一种薄砂层覆盖区真空预压修复采煤破坏的隔水土层方法与流程

1.本发明涉及采矿工程领域，具体涉及一种薄砂层覆盖区真空预压修复采煤破坏的隔水土层方法。


背景技术：

2.我国西北地区生态环境脆弱，但煤炭储量丰富且埋藏较浅，特别是薄砂层区中珍贵的生态潜水在煤炭开采破坏下伏隔水土层后，大量流失使得生态退化。因此，对采煤破坏的隔水土层的修复研究现实意义重大。目前对采煤隔水土层的修复主要有通过采煤技术控制和土层矿物吸水弥合，另外有采用注浆的手段进行修复，但现有技术存在以下问题：
3.1)土层的自我弥合时间较长，这对于生态恢复效率降低。
4.2)由于西北地区煤层埋藏浅，隔水土层与采空区连通密切，注浆会有大量的漏浆现象，施工难度大且费用较高。
5.3)真空预压技术对土体的处理目前主要是通过固结提高土层强度，对于采煤裂隙土层的裂隙愈合的修复没有相关技术。


技术实现要素：

6.(一)解决的技术问题
7.本发明的目的在于解决背景技术的问题，而提出一种薄砂层覆盖区真空预压修复采煤破坏的隔水土层方法。
8.(二)技术方案
9.一种薄砂层覆盖区真空预压修复采煤破坏的隔水土层方法，包括以下步骤：
10.步骤一，煤炭开采后对修复区划分；
11.步骤二，布置并实施排水板；
12.步骤三，获取修复区的土层参数；
13.步骤四，土层中埋设传感器组；
14.步骤五，修复区密封；
15.步骤六，计算裂隙闭合的沉降量；
16.步骤七，开始真空预压并监测总沉降；
17.步骤八，部分抽出的水混合固化材料注入土层；
18.步骤九，监测土层种含水率；
19.步骤十，达到结束标准结束真空预压；
20.步骤十一，撤回装置并封填排水板产生的空间；
21.步骤十二，循环完成所有分区的修复；
22.步骤十二，隔水土层修复完成。
23.其中，
24.步骤一中，煤炭开采后对修复区进行区域划分，形成多个待修复的分区；
25.区域划分方法为相邻两条主要地表裂缝的中点为分界线划分，主要地裂缝是指地表裂缝深度大于1m的裂缝；
26.步骤二中，在分区内布置并实施排水板，实施排水板实施过程中揭露到隐伏裂隙时，外移1～2m，直到未揭露到隐伏裂缝为止；
27.相邻排水板之间间距在1～5m；
28.步骤三中，在分区内获取黄土有关参数；
29.钻探得到采煤后土层厚度h，并取样测试土层初期含水率b，对比采煤前后钻孔柱状图得到土层碎胀系数a；并获取黄土样品；
30.步骤四中，在分区内土层中埋设含水率传感器组，每组传感器3个以上，在垂向上均匀分布，在平面上距离排水板0.5～2.5m；
31.步骤五中，在分区内地表或地下一定深度采用聚乙烯材料密封，除留设公知的真空泵接口外，还在密封材料上预留注水接口；
32.注水接口数量与排水板相同，并一一对应，对应的注水接口和排水板距离小于2m；
33.地表或地下水一定深度是指当砂层厚度小于5m则直接在地面密封，若大于5m则开挖保留5m以内的砂层上密封。
34.步骤六中，计算分区内土层裂隙闭合产生的沉降量s1，s1＝(a-1)
×
h；
35.步骤七中，通过真空泵抽真空开始对分区内土层加压，同时监测区内的沉降量s2；
36.区内沉降量的监测至少为3个点，取平均值为s2。
37.步骤八中，在分区内开始真空加压，抽出的土层中的水，并通过步骤五预留的注水接口再次注入20％～60％，并在抽出的水中添加固化材料，材料为巨大芽孢杆菌和营养液，营养液为氯化钙和尿素；
38.其中，菌液和营养液的质量比为1:1～1:2，氯化钙和尿素的质量比为1:1。
39.步骤九中，通过步骤四埋设的含水率传感器对土层含水率进行监测，监测频率在1次每半小时～1次每4小时，使得最终土层含水率c。
40.步骤十中，分区内真空预压到达结束标准结束真空预压；
41.真空预压结束的标准是：s2＝95％～105％(s1 s3)，其中s3为土层固结产生的沉降，依据初期含水率b、最终土层含水率c和固结时间，利用步骤三获取的黄土有在室内仿真实验在上覆压力下模拟获取，其中上覆压力通过钻孔柱状图揭露地层和密度计算获取。
42.步骤十一中，撤出分区内真空预压的装置并对步骤二排水板产生的空间，采用水泥黏土浆回填密封。
43.步骤十二中，在步骤一划分的每一个区内，循环步骤二到步骤十一，直到采煤破坏的隔水土层得到修复。
44.步骤十三中，隔水土层修复后，通过大气降水和地下水补给生态潜水逐步恢复后，在地表完善生态系统，实现保水采煤。
45.(三)有益效果
