一种峰丛地貌山区浅埋煤层开采地裂缝的治理方法与流程

1.本发明属于矿山采动损害与生态修复领域，具体是一种峰丛地貌山区浅埋煤层开采地裂缝的治理方法。


背景技术：

2.浅埋煤层具有层数多、层间距近、埋深浅等特点。随着煤炭资源开发强度和广度的增加，地表沉陷区产生了地表开裂、山体滑坡、危岩崩塌等矿山地质灾害，尤其是地裂缝作为一种典型的开采损害形式，呈现于地表的一种地表开裂问题，对生态环境造成了不可逆转的破坏。
3.申请号201310249086.7的文献公开了一种高水材料地裂缝充填系统及充填治理方法，叙述了高水充填地裂缝的工艺流程，发明了一种充填系统便携车，包括空气压缩系统、充填浆液生产系统和注浆系统，通过注浆管向裂缝内注入高水充填浆液，然后覆土夯实进行植被恢复。申请号201510799064.7的文献公开了一种促进矿区采动地表裂缝带植被恢复的水土保持方法，包括填埋裂缝、测量裂缝两侧植被退化面积、确定植被恢复数量等步骤。上述文献均采取了统一方法，没有充分考虑地裂缝发育类型的差异性，进而在地裂缝治理过程中增加了不必要的工艺，增加了经济成本和劳动强度。
4.可见目前地裂缝的治理方法存在较大盲目性和单一性，使用缺乏针对性与系统性，没有根据地裂缝发育的具体特点来针对性地治理。如何科学合理地治理地裂缝，这方面的研究还很薄弱。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种峰丛地貌山区浅埋煤层开采地裂缝的治理方法。
6.本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种峰丛地貌山区浅埋煤层开采地裂缝的治理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
7.步骤1、划分地裂缝发育类型及其强烈发育区：
8.勘测地裂缝的发育宽度、落差、延伸长度、裂缝角度和走向，再根据这些参数将地裂缝发育类型划分为拉张型地裂缝(2)、张开型地裂缝(9)和台阶型地裂缝(13)；
9.根据各类地裂缝集中发育的区域，将地裂缝强烈发育区划分为拉张型地裂缝强烈发育区、张开型地裂缝强烈发育区和台阶型地裂缝强烈发育区；
10.步骤2、针对不同的地裂缝类型采用不同治理方法：
11.拉张型地裂缝为永久性地裂缝，其治理包括以下步骤：
12.1)深部固体材料充填：将煤矸石粉体、水泥和粉煤灰湿法混合形成的固体材料(3)从裂缝深部开始填充，直至与地表的距离为裂缝发育宽度的2～3倍处终止；
13.2)浅部覆土：待固体材料(3)凝固且密度不低于1.5t/m3后，从拉张型地裂缝(2)的两侧附近就地取土，在拉张型地裂缝(2)中将土体覆盖于固体材料(3)上进行浅部覆土，形
成凸型结构(4)；凸型结构(4)超出裂缝发育的地表水平面；
14.3)植被恢复：在地裂缝两侧沿坡面平整地表；然后在地裂缝两侧沿地裂缝延伸方向分别豁一排沟(51)；再在沟(51)中撒播草籽，然后覆盖表土；
15.在地裂缝两侧的沟(51)的外侧，沿地裂缝延伸方向分别挖一排坑(61)；再在坑(61)内种植作物(62)，然后覆盖表土；
16.4)坡体加固：在地裂缝两侧的作物(62)的外侧的坡体地表上，沿地裂缝延伸方向分别布置一排锚固点；以朝向地裂缝的方向从锚固点处向地下钻孔；再在钻孔中安装锚索(71)，注浆后与周围岩土体锚固在一起；地裂缝两侧处于同一对称位置的锚索(71)上铰接对拉钢丝绳(72)，形成对拉结构以缝合地裂缝；
17.对于具有自我愈合性的动态张开型地裂缝，在工作面停采后，采取自然恢复模式；对于不具有自我愈合性的张开型地裂缝的治理包括以下步骤：
18.1)浅部覆土：在张开型地裂缝两侧取土区(10)就地取土，将地裂缝两侧表土填充至裂缝内，使张开型地裂缝(9)形成凹型结构(11)；
19.2)植被恢复：在凹型结构(11)中撒播草籽，然后覆盖表土；
20.台阶型地裂缝为永久性地裂缝，其治理具体包括以下步骤：
