CN111663513B - 基于谷坊群的浅埋厚煤层开采地表塌陷裂缝治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于谷坊群的浅埋厚煤层开采地表塌陷裂缝治理方法,其特征是基于断面内土方挖填平衡原则计算裂缝区治理参数；在裂缝区布设谷坊群，确定谷坊类型及结构；对谷坊间距进行设计；初步选定谷坊位置并进行优化；然后进行谷坊修建、谷坊施工、裂缝治理边坡整治及植被恢复设计。本发明根据宽大裂缝的发育特点，通过对裂缝区进行局部地形改造，形成人工沟道，然后利用谷坊群技术进行水土流失控制，蓄土保水，结合生物措施，进行生态修复。该成果有助于促进西部矿区生态恢复及生态文明建设。

Description

基于谷坊群的浅埋厚煤层开采地表塌陷裂缝治理方法

技术领域

本发明涉及西部地区浅埋厚煤层开采所造成的地表宽大裂缝治理的新方法。

背景技术

随着我国能源战略西移，西部地区正成为我国重要的煤炭生产基地。在中国西部地区赋存有大量埋深在150m以内，厚度大于3.5m的煤层(称为：浅埋厚煤层)。浅埋厚煤层开采对地表环境破坏严重，常伴随开口宽度大于1m的大型塌陷裂缝。该类塌陷裂缝影响程度大，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基于谷坊群的浅埋厚煤层开采地表塌陷裂缝治理方法，本发明根据宽大裂缝的发育特点，通过对裂缝区进行局部地形改造，形成人工沟道，然后利用谷坊群技术进行水土流失控制，蓄土保水，结合生物措施，进行生态修复。

本发明的技术方案是，一种基于谷坊群的浅埋厚煤层开采地表塌陷裂缝治理方法，其特征是基于断面内土方挖填平衡原则计算裂缝区治理参数；在裂缝区布设谷坊群，确定谷坊类型及结构；对谷坊间距进行设计；初步选定谷坊位置并进行优化；然后进行谷坊修建、谷坊施工、裂缝治理边坡整治及植被恢复设计；具体包括以下步骤:

(1)基于断面内土方挖填平衡原则计算裂缝区治理参数

其中裂缝宽度为D(m)，裂缝坡度角为β(°)，削坡后的边坡坡度角为α(°)，地表的削坡宽度为W(m)，裂缝削坡高度为H(m)；

(2)谷坊类型及结构设计

在裂缝区布设谷坊群，谷坊类型为土谷坊，梯形断面，坝体高度 H1(m)，且高出两侧地面0.5m，并向两岸延伸 3.0米，顶宽1.0米，坝体边坡1：1；

根据谷坊坝体高度H1与裂缝区削坡高度H的相对关系，根据下式确定坝体高度H1

H1＝H+0.5 (8)

(3)谷坊间距设计

按照“顶底相照”原则，优化谷坊间距，即，下一座谷坊的蓄水顶部大致与上一座谷坊基部等高，谷坊间距计算公式如下：

L＝H₃/i (9)

式中：L—谷坊间距(m)；H₃—谷坊设计蓄水高度(m)，此处参考H 进行设定；i—裂缝延展方向治理后的沟底坡度，参照地面沿裂缝方向的地形坡度取值。

(4)谷坊选址要求

根据以上设计要求，初步选定谷坊的位置，然后结合周边地形，进一步优化谷坊位置；

(5)谷坊修建方法

根据项目区的地形条件，将挖掘机的有效工作范围划定为取土区域和表土堆放区，其中高处为取土区，挖土用于修建谷坊；低处为表土堆放区，用于临时堆放剥离的表土。利用反铲挖掘机，就近取土，堆土成坝的方法进行修建；

