淺埋巨厚煤層綜放開採塌陷坑區水害防治方法

2023-11-08 09:55:42

專利名稱：淺埋巨厚煤層綜放開採塌陷坑區水害防治方法
技術領域：
本發明涉及煤礦安全治理技術領域，特別涉及一種淺埋巨厚煤層綜放開採塌陷坑區水害防治方法。
背景技術：
地下開採的煤礦往往導致地表大面積的塌陷，據統計我國煤炭開採塌陷土地累計已達110X104 hm2，造成的經濟損失累計已超過500億元。如果按採煤塌陷土地以O. 2-0. 3hm2 /IO4 t估算，全國每年新增塌陷地面積約為(2. 7-4. I) X IO4 hm2。開採沉陷不僅會導致土壤退化嚴重，土地無法耕種，同時煤層長期大面積開採，導致採空區面積不斷擴大，採空區導水裂隙帶和地面塌陷範圍隨之擴大，使地表水與地下水、礦坑水發生了直接聯繫，造成沙川徑流大量滲漏、徑流量明顯減少，而部分開採沉陷過程與煤礦開採掘進過程同時發生，一旦出現貫通裂隙則可能導致地表水或地下水倒灌，進入工作面造成井下突水事故的·發生。80年代末至90年代以來，礦區塌陷地治理的理論研究處於高潮時期。最近幾年國內外該研究領域較前異常活躍，然而目前國內外開採沉陷治理的研究目標主要定位於生態修復、農田恢復等方向，針對礦區水害防治的沉陷治理研究相對較少。特別是對於淺埋巨厚煤層，因其埋深相對較淺、煤層較厚，具有開採難度小、產量大等優點，是煤礦開採的優選，但是此類煤層的開採也更加容易引起開採沉陷並形成貫通性裂隙，由此產生的地表水入滲的礦井水害風險較大，而針對此類礦井塌陷區的水害仍舊缺乏一種特別合理和優化的防治方法，因此研究此類礦井塌陷區的水害防治具有重要的實用和理論意義。