21.1)深部固体材料充填：将煤矸石粉体、水泥和粉煤灰湿法混合形成的固体材料(3)从裂缝深部开始填充，直至与台阶型地裂缝较低的一侧平齐后终止；
22.2)削坡覆土：待固体材料(3)凝固且密度不低于1.5t/m3后，从台阶型地裂缝较高的一侧取土，填充至台阶型地裂缝较低的一侧，形成台阶型地裂缝表土平整区(14)，进而将台阶型结构改造为斜坡型结构；
23.3)植被恢复：根据斜坡宽度，沿坡面进行浅沟整地；再向沟中均匀撒播草籽，然后覆盖表土。
24.与现有技术相比，本发明有益效果在于：
25.(1)本发明基于地裂缝的差异性分区发育属性，以地裂缝发育的分类和分区两大特征为依据，以山区生态修复理论与技术为指导，科学划分地裂缝发育类型和优先发育区域，优化治理工艺及措施，采取针对性治理方法，遵循因地制宜原则，实现了分类分区治理，将地裂缝治理与滑坡防治、植被恢复、水土保持有机结合，具有良好的针对性、系统性、具体性，治理效果优异，促进峰丛地貌山区采煤塌陷地的生态环境改善与恢复，对建设绿色矿山具有重要现实意义，实现社会效益、生态效益与经济效益的统一。
26.(2)本发明根据地裂缝发育类型和发育位置，采用煤矸石、粉煤灰等原材料，不仅实现了就地取材、治理地裂缝的成果，同时实现了矿山废弃材料的深加工利用。具有运输成本低、治理成本小，经济性、生态环境效益好。
附图说明
27.图1为本发明的工艺流程图；
28.图2为本发明实施例1的地裂缝地表分布平面图；
29.图3为本发明实施例1的地裂缝强烈发育区分布平面图；
30.图4为本发明的拉张型地裂缝治理示意图；
31.图5为本发明的张开型地裂缝治理示意图；
32.图6为本发明的台阶型地裂缝治理示意图。
33.图中：1-拉张型地裂缝发育位置，2-拉张型地裂缝，3-固体材料，4-凸型结构，51-沟，52-草丛，61-坑，62-经济类作物，71-锚索，72-对拉钢丝绳；8-张开型地裂缝发育位置，9-张开型地裂缝，10-张开型地裂缝两侧取土区，11-凹型结构，12-台阶型地裂缝发育位置，13-台阶型地裂缝，14-台阶型地裂缝表土平整区，15-台阶型地裂缝一侧取土区。
具体实施方式
34.下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本技术权利要求的保护范围。
35.本发明提供了一种峰丛地貌山区浅埋煤层开采地裂缝的治理方法(简称方法)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
36.步骤1、划分地裂缝发育类型及其强烈发育区：
37.对于浅埋煤层，根据工作面对应地表沉陷范围，采用现场勘测加无人机航拍技术，取得地裂缝的地表分布，绘制地裂缝分布平面图；结合平面图利用测量工具在现场勘测地裂缝的发育宽度、落差、延伸长度、裂缝角度和走向等发育尺度参数，再根据这些参数划分地裂缝的发育类型，将地裂缝发育类型划分为拉张型地裂缝2、张开型地裂缝9和台阶型地裂缝13；
38.对于拉张型地裂缝：形态为拉张状态，地裂缝两侧的岩土体明显分离，地裂缝一侧的岩土体朝下坡方向倾斜，形成具有一定深度的深沟；发育宽度和落差较大，均大于0.5m；延伸长度较长，一般为数十米(一般不小于20m)，延伸方向与工作面倾向大致平行或斜交；裂缝角度与拉张型地裂缝发育位置1的地表坡度正相关，地表坡度越大，裂缝角度越大，裂缝角度通常大于25
°
；拉张型地裂缝优先发育在陡坡或地表坡度突然变化的地形过渡地带；
39.对于张开型地裂缝：形态为张开状态，地裂缝两侧的岩土体错动量较小；发育宽度大于落差，发育宽度为0.05～0.3m，落差小于0.1m；地裂缝延伸方向与工作面运输巷或回风巷的走向大致平行或呈较小角度斜交；裂缝角度小，通常小于5
°
；张开型地裂缝优先发育在工作面开采沉陷盆地的边缘地带，其发育区域属于连续变形区，随着沉陷盆地趋于稳定，部分地裂缝趋于闭合，对发育区域的表土层、植被生长的扰动强度相对较小，具有一定自我愈合性；