(6)谷坊施工的工艺要求

①谷坊区的表土处理：把待修建谷坊处的含腐植质较多的表土进行剥离，剥离深度应达0.3m以上，清至坚实的底土，表土堆放到表土堆放区；

②取土区的表土处理：把取土区的含腐植质较多的表土进行剥离，剥离深度应达0.3m以上，清至坚实的底土，表土堆放到表土堆放区；

③谷坊修建：利用挖掘机在取土区挖土，填至谷坊区；谷坊分层填土夯实，每层填土厚0.3m，夯实一次，如此分层填筑，直到设计高度，然后对取土区进行初步平整；

④表土回覆：将表土堆放区的表土均匀摊铺到谷坊边坡及取土区表面；

(7)裂缝治理工艺要求

①区段划分：裂缝治理分段进行，每段的长度参考反铲挖掘机的工作半径进行确定；

②表土剥离：根据前文确定的裂缝区地表的削坡宽度为W，进行表土剥离，剥离深度0.3m，临时堆放到治理区外侧；

③裂缝充填：利用挖掘机对裂缝两侧进行削坡，土方填至裂缝区；至设计高度还剩0.3m，利用挖掘机的铲斗对冲填区进行平整、压实；

④表土回覆：将两侧临时堆放的表土均匀摊铺到裂缝区两侧的边坡及沟底；

(8)边坡整治及植被恢复设计

为了促进生态恢复，减少水土流失，对修整后的谷坊边坡、裂缝区边坡和沟底进行生态修复，提升抗侵蚀能力。

本发明根据裂缝特点，就地进行局部地形改造，施工方便，工程造价低。利用谷坊，将沉陷区的降雨径流拦蓄到裂缝区的沟道中，就地入渗，既控制了水分流失，减轻了沟道冲刷，又涵养了水源，为生物措施的快速生长创造了条件。裂缝区边坡种植牧草，可以发展养殖业，裂缝区沟底水分充足，栽植乔木，形成防护林网，促进生态恢复。该成果有助于促进西部矿区生态恢复及生态文明建设。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是塌陷裂缝的局部地形改造示意图。

图2是谷坊剖面图。

图3是谷坊平面示意图。

图4是谷坊间距设计示意图。

图5是谷坊修建治理划分示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

(1)裂缝区治理参数计算

因宽大裂缝地表破坏严重，如果全部充填复垦，工程量巨大，而且易造成其他区域的二次损毁。本发明根据裂缝区土地破坏特点，进行局部地形改造，依托裂缝形成人工沟道，蓄土保水。

塌陷裂缝的局部地形改造基于断面内土方挖填平衡原则确定。见图1所示。

设裂缝宽度为D(m)，裂缝坡度角为β(°)，削坡后的边坡坡度角为α(°)，地表的削坡宽度为W(m)，削坡高度为H(m)。削坡的土方量充填裂缝区，根据土方平衡原则，则存在以下关系：

根据图1的几何关系，W与H存在如下关系：

W＝H*(cota-cotβ) (2)

将式(2)代入式(1)，得到下式：

对式(3)简化，

对式(5)求解，得到削坡高度H如下：

进一步简化后如下：

(2)谷坊类型及结构设计

为了控制裂缝治理后的沟道区土壤侵蚀，在裂缝区布设谷坊群。根据西部地区的自然地理条件，谷坊类型为土谷坊，梯形断面，坝体高度H1(m)，且高出两侧地面0.5m，并向两岸延伸 3.0米，顶宽1.0 米，坝体边坡1：1。谷坊设计见图2所示。

根据谷坊坝体高度H1与裂缝区削坡高度H的相对关系，根据下式确定坝体高度H1:

H1＝H+0.5 (8)

(3)谷坊间距设计

按照“顶底相照”原则，优化谷坊间距，即，下一座谷坊的蓄水顶部与上一座谷坊基部等高。谷坊间距计算公式如下：

L＝H₃/i (9)

式中：L—谷坊间距(m)；H₃—谷坊设计蓄水高度(m)，此处参考H进行设定，i—裂缝延展方向治理后的沟底坡度，参照地面沿裂缝方向的地形坡度取值。

(4)谷坊选址要求

根据以上设计要求，初步选定谷坊的位置，然后结合局部地形，从地质条件按裂缝发育状态及施工便利度方面等进行优化谷坊位置。谷坊选址要求裂缝区无崩塌、滑坡危险，裂缝发育顺直，施工便利的位置。

