CN113343417A - 一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法 - Google Patents

一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法，包括：现场钻孔取样，测试各岩层的物理力学参数；建立三维物理相似模型，模拟煤层开采覆岩裂隙演化过程，统计分析得到含水层、隔水层与表土层裂隙形态、位置、张开度、大小等空间展布特征，计算各岩层所需的充填量；配置充填材料A即隔水性材料，充填材料B即富水性材料，充填材料C即富含微生物、植被生长的表土材料；布设注浆管路，通过地表采动裂缝，实施泵送充填，完成含水层、隔水层与表土层的再造修复。本发明可有效修复煤层采动影响造成的含水层、隔水层与表土层破坏问题，有效改善煤矿生态环境，同时具有适用范围广、施工方便、安全环保的特点，具有广泛的应用前景。

Description

一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法
技术领域
本发明属于矿山生态修复领域，尤其涉及一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法。
背景技术
我国能源禀赋特征是富煤、缺油、少气，煤炭资源储量占94.11％，煤炭资源作为我国主体能源的地位在短期内不会改变。近年来，随着我国经济社会的快速发展，矿产资源大量开发导致的生态环境破坏问题愈加严重，生态环境恶化加剧，经济发展与环境保护之间的矛盾日益突出，已成为制约我国经济社会发展的重要因素。我国西部矿区煤炭资源十分丰富，但由于西部地区处于干旱气候地区，生态环境极其脆弱，煤炭资源开采与生态环境保护的协调发展问题十分突出。
西部浅埋煤层地下开采过程中，易造成含水层、隔水层及表土层结构破坏，进而引发地下水位下降、区域性地表水渗漏、地面塌陷、植被枯死等一系列生态问题。地下采煤引起的地表裂缝是开采沉陷破坏的直观表现，地表裂缝贯通采空区，会引发采空区遗留煤炭自燃发火，同时易引起雨季地表水回灌采空区，影响工作面安全成产。因此，对生态脆弱矿区浅埋煤层开采引起的采动地表裂缝处理，以及含水层、隔水层与表土层的再造修复对于生态脆弱矿区煤炭安全开采与环境保护具有重要意义。因此，研发一种基于采动地表裂缝的生态脆弱矿区含水层、隔水层与表土层的再造修复方法，该方法是对采动地表裂缝治理的可行技术方案，对于西部生态脆弱矿区浅埋煤层的安全开采与生态环境保护具有现实意义，具有广阔的应用前景。
发明内容
解决的技术问题：
针对现有技术的不足，本申请提供了一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法，解决了现有技术存在的含水层、隔水层及表土层结构破坏，进而引发地下水位下降、区域性地表水渗漏、地面塌陷、植被枯死等等难题，实现采动地表裂缝处理及含水层、隔水层与表土层再造修复，达到煤炭安全开采与生态环境保护的协调发展。
技术方案
为实现上述目的，本申请通过以下技术方案予以实现：
一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法，具体操作步骤如下：
步骤a：现场钻孔取样，测试各岩层的强度、密度、含水率、渗透特性物理力学参数；
步骤b：建立三维物理相似模拟模型，模拟煤层开采覆岩裂隙演化过程，统计分析得到含水层、隔水层与表土层裂隙形态、位置、张开度、大小空间展布特征，计算各岩层所需的充填量；
步骤c：根据隔水层裂隙发育空间展布特征，配置隔水性充填材料A，通过在地表采动裂缝处布置注浆管路，实施泵送充填，完成隔水层的再造修复；
步骤d：根据含水层裂隙发育空间展布特征，配置富水性充填材料B，通过在地表采动裂缝处布置注浆管路，实施泵送充填，完成含水层即生态水位层的再造修复；
步骤e：根据表土层裂隙发育空间展布特征，配置富含微生物、植被生长的表土性充填材料C，通过在地表采动裂缝处布置注浆管路，实施泵送充填，完成表土层的再造修复；
步骤f：当地表裂缝被充填材料的浆液充满则停止注浆，含水层、隔水层与表土层再造修复稳定后，在地表种植适宜当地区域环境生长的植被；
步骤g：重复步骤a～f过程，完成整个矿区的含水层、隔水层与表土层再造修复。
进一步的，所述隔水性充填材料A根据其原始隔水层结构力学与隔水性能的相似性配制而成，成分为矸石、风积沙、水泥、水玻璃和速凝剂材料混合而成，所述矸石、风积沙、水泥、水玻璃和速凝剂材料质量比为40:20:10:5:2。