40.对于台阶型地裂缝：形态为台阶切落形，地裂缝一侧的岩土体与另一侧岩土体形成错台形式；发育宽度小于落差，发育宽度小于0.1m，落差一般大于0.3m；延伸方向与工作面倾向方向大致平行或斜交；台阶型地裂缝优先发育在缓坡(坡度一般小于15
°
)或冲沟地带；台阶型地裂缝不具有自我修复性，通常为永久性地裂缝，对山坡稳定性、植被生长的扰动强度较大，也是地裂缝治理的重点；
41.所述强烈发育区是指地裂缝集中发育的区域，此区域内地裂缝的密度和规模大；根据各类地裂缝集中发育的区域，将地裂缝强烈发育区划分为拉张型地裂缝强烈发育区、张开型地裂缝强烈发育区和台阶型地裂缝强烈发育区；
42.步骤2、针对不同的地裂缝类型采用不同治理方法：
43.拉张型地裂缝为永久性地裂缝，不具有自我愈合性，对山坡稳定性、植被生长的扰动强度大，是地裂缝治理的重点，需要人工干预治理；拉张型地裂缝的治理遵循裂缝重构与
滑坡防治相结合的原则进行综合治理，具体包括以下步骤：
44.1)充填深部固体材料：拉张型地裂缝2的纵深深度较大，在纵向上呈楔形发育形态，至地表以下数米才会尖灭；裂缝充填遵循尽可能减少对原生环境扰动的原则，因此就地取材；将煤矸石粉体、水泥和粉煤灰湿法搅拌混合形成的固体材料3从裂缝深部开始填充，直至与地表的距离为裂缝发育宽度的2～3倍(优选3倍)处终止；
45.优选地，所述固体材料3是先将煤矸石粉碎为粒径小于20mm的粉体，再将煤矸石粉体、水泥和粉煤灰按照一定配比，加入水在搅拌机中进行湿法搅拌混合，形成固体材料3；煤矸石、水泥与粉煤灰的质量比为1:0.3～0.5:0.5～0.7；煤矸石是直接在巷道掘进中产生的，粉煤灰是煤矸石送入发电厂发电时直接产生的；
46.2)浅部覆土：待固体材料3凝固且密度不低于1.5t/m3后，从拉张型地裂缝2的两侧附近就地取土，便于浅部覆土时土体的自然融合，取土原则遵循既不破坏地表植被，又平整土地的原则；在拉张型地裂缝2中的固体材料3上方(即裂缝覆土区)将土体覆盖于固体材料3上进行浅部覆土，形成凸型结构4；凸型结构4超出裂缝发育的地表水平面；凸型结构4的上凸高度为裂缝宽度的0.2～0.4倍(优选0.2倍)，上凸宽度为裂缝宽度的1～1.5倍，上凸角度不超过30
°
；因峰丛地貌山区降雨丰沛、降雨频繁，凸型结构4可有效避免雨水积聚于裂缝附近，避免雨水入渗，影响裂缝两侧岩土体的整体稳定性。
47.3)植被恢复：在地裂缝两侧各5m范围内，沿坡面平整地表；然后在地裂缝两侧各1m范围内，沿地裂缝延伸方向分别豁一排沟51，沟深为0.10～0.15m，每排中相邻两个沟51的间距为0.2～0.4m(优选0.3m)；再在沟51中均匀撒播草籽(优选适宜本地生长的草种)，播种量为10～15kg/亩；然后覆盖3～5cm(优选3cm)的表土，顺沟浇灌水溶性肥料，最终形成草丛52；
48.在地裂缝两侧各1～5m范围内(即沟51的外侧)，沿地裂缝延伸方向分别挖一排坑61，坑深0.4～0.6m，每排中相邻两个坑61的间距为3～5m；再在坑61内种植经济类作物62如刺梨树、花椒树等，然后覆盖表土，施水溶性肥料灌溉；
49.优选地，当坑61为四方形时，坑边长为0.4～0.6m。
50.4)坡体加固：在地裂缝两侧各6～10m处(即经济类作物62的外侧)的坡体地表上，沿地裂缝延伸方向分别布置一排锚固点，每排中相邻两个锚固点的间距为5～8m；以与地表平面60～75
°
的角度且朝向地裂缝的方向从锚固点处向地下钻孔，钻孔深度为6～9m；再在钻孔中安装锚索71，注浆后与周围岩土体锚固在一起；地裂缝两侧处于同一对称位置的锚索71上通过铰接结构铰接对拉钢丝绳72，形成对拉结构来缝合地裂缝；
51.优选地，所述锚索71采用为多束分叉式锚索；
52.对于具有自我愈合性的动态张开型地裂缝，采取遵循自然、尊重生态的自我修复模式，即工作面停采后，在裂缝发育区域设置警示牌、围栏等设施，尽可能减少人工干扰、使其自然恢复；对于不具有自我愈合性的张开型地裂缝，采取覆土充填和植被恢复的人工两步法治理，具体包括以下步骤：
