CN111676946B - 一种黄土覆盖区煤炭开采生态修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种黄土覆盖区煤炭开采生态修复方法，涉及矿井地质环境与采矿工程技术领域，包括以下步骤：1)煤炭开采前测定地表坡度，2)煤炭开采前对黄土测试力学参数，3)煤炭开采前判定地表黄土斜坡稳定性，4)采煤过程中对稳定区和非稳定区黄土分别使用不同方法加固，5)采煤后稳定阶段二次加固，采煤塌陷区沉降进行观测，当监测到大于0.05m新增沉陷时，对稳定区和非稳定区裂隙进行二次充填，充填材料与采煤过程中充填材料和方法一致，直至充填满裂隙二次发育的空间，6)修复后采煤塌陷区植被覆绿，完成煤炭资源绿色开采，采煤塌陷区生态无显著退化。该方法简单易实施，水土流失减少，植被生存率高，修复效果好，无贵重材料，经济合理。
Description
技术领域
本发明涉及矿井地质环境与采矿工程技术领域，具体涉及一种黄土覆盖区煤炭开采生态修复方法。
背景技术
我国黄土覆盖区生态环境脆弱，但煤炭储量丰富，煤炭开采与生态环境保护存在矛盾，相关的保护方法研究意义重大。目前，黄土覆盖区煤炭开采已有多种生态环境修复技术，但有以下几点问题：
1)对出现的采煤裂隙采用挖方填方技术，挖出的黄土充填在裂隙处，但容易发生水土流失；
2)直接对采煤破坏的黄土进行注浆加固，注入的浆液有一定的污染，虽然能够防止水土流失，但对后续的植被覆绿不利；
3)植被覆绿技术在前期容易发生水土流失，需要的修复时间略长；
4)煤炭开采地面稳定时间较长，修复技术时机存在问题，使得修复效果较差。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种黄土覆盖区煤炭开采生态修复方法，该方法简单易实施，水土流失减少，植被生存率高，修复效果好。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种黄土覆盖区煤炭开采生态修复方法，包括以下步骤：
1)煤炭开采前测定地表坡度，采用全站仪测定采煤工作面地表的斜坡的坡度β；
2)煤炭开采前对黄土测试力学参数，力学参数包括土体的内聚力C，单位为Pa，和土体的内摩擦角
单位为°；
3)煤炭开采前判定地表黄土斜坡稳定性，采用以下公式求取临界坡度δ，
式中h为黄土厚度，单位为m，采用地质柱状图获取，r为土体的密度，单位为kg/m3，β<δ，则该黄土区判定为稳定区，β≥δ，则该黄土区判定为非稳定区；
4)采煤过程中对稳定区和非稳定区黄土分别使用不同方法加固；
其中，对于稳定区，加固方法为：①在煤炭开采过程中，对区内裂缝进行监测，当裂缝深度发育到比最大值小0.1～0.2m时，在裂缝内加入玄武岩纤维，加入量为此时裂隙体积的0.1％～0.5％，加入后玄武岩纤维相对均质的分布在黄土裂隙中；②采煤工作面开采完毕1～7天后，对裂缝中加入充填材料砂子和固化材料，其中充填砂子和固化材料的质量比为3～10:1，具体的充填方法是将砂子和固化材料混合后，分两层填入含有玄武岩纤维的裂隙，直至充填至距离地表0.1～0.3cm处，其下半部采用5～10kg铁锤击10～20次压实，上半部采用5～10kg铁锤击20～30次压实；
对于非稳定区，加固方法为：①在煤炭开采过程中，对区内裂缝进行监测，当裂缝深度发育到比最大值小0.1～0.2m时，在裂缝内加入玄武岩纤维和固化材料，两者质量比为1:1～2，玄武岩纤维加入量为此时裂隙体积的0.3％～0.8％，加入后玄武岩纤维相对均质的分布在黄土裂隙中；②采煤工作面开采完毕1～7天后，对裂缝中加入充填材料砂子和固化材料，其中充填材料砂子和固化材料的质量比为3～6:1，具体的充填方法是将砂子和固化材料混合后，分两层填入含有玄武岩纤维的裂隙，直至充填至距离地表0.1～0.3cm处，其下半部采用5～10kg铁锤击10～20次压实，上半部采用5～10kg铁锤击20～30次压实；