进一步的，所述富水性充填材料B根据其原始含水层骨架颗粒特征，即粒径、孔隙度、分选性的载荷传递及其渗透性影响配制而成，成分为水、沙土、砾石材料混合而成，所述水、沙土、砾石材料质量比为12:5:7。
进一步的，所述表土性充填材料C为原始表土层土壤、腐殖土、植物养料材料混合而成，所述原始表土层土壤、腐殖土、植物养料材料质量比为20:5:3。
进一步的，所述含水层、隔水层与表土层再造修复的隔水性充填材料A、富水性充填材料B、表土性充填材料C，其粗骨料粒径大小与料浆浓度，根据各岩层裂隙发育程度进行配置，确保料浆泵送充填过程中的流动性与适宜性。
进一步的，所述采动地表裂缝较小，泵送充填困难时，通过施工辅助定向层位钻孔，然后布设注浆管路，最后再依次完成含水层、隔水层与表土层的再造修复。
进一步的，所述根据含水层、隔水层与表土层的三维裂缝空间展布特征及范围，采用三角或星形网络矩阵布置注浆站点，以确保整个区域的再造修复效果。
有益效果
本申请提供了一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法，具备以下有益效果：
1、实现采动地表裂缝处理及含水层、隔水层与表土层再造修复，达到煤炭安全开采与生态环境保护的协调发展。
2、尤其适用于我国西部生态脆弱矿区浅埋煤层开采损伤导致的含水层、隔水层与表土层再造修复。
3、对含水层、隔水层与表土层进行再造修复，实现生态脆弱矿区煤炭资源安全开采与生态环境保护的目的；本方法适用性高、实用性强、操作简单、经济合理、效果明显，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本申请一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法流程图。
图2为本申请一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法三维物理相似模拟示意图。
图3为本申请一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法原理图。
附图标记说明：1-表土层，2-含水层，3-隔水层，4-表土性充填材料C，5-富水性充填材料B，6-隔水性充填材料A，7-注浆管路，8-基本顶，9-直接顶，10-煤层，11-底板。
具体实施方式
下面将结合说明书中的附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1：
新疆某矿设计生产能力为120万t/a，主采煤层埋深100米左右，煤层厚度8.6m，采用放顶煤开采，工作面长度为155m，推进长度为1282m，煤层采高4.2米，由于煤层采高较大，埋深较浅，采动裂隙发育到了地表，极大地影响了当地矿区地表生态环境，亟需对隔水层、含水层及地表裂缝进行再造修复。
一种基于采动地表裂缝的土层再造修复方法，具体操作步骤如下：
a.针对矿进行钻孔施工，现场取样。将取样得到的岩体制成标准式样，进行物理力学与渗流特性实验，得到各岩层的岩石物理力学与渗流特性参数，见表1。
表1各岩层岩石物理力学与渗流特性参数
Figure 270077DEST_PATH_IMAGE001
Figure 187217DEST_PATH_IMAGE002
b.依据相似模拟理论与相似准则，确定本次试验模型的几何相似比CL为1:100，同时根据实验材料与岩层的实际容重，确定模型的容重相似比Cr为1:1.667，动力相似比为1:1.67ⅹ1.67 ⅹ106，运动相似比为1:10，应力相似比为1:166.7，建立三维物理相似模型，其模型尺寸为 14.82mⅹ3.55mⅹ1.1m。设计模型铺设包括煤层的底板11、煤层10、直接顶9、基本顶8、隔水层3、含水层2、表土层1，模拟煤层开采覆岩裂隙演化过程，统计分析得到含水层2、隔水层3与表土层1裂隙形态、位置、张开度、大小等空间展布特征，并按下式估算各岩层所需充填量：
Figure RE-GDA0003163989530000042
其中，M为各岩层所需充填量，ρ为各岩层充填再造材料密度，k为有效裂隙统计数量， Vk为有效裂隙体积；
c.由a，b步骤的结果，得出隔水层3裂隙发育的空间分布与大小，配置隔水性充填材料 A6，矸石、风积沙、水泥、水玻璃与速凝剂质量比为40:20:10:5:2，通过地表采动裂缝处设置注浆管7，实施泵送充填，完成隔水层3再造修复；
d.由a，b步骤的结果，得出含水层2裂隙发育的空间分布与大小，配置富水性充填材料B5，水、沙土与砾石质量比为12:5:7，通过地表采动裂缝处设置注浆管7，实施泵送充填，完成含水层，即生态水位的再造修复；
