CN113221345B - 平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法，涉及地质灾害防治，包括：获取初期沉陷区处于工作面推进方向两侧的地下岩土体在开采前至开采稳定后期间的地下岩土体三维空间的形态数据；根据获得的形态数据，获取初期沉陷区处于工作面推进方向两侧的地下岩土体中发生形变的部分对应的最大埋深数据，并将处于同一侧且发生形变的地下岩土体部分作为沉陷整体，获得每个沉陷整体底部的变形区边界；确定欲变形区边界，其上的地下岩土体作为欲沉陷整体，对欲沉陷整体进行增湿，增湿深度为由地表至增湿点对应欲沉陷整体底部的欲变形区边界处；本发明可有效降低增湿工作量和确定增湿范围，避免了现有技术中增湿的缺陷。

Description

平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法

技术领域

本发明涉及地下采矿区地表地质灾害预防与保护技术，尤其涉及一种平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法。

背景技术

我国矿山地质灾情十分严重，地下开采引起地表拉张裂隙又是矿区最常见的地质灾害类型之一。尤其平原矿区，上覆一定厚度松散层，矿产资源的地下开采多引发盆地式地面沉陷(塌陷)，地面沉陷范围往往远大于地下实际开采范围，且地面沉陷过程中常伴生大量的地表拉张裂隙。

如图1，沉陷区上方地表平坦、达到超充分采动、采动影响范围内没有大地质构造的条件下，最终形成的沉陷盆地一般可划分为三个区域，即中间区域(DD’)、压缩区域(CD、C’D’)和拉伸区域(AC、A’C’)。其中，中间区域指沉陷盆地的中间部位；压缩区域一般位于沉陷区边界附近到最大下沉点之间，此区域地面变形向盆地中心方向倾斜，呈凹形，产生压缩变形；拉伸区域一般位于沉陷区边界到盆地边界，此区域内地面变形向盆地中心方向倾斜，呈凸形，产生拉伸变形，地面伴有拉伸裂缝。中间区域与压缩区域记为采空冒落沉陷区；拉伸区域记为采空外围沉陷区。此外，地表沉陷盆地的边界记为A(或A’)，则根据沉陷盆地内最外侧的裂缝圈定的边界B(或B’)即为盆地的裂缝边界。

从矿区地质环境与地质灾害角度出发，地面拉张裂隙可直接破坏地表构筑物，如铁路、堤坝、村庄和其它工业与民用建筑等；其次，地表拉张裂隙可成为地表水进入矿井的通道而造成矿井水害；另外，地表拉张裂隙亦可加剧水土流失而降低土壤质量，以及造成矿区生态环境的破坏。

因此，地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治具有重要意义。然而，目前控制或降低矿区拉张裂隙地质灾害的方法主要是针对裂隙区采取注浆堵漏的方法，且只是针对矿井地表水害采取的措施。

中国专利CN109811757B公开了一个针对沉陷区地表欲拉张裂隙的区域进行注水增湿，以增加土壤的塑性，从而在其变形的过程中减少拉张裂隙的产生，但是上述技术方案在实施的过程中增湿范围广，深度不明确，用水量大，沉陷变形深度范围根据经验确定导致范围不精确，工作进展缓慢，不利于提高工作效率和降低增湿成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法，以解决现有技术中增湿效率低和成本高的技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、获取初期沉陷区处于工作面推进方向两侧的地下岩土体在开采前至开采变形稳定后期间的地下岩土体三维空间的形态数据；

步骤2、根据获得的形态数据，获取初期沉陷区处于工作面推进方向两侧的地下岩土体中发生形变的部分对应的最大埋深数据，并将处于同一侧且发生形变的地下岩土体作为沉陷整体，同时根据形态数据，获得每个沉陷整体底部的变形区边界；

步骤3、将处于工作面推进方向两侧的变形区边界沿工作面推进方向延伸且延伸部分作为欲变形区边界，其上的地下岩土体作为欲沉陷整体；

步骤4、在欲沉陷整体发生形变前对其进行增湿，令对应岩土体的含水量达到饱和，增湿深度为由地表至增湿点对应欲沉陷整体底部的欲变形区边界处。

进一步，步骤1中还包括获取初期沉陷区对应地表和处于工作面推进方向两侧的地下岩土体在开采前至开采稳定后期间对应地表的形变图像，步骤2中还包括根据获取的形变图像获得产生拉张裂隙的位置，步骤3中还包括将产生拉张裂隙的位置沿工作面推进方向延伸且延伸部分作为欲拉张区域，步骤4中还包括对欲拉张区域进行钻孔增湿。