46.本发明公开了一种薄砂层覆盖区真空预压修复采煤破坏的隔水土层方法，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1)简单易实施；2)费用较低；3)修复效果好；4)修复时间相对自我弥合有缩短。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，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，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1为本发明的流程图。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
50.请参阅图1，本发明应用于我国西北某煤矿，该矿地表砂层有4m～6m厚的薄砂层，砂层中有珍贵的生态潜水，但煤炭开采后生态潜水消失，生态发生了退化。为恢复生态潜水，对砂层下伏的被采煤破坏的隔水土层进行修复，过程如下：
51.步骤一：煤炭开采后对修复区进行区域划分。区域划分方法为相邻两条主要地表裂缝的中点为分界线划分。所述主要地裂缝是指地表裂缝深度大于1m的裂缝。一个采煤工作面共划分出14个分区，各分区大致垂直于工作面的开采方向，沿着工作面走向延伸。
52.步骤二：在分区内布置并实施排水板，实施排水板实施过程中揭露到隐伏裂隙时，外移1～2m，直到未揭露到隐伏裂缝为止。相邻排水板之间间距在1～5m。
53.步骤三：在区内获取黄土有关参数。钻探得到采煤后土层厚度h＝40米，并取样测试土层初期含水率b＝65％，对比采煤前后钻孔柱状图得到土层碎胀系数a＝1.01。
54.步骤四：在分区内土层中埋设含水率传感器组，每组传感器3个以上，在垂向上均匀分布，在平面上距离排水板0.5～2.5m。
55.步骤五：采用工程机械开挖至砂层保留3m，在分区内地表采用聚乙烯材料密封，除留设公知的真空泵接口外，还在密封材料上预留注水接口。注水接口数量与排水板相同，并一一对应，对应的注水接口和排水板距离小于2m。
56.步骤六：计算分区内土层裂隙闭合产生的沉降量s1。s1＝(a-1)
×
h＝0.4米。
57.步骤七：通过真空泵抽真空开始对土层加压，同时监测分区内的沉降量s2。区内沉降量的监测至少为3个点，取平均值为s2。
58.步骤八：在分区内开始真空加压，抽出的土层中的水，并通过步骤五预留的注水接口再次注入20％～60％，并在抽出的水中添加固化材料，材料为巨大芽孢杆菌和营养液，营养液为氯化钙和尿素。其中，菌液和营养液的质量比为1:1～1:2，氯化钙和尿素的质量比为1:1。
59.步骤九：通过步骤四埋设的含水率传感器对分区内土层含水率进行监测，监测频率在1次每半小时～1次每4小时，使得最终土层含水率c＝41％。
60.步骤十：分区内真空预压到达结束标准结束真空预压。所述分区内真空预压结束的标准是：s2＝95％～105％(s1 s3)，其中s3为土层固结产生的沉降，依据初期含水率b＝65％、最终土层含水率c＝41％和固结时间，利用步骤三获取的黄土有在室内仿真实验在上
覆压力下模拟获取，其中上覆压力通过钻孔柱状图揭露地层和密度计算获取。经计算s3为0.4米。则s2控制在0.76～0.84米时结束。
61.步骤十一：撤出分区内真空预压的装置并对步骤二排水板产生的空间，采用水泥黏土浆回填密封。
62.步骤十二：在步骤一划分的每一个分区内，循环步骤二到步骤十一，直到采煤破坏的隔水土层得到修复。
63.步骤十三：隔水土层修复后，通过大气降水和地下水补给生态潜水逐步恢复后，在地表完善生态系统，实现保水采煤。
64.本专利是在薄砂层区开展的，因为在有限砂层覆盖区，真空预压的修复深度更大。真空预压技术一般应用到地层排水固结加固方面，本次则是采用真空预压技术使得裂隙在固结力作用下趋于愈合。同时通过地表注入的水和固化材料，由于裂隙导水作用会进一步使得裂隙弥合和固化。相比较传统的真空预压技术，本次在分区上回避大型裂隙，防止抽真空时无法抽取更多的地下水。在结束标准上，由于本次沉降由两种沉降构成，一种是土层裂隙闭合，另一种是土层固结压缩，因此为达到土层闭合的目的，排除室内仿真实验获取固结压缩量后，总的沉降量控制就有了标准。
65.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
66.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。