e.由a，b步骤的结果，得出表土层1裂隙发育的空间分布与大小，配置富含微生物、植被生长的表土性充填材料C4，表土层土壤、腐殖土与植物养料质量比为20:5:3，通过地表采动裂缝处设置注浆管7，实施泵送充填，完成表土层1再造修复；
f.当地表裂缝被充填材料的浆液充满则停止注浆，当所注入的充填材料稳定后，在地表种植适宜当地区域环境生产的植被；
重复步骤a～f，完成该生态脆弱矿区其他区域含水层2、隔水层3与表土层1的再造修复。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本申请的技术方案，并不用于限制本申请，尽管通过上述优选实施例已经对本申请进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以对其在形式上和细节上作出各种各样的改变，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法，其特征在于：所述具体操作步骤如下：
步骤a：现场钻孔取样，测试各岩层的强度、密度、含水率、渗透特性物理力学参数；
步骤b：建立三维物理相似模拟模型，模拟煤层开采覆岩裂隙演化过程，统计分析得到含水层（2）、隔水层（3）与表土层（1）裂隙形态、位置、张开度、大小空间展布特征，计算各岩层所需的充填量；
步骤c：根据隔水层裂隙发育空间展布特征，配置隔水性充填材料A（6），通过在地表采动裂缝处布置注浆管路（7），实施泵送充填，完成隔水层（3）的再造修复；
步骤d：根据含水层裂隙发育空间展布特征，配置富水性充填材料B（5），通过在地表采动裂缝处布置注浆管路（7），实施泵送充填，完成含水层（2）即生态水位层的再造修复；
步骤e：根据表土层裂隙发育空间展布特征，配置富含微生物、植被生长的表土性充填材料C（4），通过在地表采动裂缝处布置注浆管路（7），实施泵送充填，完成表土层（1）的再造修复；
步骤f：当地表裂缝被充填材料的浆液充满则停止注浆，含水层（2）、隔水层（3）与表土层（1）再造修复稳定后，在地表种植适宜当地区域环境生长的植被；
步骤g：重复步骤a~f过程，完成整个矿区的含水层（2）、隔水层（3）与表土层（1）再造修复。
2.根据权利要求1所述的一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法，其特征在于：所述隔水性充填材料A（6）根据其原始隔水层（2）结构力学与隔水性能的相似性配制而成，成分为矸石、风积沙、水泥、水玻璃和速凝剂材料混合而成，所述矸石、风积沙、水泥、水玻璃和速凝剂材料质量比为40:20:10:5:2。
3.根据权利要求1所述的一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法，其特征在于：所述富水性充填材料B（5）根据其原始含水层骨架颗粒特征，即粒径、孔隙度、分选性的载荷传递及其渗透性影响配制而成，成分为水、沙土、砾石材料混合而成，所述水、沙土、砾石材料质量比为12:5:7。
4.根据权利要求1所述的一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法，其特征在于：所述表土性充填材料C（4）为原始表土层土壤、腐殖土、植物养料材料混合而成，所述原始表土层土壤、腐殖土、植物养料材料质量比为20:5:3。
5.根据权利要求1所述的一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法，其特征在于：所述含水层（2）、隔水层（3）与表土层（1）再造修复的隔水性充填材料A（6）、富水性充填材料B（5）、表土性充填材料C（4），其粗骨料粒径大小与料浆浓度，根据各岩层裂隙发育程度进行配置，确保料浆泵送充填过程中的流动性与适宜性。
6.根据权利要求1所述的一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法，其特征在于：所述采动地表裂缝较小，泵送充填困难时，通过施工辅助定向层位钻孔，然后布设注浆管路（7），最后再依次完成含水层（2）、隔水层（3）与表土层（1）的再造修复。
7.根据权利要求1所述的一种基于采动地表裂缝的含隔水层及表土层再造修复方法，其特征在于：所述根据含水层（2）、隔水层（3）与表土层（1）的三维裂缝空间展布特征及范围，采用三角或星形网络矩阵布置注浆站点，以确保整个区域的再造修复效果。
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