进一步，步骤4中还包括获取欲沉陷整体中松散层的分布情况，增湿仅针对松散层进行增湿。

进一步，步骤4中还包括对欲沉陷整体的边界处进行增湿。

进一步，步骤1还包括在初期沉陷区未塌陷前对其对应地表及外围松散层进行注水增湿。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、本发明通过对初期沉陷区外围岩土体的变形进行数据监控，可有效获取对应岩土体的变形区边界并对将要发生变形的岩土体进行预测，实现了变形区域的有效预测，避免了依据经验预测地表塌陷范围的缺陷；

2、本发明中通过预测的岩土体变形区边界，可在不同位置依据其预测的变形深度而确定增湿深度，进而避免了现有技术中增湿深度不明确导致增湿用水量大或增湿深度不够的问题。

附图说明

图1为地下开采引起地表沉陷盆地剖面示意图；

图2为地下开采引起地表沉陷盆地及研究区平面示意图；

图3为本发明一种平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法的欲采空冒落沉陷区外围单侧测线及研究点布设示意图；

图4为本发明一种平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法的具体实施例中地表沉陷盆地岩土体变形区边界示意图；

图5为本发明一种平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法的具体实施例中增湿点N与其对应欲变形区边界上的点N’。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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

参考图1-5，本实施例提供一种平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法，现有技术中方法为对图1中沉陷区对应地表及其外围整体进行增湿，以降低土壤强度增加其塑性，但是该方法存在背景技术中存在缺陷，因此为了克服上述缺陷，本发明提供的方法包括以下步骤(本实施例中针对的为沉陷区正上方的采空冒落沉陷区及其两侧的采空外围沉陷区的岩土体进行处理，因采空冒落沉陷区多为直接沉陷，因此处理的主要为采空外围沉陷区，而沿工作面推进方向的采空冒落沉陷区岩土体，因为其为周期性冒落，治理意义不大，因此在本实施例中不考虑，结合图2和图3)：

步骤1、获取初期沉陷区处于工作面推进方向两侧的地下岩土体在开采前至开采稳定后期间的地下岩土体三维空间的形态数据；

即：为了精准预测未来塌陷区的范围，在本实施例中，在初期沉陷区未进行开采前对其外围的岩土体布设可对岩土体进行三维空间形态监测系统，本实施例中的监测系统由多个监测单元和总的控制器组成，每个监测单元由多个相互转动连接的等长的套管串联而成，每个套管内固定安装两个相互垂直的倾角传感器(分别测量套管在平行、垂直工作面推进方向上的倾角)，每个倾角传感器又与数据采集子系统连接，每个数据采集子系统将采集的数据反馈给总的控制器，从而在初期沉陷区未进行开采前对其外围的岩土体内均匀布设监测单元(参考图3中的研究点布设位置)，每个监测单元的布设深度都不小于采空区底部的深度，从而实现精确监测的目的，布设范围不低于根据经验所预测的塌陷范围，根据倾角传感器的布设深度和倾角变化，可有效获取初期沉陷区开采前后地下岩土体三维空间的形态数据；

上述步骤完成后，进行步骤2；

步骤2、根据获得的形态数据，获取初期沉陷区处于工作面推进方向两侧的地下岩土体中发生形变的部分对应的最大埋深数据，并将处于同一侧且发生形变的地下岩土体部分作为沉陷整体，同时根据形态数据，获得每个沉陷整体底部的变形区边界(参考图4)；

即沉陷区两侧的岩土体并不是全部发生变形，因此，根据获取的形态数据，可有效获取发生变形的沉陷整体底部的变形区边界，即每个监测单元中所有监测数据存在变化的倾角传感器中埋深最深的一个对应的埋深位置为变形区边界上的一个点，将处于工作面同一侧的所有的点连接起来，从而可构成每个沉陷整体的变形区边界；

获取变形区边界后进行步骤3：

步骤3、将处于工作面推进方向两侧的变形区边界沿工作面推进方向延伸且延伸部分作为欲变形区边界，其上的地下岩土体作为欲沉陷整体；

即将步骤2获得的变形区边界向工作面推进的方向延伸，因为同一地域的地质条件具有相似性，后期沉陷区导致的地表沉陷多数会顺延前期沉陷区导致的地表沉陷，因此，在本实施例中根据初期沉陷区获得的欲变形区边界具有参考价值，同时其上方的土体也为欲沉陷整体；

