则，种植沟表土厚度H₄:

3、治理区段划分

根据反铲挖掘机的最大挖掘半径L＝9.0m，建议单个治理区段的长度6m，种植沟的宽度2m，施工时，单个取土单元的宽度按1m设计，满足反铲挖斗作业的需要。

4、垄沟结构

经过治理，裂缝区形成高0.4m，宽0.8m的生土垄；以及宽2m，表土厚度88cm的种植沟。

Claims (1)

1.一种治理黄土丘陵区采煤塌陷宽大裂缝的方法，其特征是：利用垄沟微地貌改造技术进行塌陷裂缝就地充填，建立了裂缝充填与垄沟修建的之间的数学模型，构建了适合黄土丘陵区采煤塌陷宽大裂缝反铲挖掘机充填的工艺流程，为反铲挖掘机裂缝治理提供了技术指导；具体包括以下三部分内容

一、其中塌陷裂缝就地充填的具体方法是：利用生土垄和种植沟对治理区微地貌进行重塑；生土垄是在裂缝所在的位置，利用生土填高成垄，促进径流就地拦蓄入渗；种植沟是依托取土区进行修建，利用原来地表剥离的表土进行覆盖，增加表土层厚度，改善植被恢复条件；

二、其中裂缝充填与垄沟修建的之间的数学模型如下：

裂缝区单位长度生土垄修建需要填充的土方量V₁可采用下式计算：

公式中，V₁表示单位长度生土垄修建需要填充的土方量，W表示裂缝发育宽度，β表示生土垄的坡角；

单位长度种植沟修建需要剥离的底土的土方量V₂可采用下式计算：

V₂＝[(2W₂+H₃*ctg(θ))*H₃]/2+[(W₂+H₃*ctg(θ))²*sin(a)*sin(180-θ)/(2*sin(θ-a))](公式2)

公式中，V₂表示单位长度种植沟修建需要剥离的底土的土方量，W₂表示种植沟的宽度，H₃表示裂缝侧底土剥离厚度，θ表示种植沟的坡角，a表示原地面坡度；

基于裂缝就地掩埋，单位长度生土垄修建需要填充的土方量V₁和单位长度种植沟修建需要剥离的底土的土方量V₂应当平衡，即：

V₁＝V₂ (公式3)

令,

k₁＝H₃*ctg(θ)

k₂＝sin(a)*sin(180-θ)/(2*sin(θ-a))

(公式3)可采用下式表达：

V₁＝[(2W₂+k₁)*H₃]/2+[(W₂+k₁)²*k₂] (公式4)

令，

x＝(W₂+k₁)

a＝k₂

b＝H₃

c＝-k₁*H₃/2-V₁

求解方程，得到以下关系：

则，种植沟的宽度W₂：

种植沟的表土层厚度H₄按照下式进行估算：

公式中:W₃表示原地表表土剥离的宽度，W₂表示种植沟的宽度，H₀表示地表表土剥离的厚度；

三、其中反铲挖掘机采用前进式，进行塌陷裂缝治理，反铲挖掘机充填的工艺流程如下：

(一)治理区段划分

根据反铲挖掘机的最大挖掘半径L，沿裂缝划分为若干治理区段，每个区段长度D取0.7L，即：D＝0.7L，取整即可；

围绕挖掘机，将治理区段划分为四个不同类型区块；在挖掘机前方，将治理区段划分为两个区块，分别为裂缝充填区和取土区，取土区进一步划分为取土单元一和取土单元二；挖掘机占用的区块为挖掘机工作区；挖掘机后侧为松土区；

(二)具体治理步骤

第一步：第一区段的治理

(1)将取土单元一的表土进行剥离，地表表土剥离的厚度为H₀，临时存放到取土单元二的上方；

(2)剥离取土单元一的生土，充填裂缝区，生土的剥离深度参考设定的裂缝侧底土剥离厚度值H₃；

(3)剥离取土单元二的表土以及存放的取土单元一的表土，移动到取土单元一的上方；

(4)剥离取土单元二的生土，充填裂缝区，修筑生土垄；

(5)将堆放在取土单元一上方的表土平铺到整个取土区，初步形成种植沟；

第二步：反铲挖掘机前移，进行第二区段治理，重复第一区段的治理步骤；

第三步：利用挖沟的斗齿对挖掘机履带碾压过的前一区段种植沟的表土进行松土，完成种植沟的修建；

第四步：然后按照上述流程治理剩余的区段。