(5)谷坊修建方法

根据项目区的地形条件，利用反铲挖掘机，就近取土，堆土成坝的方法进行修建。治理划分见图4所示。反铲挖掘机位于地势相对较高的裂缝区一侧，临近待修建的谷坊处。依据地形条件，大致将挖掘机的有效工作范围划定为取土区域和表土堆放区，其中高处为取土区，挖土用于修建谷坊；低处为表土堆放区，用于临时堆放剥离的表土。

(6)谷坊施工的工艺要求

①谷坊区的表土处理：把待修建谷坊处的含腐植质较多的表土进行剥离，剥离深度应达0.3m以上，清至坚实的底土，表土堆放到表土堆放区。

②取土区的表土处理：把取土区的含腐植质较多的表土进行剥离，剥离深度应达0.3m以上，清至坚实的底土，表土堆放到表土堆放区。

③谷坊修建：利用挖掘机在取土区挖土，填至谷坊区。谷坊分层填土夯实，每层填土厚0.3m，夯实一次，如此分层填筑，直到设计高度，然后对取土区进行初步平整。

④表土回覆：将表土堆放区的表土均匀摊铺到谷坊边坡及取土区表面。

(7)裂缝治理工艺要求

①区段划分：裂缝治理分段进行，每段的长度参考反铲挖掘机的工作半径进行确定。

②表土剥离：根据前文确定的裂缝区地表的削坡宽度为W，进行表土剥离，剥离深度0.3m，临时堆放到治理区外侧。

③裂缝充填：利用挖掘机对裂缝两侧进行削坡，土方填至裂缝区。至设计高度还剩0.3m，利用挖掘机的铲斗对冲填区进行平整、压实。

④表土回覆：将两侧临时堆放的表土均匀摊铺到裂缝区两侧的边坡及沟底。

(8)边坡整治及植被恢复设计

为了促进生态恢复，减少水土流失，对修整后的谷坊边坡、裂缝区边坡和沟底进行生态修复，提升抗侵蚀能力。

①边坡种植牧草:

人工整地：去除5cm以上土(石)块，随地形耙平地面，耙地深度7-8cm。

化肥及草种播种：将化肥、草种均匀的撒在需要种植的区域内。播种量遵循适量播种，合理密植的原则。混播草地总播种量按20kg/ 亩，化肥50kg/亩的标准进行。

人工耙平：种子播撒后，将草种和化肥用耙子进行搂耙，耙入土壤0.5-1cm。

人工镇压：人工使用器械均匀的将地面适度拍实，使草种与土壤充分结合。

草帘铺设：用草帘对种植区域全面进行覆盖，并土石压住，以提地温和保墒。

②沟底栽植乔木:

人工整地：对裂缝区底部按裂缝延展方向的地面坡度的大致平整。然后进行穴状整地，采用圆形坑穴，穴径和穴深40cm以上，间距3m。

苗木选择：选择耐水湿的乡土植物，苗高2m以上。

案例分析

陕北榆林煤矿，地貌类型为黄土丘陵，所采煤层的平均厚度为 5.9m，煤层倾角2°，埋深83-140m。通过对地表某裂缝调查分析，在煤层切眼所对应的地表附近，出现多条宽度大于1m的裂缝，选择其中1条作为典型对象进行详细分析和治理设计。裂缝宽度1.6m，长度150m，沿裂缝方向的地形坡度为10％。裂缝坡度角位β＝85°。根据黄土的土力学特性，削坡后的边坡坡度角为α取值45°。根据以上数据，确定裂缝治理的主要工艺参数如下：

(1)裂缝区治理参数计算

裂缝削坡高度为H：

地表的削坡宽度为W：

W＝H*(cota-cotβ)＝2.17*(cot45°-cot80°)＝1.93(m)

(2)谷坊类型及结构设计

根据西部地区的自然地理条件，谷坊类型为土谷坊，梯形断面。坝体高度H1＝H+0.5＝2.17+0.5＝2.67(m)。

谷坊坝顶宽1.0米，坝体边坡1：1。

谷坊坝长度＝3+3+1.6＝7.60m.