以上方法对裂隙土加固后就是固化土；
5)采煤后稳定阶段二次加固，步骤4)完成后1～2年内对采煤塌陷区沉降进行观测，当监测到大于0.05m新增沉陷时，对稳定区和非稳定区裂隙进行二次充填，充填材料与采煤过程中充填材料和方法一致，直至充填满裂隙二次发育的空间；
6)修复后采煤塌陷区植被覆绿，与步骤5)同步开展，种植的植被选择为耐旱植被，采用灌草组合模式，且种植时对步骤4)预留的0.1～0.3cm裂隙深度充填入黄土，植被扎根在黄土和步骤4)形成的固化土内；
7)完成煤炭资源绿色开采，采煤塌陷区生态无显著退化。
进一步的，步骤4)中，对于稳定区和非稳定区固化过程中加入的玄武岩纤维，对其端部进行粗糙化处理，玄武岩纤维长度为3～7mm，直径为5～25μm。
进一步的，步骤4)中，对于稳定区和非稳定区固化过程中加入的充填材料砂子为级配良好型砂子。
进一步的，步骤4)中，对于稳定区和非稳定区固化过程中加入的固化材料为巨大芽孢杆菌菌液、高矿化度矿井水、风化煤粉、尿素，且固化材料中巨大芽孢杆菌菌液、高矿化度矿井水、风化煤粉、尿素的质量比为2:0.8～1:0.1～0.2:0.8～1。
进一步的，巨大芽孢杆菌菌液600nm波长处的吸光值为1.2～1.3。
进一步的，高矿化度矿井水中钙离子浓度大于1.5g/L。
进一步的，对于稳定区固化过程中加入的风化煤粉中腐植酸含量为风化煤粉质量的35％以上，对于非稳定区固化过程中加入的风化煤粉中腐植酸含量为风化煤粉质量的40％以上。
进一步的，高矿化度矿井水、风化煤粉和尿素均经过灭菌处理。
黄土覆盖区煤炭开采造成塌陷区退化的关键因素是地表水土流失，地表水土流失主要跟采煤诱发的地裂缝关系密切。煤炭开采地裂缝受覆岩移动规律影响，表现3个阶段，第1个阶段是超前破坏阶段(此时裂隙开度和深度会达到最大)，第2个阶段受到压力闭合阶段，第3个阶段表现为采区破碎岩体调整性沉陷引起的裂隙再扩展。依据采煤地裂缝发育规律，以玄武岩纤维加筋和微生物固化开展水土流失治理工作。玄武岩纤维有抵抗流水冲刷的能力，而玄武岩纤维破坏主要表现为端部的滑脱，因此进行粗糙化处理，增加端部摩擦力。第1阶段采煤地裂缝张开后加入玄武岩纤维可以在采煤应力作用下深入黄土层对防治水土流失有重要作用。第2阶段加入的微生物固化材料有较强的固化作用，选用的巨大芽孢杆菌相比巴氏芽孢杆菌在加固效果上相差不大，但由于产生的方解石矿物更大，有较强的透水性和透气性，对后续的植被覆绿有更好的耦合作用(透气性和透水性差的土壤里，植被发育不良)，且为减少透气性和透水性的降低，在采煤裂缝上预留了0.1～0.3cm松散黄土。此外，为提高微生物活性，加入了风化煤粉，风化煤粉中富含的腐植质对于微生物生长是有利的。而加入的浓缩矿井水提供了钙源并减少了污染物的排放。采煤裂缝发育的第3个阶段对裂隙进行二次加固，防止在植被未形成强有力的附着力时发生水土流失。由于微生物固化使得土壤透气性和透水性变差，且黄土地区为半干旱地区，需要选择耐旱植被，且灌草组合模式有利于植物多样性，提高生态修复效果。
此外，煤炭开采还与地裂缝诱发的崩塌有一定的关系，而达到安全系数0.8的临界坡度的斜坡容易发生。而稳定的区域采用常规方法即可，但非稳定区需要在地裂缝发育的第1阶段就加入少量微生物固化材料，并在多个材料配比上加大固化程度。
(三)有益效果
本发明提供了一种黄土覆盖区煤炭开采生态修复方法，其有益效果在于：
1)该方法简单易实施；
2)使用该方法修复后的采煤塌陷区水土流失减少；
3)使用该方法修复后的采煤塌陷区植被生存率高，修复效果好；
4)该方法中无贵重材料，经济合理。
附图说明
图1：本发明方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
某黄土覆盖区煤矿开采2号煤层，煤炭开采对地表生态的影响十分显著，为修复采煤塌陷区生态，以2104采煤工作面为例，采取以下步骤进行：