53.1)浅部覆土：在张开型地裂缝两侧取土区10就地取土，用铁锨将地裂缝两侧表土填充至裂缝内，使张开型地裂缝9形成凹型结构11，裂缝处于下凹区域，达到裂缝区中间低、两边高的整地效果，裂缝区的两边与中间的高差≤0.1m；裂缝两侧表土具有一定坡度，坡度为15～20
°
；
54.2)植被恢复：在凹型结构11中均匀撒播适宜本地生长的草籽，播种量为10～15kg/亩；然后覆盖3～5cm(优选3cm)的表土，顺沟浇灌水溶性肥料，最终形成草丛52；
55.台阶型地裂缝通常为永久性地裂缝，发育宽度小而落差大，极易导通地下采空区，造成工作面漏风；台阶型地裂缝治理具体包括以下步骤：
56.1)深部固体材料充填：将煤矸石粉体、水泥和粉煤灰湿法搅拌混合形成的固体材料3通过注浆软管从裂缝深部开始填充，直至与台阶型地裂缝较低的一侧平齐后终止；
57.2)削坡覆土：待固体材料3凝固且密度不低于1.5t/m3后，将地裂缝的表土进行平整：从台阶型地裂缝一侧取土区15(即台阶型地裂缝较高的一侧)取土，填充至台阶型地裂缝较低的一侧，形成台阶型地裂缝表土平整区14，进而将台阶型结构改造为斜坡型结构；斜坡型结构的斜坡角度不大于30
°
；
58.3)植被恢复：根据斜坡宽度，沿坡面用豁锨进行浅沟整地，整地深度为0.08～0.12m，沿坡面相邻两个沟51的间距为20～30cm；再向沟中均匀撒播草籽(优选适宜本地生长的草种)，播种量为10～15kg/亩；然后覆盖3～5cm(优选3cm)的表土，顺沟浇灌水溶性肥料，最终形成草丛52。
59.实施例1
60.该矿位于贵州省安顺市，井田内海拔最高点为 1705m，最低点为 1298m，相对高差为200～400m。本区属于亚热带季风湿润性气候，降水丰沛。首采工作面位于一采区，是一采区第一个工作面，采用走向长壁综采采煤法。采煤工作面走向长约950m，工作面倾向长为190m(图1所示)。开采9号煤层，平均厚度为2m，煤层埋深最大为220m，最小为104m。地表为中低山地貌，地形为复合型、坡谷交错，表土层为棕黄色或褐黄色的粘土，厚度约4m。
61.步骤1、划分地裂缝发育类型及其强烈发育区：
62.对于浅埋煤层，根据首采工作面地表沉陷范围，采用现场勘测加无人机航拍技术，取得地裂缝的地表分布，绘制地裂缝地表分布平面图(如图1所示)；再结合平面图利用测量工具在现场勘测地裂缝的发育宽度、落差、延伸长度、裂缝角度和走向等发育尺度参数和地表发育位置，经过现场勘测，共发现永久性地裂缝13条(如表1所示)。表1中地裂缝编号从工作面开切眼侧地表依次排序。
63.表1工作面回采稳定后的地裂缝发育尺度实测结果
64.序号编号发育形态宽度/m落差/m发育位置坡度/
°
1zk-1张开型0.150.0212.52zk-2张开型0.270.0820.93lz-1拉张型0.670.8949.54lz-2拉张型0.730.6254.75lz-3拉张型0.580.9746.26tj-1台阶型0.070.1812.37tj-2台阶型0.060.2223.38lz-4拉张型0.120.2726.19tj-3台阶型0.030.32610tj-4台阶型0.120.6512.311lz-5拉张型0.180.4925.4
12lz-6拉张型0.660.7524.813tj-5台阶型0.080.4217.5
65.再根据地裂缝实测参数，将地裂缝发育类型划分为拉张型地裂缝2、张开型地裂缝9和台阶型地裂缝13；其中拉张型地裂缝6条，张开型地裂缝2条，台阶型地裂缝5条。
66.根据拉张型地裂缝、张开型地裂缝和台阶型地裂缝的地表分布，划分地裂缝强烈发育区(如图2所示)；拉张型地裂缝优先发育在陡坡或者地形过渡带；张开型地裂缝优先发育在工作面地表沉陷盆地的边缘、主要集中于运输巷、回风巷、开切眼、停采线附近；台阶型地裂缝优先发育在缓坡。
67.步骤2、针对不同的地裂缝类型采用不同治理方法：
68.①
张拉型地裂缝：深部固体材料充填、浅部覆土、植被恢复、坡体加固。
69.②
张开型地裂缝：浅部覆土、植被恢复。
70.③
台阶型地裂缝：深部固体材料充填、削坡覆土、植被恢复。
71.本发明未述及之处适用于现有技术。