(3)谷坊间距设计

裂缝延展方向治理后的沟底坡度i，参照地面沿裂缝方向的地形坡度，取值为10％。

蓄水高度参考H进行设定，取值2.17m。

谷坊间距L：

L＝H₃/i＝2.17/0.1＝22(m)，考虑谷坊占地，实际按25m取值，裂缝长度150m，所以沿裂缝区修建6座谷坊。

(4)裂缝及谷坊治理

利用履带式挖掘机进行治理，有效工作半径10m。将裂缝区分15个区段进行治理。谷坊利用反铲挖掘机，就近取土，堆土成坝的方法进行修建。工艺要求见前文。

(5)植被恢复

边坡混播苜蓿和沙打旺，按20kg/亩进行施用，雨前撒播；化肥按化肥50kg/亩的标准进行施用。

沟底栽植旱柳，穴状整地，苗高2m以上，间距3m。

以上所述，仅仅是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.基于谷坊群的浅埋厚煤层开采地表塌陷裂缝治理方法，其特征是基于断面内土方挖填平衡原则计算裂缝区治理参数；在裂缝区布设谷坊群，确定谷坊类型及结构；对谷坊间距进行设计；初步选定谷坊位置并进行优化；然后进行谷坊修建、谷坊施工、裂缝治理边坡整治及植被恢复设计；具体包括以下步骤:

（1）基于断面内土方挖填平衡原则计算裂缝区治理参数

其中裂缝宽度为D， 裂缝坡度角为β，削坡后的边坡坡度角为α，地表的削坡宽度为W，裂缝削坡高度为H；

（2）谷坊类型及结构设计

在裂缝区布设谷坊群，谷坊类型为土谷坊，梯形断面，谷坊坝体高度H1，坝体边坡的坡度1：1；

根据谷坊坝体高度H1与裂缝削坡高度H的相对关系，根据下式确定谷坊坝体高度H1

（8）

（3）谷坊间距设计

按照下一座谷坊的蓄水顶部与上一座谷坊基部等高的原则，优化谷坊间距，谷坊间距计算公式如下：

（9）

式中：L—谷坊间距，H₃—谷坊设计蓄水高度；i—裂缝延展方向治理后的沟底坡度，参照地面沿裂缝方向的地形坡度取值；

（4）谷坊选址要求

根据以上设计要求，初步选定谷坊的位置，然后结合周边地形进一步优化谷坊位置；

（5）谷坊修建方法

根据项目区的地形条件，将挖掘机的有效工作范围划定为取土区域和表土堆放区，其中高处为取土区域，挖土用于修建谷坊；低处为表土堆放区，用于临时堆放剥离的表土，利用反铲挖掘机，就近取土，堆土成坝的方法进行修建；

（6）谷坊施工的工艺要求

①谷坊区的表土处理：把待修建谷坊处的含腐植质较多的表土进行剥离，剥离深度应达0.3m以上，清至坚实的底土，表土堆放到表土堆放区；

②取土区的表土处理：把取土区的含腐植质较多的表土进行剥离，剥离深度应达0.3m以上，清至坚实的底土，表土堆放到表土堆放区；

③谷坊修建：利用挖掘机在取土区域挖土，填至谷坊区；谷坊分层填土夯实，每层填土厚0.3m，夯实一次，如此分层填筑，直到设计高度，然后对取土区域进行初步平整；

④表土回覆：将表土堆放区的表土均匀摊铺到谷坊边坡及取土区域表面；

（7）裂缝治理工艺要求

①区段划分：裂缝治理分段进行，每段的长度参考反铲挖掘机的工作半径进行确定；

②表土剥离：根据公式（2）确定的裂缝区地表的削坡宽度W进行表土剥离，剥离深度0.3m，临时堆放到治理区外侧；

③裂缝充填：利用挖掘机对裂缝两侧进行削坡，土方填至裂缝区；至设计高度还剩0.3m，利用挖掘机的铲斗对冲填区进行平整、压实；④表土回覆：将两侧临时堆放的表土均匀摊铺到裂缝区两侧的边坡及沟底；

（8）边坡整治及植被恢复设计

为了促进生态恢复，减少水土流失，对修整后的谷坊边坡、裂缝区边坡和沟底进行生态修复，提升抗侵蚀能力。

Images