1)煤炭开采前测定地表坡度，采用全站仪测定采煤工作面地表的斜坡的坡度β；
2)煤炭开采前对黄土测试力学参数，力学参数包括土体的内聚力C＝10000Pa，土体的内摩擦角
3)煤炭开采前判定地表黄土斜坡稳定性，采用以下公式求取临界坡度δ，
采用地质柱状图获取h＝80m；r＝1600kg/m3，计算δ，去尾法取整δ＝18°，β<δ，则该黄土区判定为稳定区，β≥δ，则该黄土区判定为非稳定区。共判定出6个稳定区，3个非稳定区。
4)采煤过程中对稳定区和非稳定区黄土分别使用不同方法加固；
其中，对于稳定区，加固方法为：①在煤炭开采过程中，对区内裂缝进行监测，当裂缝深度发育到比最大值小0.1～0.2m时，在裂缝内加入玄武岩纤维；其中加入的玄武岩纤维端部进行粗糙化处理，玄武岩纤维长度为3～7mm，直径为5～25μm，加入量为此时裂隙体积的0.3％，加入后玄武岩纤维相对均质的分布在黄土裂隙中。②采煤工作面开采完毕1～7天后，对裂缝中加入充填材料砂子和固化材料，其中充填砂子和固化材料的质量比为5:1，砂子为级配良好类型，固化材料包括巨大芽孢杆菌菌液、高矿化度矿井水、风化煤和尿素，其中，质量比为巨大芽孢杆菌菌液：高矿化度矿井水：风化煤粉：尿素＝2:0.8:0.1:0.8，巨大芽孢杆菌菌液600nm波长处的吸光值为1.23，高矿化度矿井水中钙离子浓度为1.6g/L，风化煤粉中腐植酸含量为风化煤粉质量的45％，其中高矿化度矿井水、风化煤和尿素均经过灭菌处理。具体的充填方法是将砂子和固化材料混合后，分两层填入含有玄武岩纤维的裂隙，直至充填至距离地表0.1～0.3cm处，其下半部采用5～10kg铁锤击10～20次压实，上半部采用5～10kg铁锤击20～30次压实；
对于非稳定区，加固方法为：①在煤炭开采过程中，对区内裂缝进行监测，当裂缝深度发育到比最大值小0.1～0.2m时，在裂缝内加入玄武岩纤维和固化材料，两者质量比为1:1，其中加入的玄武岩纤维端部进行粗糙化处理，玄武岩纤维长度为3～7mm，直径为5～25μm，玄武岩纤维加入量为此时裂隙体积的0.8％，加入后玄武岩纤维相对均质的分布在黄土裂隙中；②采煤工作面开采完毕1～7天后，对裂缝中加入充填材料砂子和固化材料，其中充填砂子和固化材料的质量比为3:1，砂子为级配良好类型，固化材料包括巨大芽孢杆菌菌液、高矿化度矿井水、风化煤和尿素，其中，质量比为巨大芽孢杆菌菌液：高矿化度矿井水：风化煤粉：尿素＝2:1:0.2:1，巨大芽孢杆菌菌液600nm波长处的吸光值为1.23，高矿化度矿井水其中钙离子浓度为1.6g/L，风化煤粉中腐植酸含量为风化煤粉质量的40％，其中高矿化度矿井水、风化煤和尿素均经过灭菌处理。具体的充填方法是将砂子和固化材料混合后，分两层填入含有玄武岩纤维的裂隙，直至充填至距离地表0.1～0.3cm处，其下半部采用5～10kg铁锤击10～20次压实，上半部采用5～10kg铁锤击20～30次压实；
以上方法对裂隙土加固后就是固化土。
5)采煤后稳定阶段二次加固，步骤4)完成后1～2年内对采煤塌陷区沉降进行观测，当监测到大于0.05m新增沉陷时，对稳定区和非稳定区裂隙进行二次充填，充填材料与采煤过程中充填材料和方法一致，直至充填满裂隙二次发育的空间；
6)修复后采煤塌陷区植被覆绿，与步骤5)同步开展，种植的植被选择为耐旱植被，采用灌草组合模式，且种植时对步骤4)预留的0.1～0.3cm裂隙深度充填入黄土，植被扎根在黄土和步骤4)形成的固化土内；
7)完成2104采煤工作面资源绿色开采，采煤塌陷区生态无显著退化。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种黄土覆盖区煤炭开采生态修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)煤炭开采前测定地表坡度，采用全站仪测定采煤工作面地表的斜坡的坡度β；