在欲沉陷整体发生形变前对其进行增湿，进行步骤4；

步骤4、在欲沉陷整体发生形变前对其进行增湿，令对应岩土体的含水量达到饱和，增湿深度为由地表至增湿点对应欲沉陷整体底部的欲变形区边界处。

即对欲沉陷整体进行注水增湿，以增强其塑性，使得在塌陷的过程中土壤能够有效膨胀和延展，从而避免或降低拉张裂隙发育程度，而增湿的深度则是根据增湿点对应的欲变形区边界上点对应的深度(如增湿点N对应其正下方欲变形区边界上点N’)，相比于现有技术中增湿方案，本实施例能够有效精确增湿深度，明确增湿范围，减少了增湿工作量，同时提高了作业效率。

特别的，因为后期沉陷区沉陷区域大概率为上一沉陷区的顺延，同样的，延伸方向与工作面推进方向相同的地表拉张裂隙的产生也会顺延上一沉陷区地表的拉张裂隙，为了有效利用该特征，在本实施例中，步骤1中还包括获取初期沉陷区对应地表和处于工作面推进方向两侧的地下岩土体在开采前至开采稳定后期间对应地表的形变图像，即明确对应拉张裂隙产生的位置，然后在该位置上沿工作面推进方向进行顺延，延伸部分作为欲拉张区域；对欲拉张区域进行钻孔增湿，从而可有效降低将要产生的拉张裂隙的发育程度或避免其产生。

因为欲沉陷整体可能由岩层或松散层等构成，而针对岩层进行注水增湿则效果不佳，因此在本实施例中还包括对欲沉陷整体中松散层的分布情况进行获取统计，然后仅针对松散层进行增湿。

从而可降低增湿成本，同时可降低岩层发生折断导致地表松散层剧烈变化的风险。

特别的，对欲沉陷整体内部增湿的同时对其边界外侧也进行一定程度的增湿，从而降低影响，其增湿深度0.5米以内便可。

特别的，虽然需要通过前期沉陷区获取对应的欲拉张区域或欲沉陷整体等，但是为了降低拉张裂隙的整体发育程度，也可在步骤1初期沉陷区未塌陷前对其对应地表及外围松散层进行注水增湿。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、在初期沉陷区未进行开采前在其外围的岩土体内均匀布设监测单元，布设范围不低于根据经验所预测的塌陷范围，且每个监测单元的布设深度不小于采空区底部的深度；获取初期沉陷区处于工作面推进方向两侧的地下岩土体在开采前至开采变形稳定后期间的地下岩土体三维空间的形态数据；

步骤2、将处于工作面推进方向同一侧且发生形变的地下岩土体作为沉陷整体，获取每个沉陷整体底部的变形区边界；其中，每个监测单元中所有监测数据存在变化的倾角传感器中埋深最深的一个对应的埋深位置为对应变形边区边界上的一个点，将处于工作面同一侧的所有点连接起来，构成对应沉陷整体的变形区边界；

步骤3、将处于工作面推进方向两侧的变形区边界沿工作面推进方向延伸且延伸部分作为欲变形区边界，其上的地下岩土体作为欲沉陷整体；

步骤4、在欲沉陷整体发生形变前对其进行增湿，令对应岩土体的含水量达到饱和，增湿深度为由地表至增湿点对应欲沉陷整体底部的欲变形区边界处。

2.根据权利要求1所述的一种平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法，其特征在于，步骤1中还包括获取初期沉陷区对应地表和处于工作面推进方向两侧的地下岩土体在开采前至开采稳定后期间对应地表的形变图像，步骤2中还包括根据获取的形变图像获得产生拉张裂隙的位置，步骤3中还包括将产生拉张裂隙的位置沿工作面推进方向延伸且延伸部分作为欲拉张区域，步骤4中还包括对欲拉张区域进行钻孔增湿。

3.根据权利要求2所述的一种平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法，其特征在于，步骤4中还包括获取欲沉陷整体中松散层的分布情况，增湿仅针对松散层进行增湿。

4.根据权利要求3所述的一种平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法，其特征在于，步骤4中还包括对欲沉陷整体的边界处进行增湿。

5.根据权利要求4所述的一种平原矿区地下开采引起地表拉张裂隙地质灾害的防治方法，其特征在于，步骤1还包括在初期沉陷区未塌陷前对其对应地表及外围松散层进行注水增湿。