2)煤炭开采前对黄土测试力学参数，所述力学参数包括土体的内聚力C，单位为Pa，和土体的内摩擦角
单位为°；
3)煤炭开采前判定地表黄土斜坡稳定性，采用以下公式求取临界坡度δ，
式中h为黄土厚度，单位为m，采用地质柱状图获取，r为土体的密度，单位为kg/m3，β<δ，则该黄土区判定为稳定区，β≥δ，则该黄土区判定为非稳定区；
4)采煤过程中对稳定区和非稳定区黄土分别使用不同方法加固；
其中，对于稳定区，加固方法为：①在煤炭开采过程中，对区内裂缝进行监测，当裂缝深度发育到比最大值小0.1～0.2m时，在裂缝内加入玄武岩纤维，加入量为此时裂隙体积的0.1％～0.5％，加入后玄武岩纤维相对均质的分布在黄土裂隙中；②采煤工作面开采完毕1～7天后，对裂缝中加入充填材料砂子和固化材料，其中充填砂子和固化材料的质量比为3～10:1，具体的充填方法是将砂子和固化材料混合后，分两层填入含有玄武岩纤维的裂隙，直至充填至距离地表0.1～0.3cm处，其下半部采用5～10kg铁锤击10～20次压实，上半部采用5～10kg铁锤击20～30次压实；
对于非稳定区，加固方法为：①在煤炭开采过程中，对区内裂缝进行监测，当裂缝深度发育到比最大值小0.1～0.2m时，在裂缝内加入玄武岩纤维和固化材料，两者质量比为1:1～2，玄武岩纤维加入量为此时裂隙体积的0.3％～0.8％，加入后玄武岩纤维相对均质的分布在黄土裂隙中；②采煤工作面开采完毕1～7天后，对裂缝中加入充填材料砂子和固化材料，其中充填砂子和固化材料的质量比为3～6:1，具体的充填方法是将砂子和固化材料混合后，分两层填入含有玄武岩纤维的裂隙，直至充填至距离地表0.1～0.3cm处，其下半部采用5～10kg铁锤击10～20次压实，上半部采用5～10kg铁锤击20～30次压实；
以上方法对裂隙土加固后就是固化土；
5)采煤后稳定阶段二次加固，步骤4)完成后1～2年内对采煤塌陷区沉降进行观测，当监测到大于0.05m新增沉陷时，对稳定区和非稳定区裂隙进行二次充填，充填材料与采煤过程中充填材料和方法一致，直至充填满裂隙二次发育的空间；
6)修复后采煤塌陷区植被覆绿，与步骤5)同步开展，种植的植被选择为耐旱植被，采用灌草组合模式，且种植时对步骤4)预留的0.1～0.3cm裂隙深度充填入黄土，植被扎根在黄土和步骤4)形成的固化土内；
7)完成煤炭资源绿色开采，采煤塌陷区生态无显著退化。
2.如权利要求1所述的黄土覆盖区煤炭开采生态修复方法，其特征在于，步骤4)中，对于稳定区和非稳定区固化过程中加入的玄武岩纤维，对其端部进行粗糙化处理，玄武岩纤维长度为3～7mm，直径为5～25μm。
3.如权利要求1所述的黄土覆盖区煤炭开采生态修复方法，其特征在于，步骤4)中，对于稳定区和非稳定区固化过程中加入的充填材料砂子为级配良好型砂子。
4.如权利要求1所述的黄土覆盖区煤炭开采生态修复方法，其特征在于，步骤4)中，对于稳定区和非稳定区固化过程中加入的固化材料为巨大芽孢杆菌菌液、高矿化度矿井水、风化煤粉、尿素，且固化材料中巨大芽孢杆菌菌液、高矿化度矿井水、风化煤粉、尿素的质量比为2:0.8～1:0.1～0.2:0.8～1。
5.如权利要求4所述的黄土覆盖区煤炭开采生态修复方法，其特征在于，所述巨大芽孢杆菌菌液600nm波长处的吸光值为1.2～1.3。
6.如权利要求4所述的黄土覆盖区煤炭开采生态修复方法，其特征在于，所述高矿化度矿井水中钙离子浓度大于1.5g/L。
7.如权利要求4所述的黄土覆盖区煤炭开采生态修复方法，其特征在于，对于稳定区固化过程中加入的所述风化煤粉中腐植酸含量为风化煤粉质量的35％以上，对于非稳定区固化过程中加入的所述风化煤粉中腐植酸含量为风化煤粉质量的40％以上。
8.如权利要求4所述的黄土覆盖区煤炭开采生态修复方法，其特征在于，所述高矿化度矿井水、风化煤粉和尿素均经过灭菌处理。
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