發明內容
本發明是為了解決對於淺埋巨厚煤層開採塌陷區的水害防治，仍舊缺乏一種特別合理和優化的防治方法的問題，而提供一種淺埋巨厚煤層綜放開採塌陷坑區水害防治方法。本發明是通過以下技術方案實現的
一種淺埋巨厚煤層綜放開採塌陷坑區水害防治方法，包括如下步驟
I)對塌陷坑區內的淺度、中度和深度裂隙分別進行夯填處理，其中，淺度和中度裂隙的夯填方法為首先將淺度和中度裂隙的上部拓挖成深I. 5m、寬O. 5m的溝槽，然後用三七灰土進行人工夯填，每填加最多O. 2m厚的三七灰土 (石灰和土按體積比3:7混合，俗稱三七灰土)就夯實一次，直至填加夯實的三七灰土厚度達到O. 5m、密實度不小於93%，三七灰土填加夯實完畢後接著進行黃土回填，黃土層回填高度至少高出塌陷坑底表面O. 2m，最後進行夯實找平；深度裂隙的夯填方法為首先將深度裂隙的上部拓挖成深2m、寬Im的溝槽，然後用麻袋土充填裂隙(麻袋土 將黃土裝填在麻袋中並封口 ；裂隙內填充麻袋土，可以有效防止三七灰土夯填時的下漏)，接著再用三七灰土進行人工夯填，每填加最多O. 2m厚的三七灰土就夯實一次，直至填加夯實的三七灰土厚度達到lm、密實度不小於93%，三七灰土填加夯實完畢後接著進行黃土回填，黃土層回填高度至少高出塌陷坑底表面O. 3m，最後進行夯實找平;
2)將塌陷坑區的坑邊修理壓實成坡度為3:1的邊坡，將坑底面填土壓實成坡面狀且坡面上匯聚形成有一個坡面最低點，坡面最低點位於坑底面與邊坡的相交處，邊坡上對應坡面最低點的位置挖設有一條一端與坡面最低點相接、另一端延伸至塌陷坑區外且坡度為5-6°的排水渠，當坑底面有積水時，積水可以沿坑底坡面匯集於坡面最低點，然後再通過排水渠排至塌陷坑區外；經處理後的塌陷坑區的底面和邊坡的平整度為±2cm/m2，底面和邊坡垂直深度2. 5cm內的土層中不含有粒徑大於5_的尖銳物料，底面土層密實度不小於93%、邊坡土層密實度不小於90% ；
3)選用6m寬幅、I.5 mm厚的HDPE膜作為防滲層，分別鋪設於塌陷坑區的坑底和邊坡上，其中，坑底面選用光面的HDPE膜進行鋪設並將整個坑底面鋪滿，邊坡面選用糙面的HDPE膜進行鋪設並將整個邊坡面鋪滿；邊坡面在進行HDPE膜鋪設時，對位於邊坡面坡口處 的HDPE膜採用錨固溝法進行錨固，即在邊坡面上端距坡口 Im處開挖寬、深各O. Im的矩形溝槽，然後將HDPE膜沿矩形溝槽底部、側壁和邊緣鋪設，然後向矩形溝槽內回填黃土並夯實；
4)在塌陷坑區坑底和邊坡的HDPE膜上鋪設天然卵石導流層，天然卵石導流層按上細下粗分兩層進行鋪設，其中，上層為厚200mm、粒徑為8 16mm的細層天然卵石導流層，下層為厚200_、粒徑為16 32_的粗層天然卵石導流層；在塌陷坑區坑底天然卵石導流層內鋪設有一根直徑為315mm、傾斜坡度為5%的HDPE穿孔管(HDPE穿孔管為現有技術，即HDPE管的管壁上開設有若干通孔)，HDPE穿孔管的一端埠位於坑底中心處、另一端埠位於排水渠內；
5)在塌陷坑區坑底天然卵石導流層上進行黃土回填，回填黃土的高度為3m，並在回填黃土層上種植草本類植被；
6)在井下工作面的兩個巷道中，距停採線5m的位置分別各建有一座防水閘門。本發明中的各參數是通過理論分析計算和數值模擬優選出的。塌陷坑區內的裂隙一般分為淺度、中度和深度裂隙，淺度裂隙是指深度小於2. 5m的裂隙，中度裂隙是指深度大於2. 5m、小於5m的裂隙，深度裂隙是指深度大於5m的裂隙。裂隙群採用三七灰土充填壓實-黃土回填的方法進行治理，可防止地表水入滲地下工作面。一般，坡度的表示方法有百分比法、度數法、分數法等；其中，百分比法即兩點的高程差與其水平距離的百分比，其計算公式如下坡度=(高程差/水平距離)χ100% ;度數法用度數來表示坡度，利用反三角函數計算而得，其公式如下tana (坡度)=高程差/水平距離，即可求出坡度α ;分數法坡面的垂直高度h和水平距離I的比i，即i=h/l。本發明方法中均涉及到了這三種坡度表示方法。HDPE膜也被稱為高密度聚乙烯膜、HDPE 土工膜、HDPE防滲膜，它是由高分子聚乙烯通過吹塑或平擠製成的具有很強耐久性的防滲材料，可以作為水、氣的隔離層，其滲透係數可達10_12 10-13cm/s，通常採用I 2mm厚的高密度聚乙烯作為襯層材料。本發明選用高密度聚乙烯膜單層襯裡防滲系統對塌陷坑區進行防滲處理。綜合考慮地面沉降進一步發育引起的防滲膜的拉伸變形、抗機械損傷能力及塌陷坑區的實際特點，本發明方法中選擇1. 5mm厚的HDPE膜。
HDPE膜按規格幅寬一般為3m、3. 5m、4m、6m、7m,由於塌陷坑區鋪設面積較大,考慮減少焊縫(可以降低滲漏現象)和施工周期，本發明方法選用了求幅寬為6m的HDPE膜。由於坑底底面地勢平坦且坑底底面坡度較小，坑底HDPE膜發生滑動的可能性較小，故坑底底面可選擇光面的HDPE膜進行鋪設。對於邊坡面，則需要考慮到不同材料之間的相對滑動對防滲系統造成的破壞，從安全性的角度出發，本發明方法在邊坡面上採用糙面HDPE膜進行鋪設。當塌陷坑區內有積水時，一部分積水可以被天然卵石導流層上的黃土層及黃土層上的草本植被吸收；滲過黃土層的積水可沿著具有坡度的卵石導流層匯集到塌陷坑區坑底的坡面最低點，然後經開設在邊坡上的排水渠排至塌陷坑區外；滲入卵石導流層的積水還可以從HDPE穿孔管管壁上的通孔進入到HDPE穿孔管內，然後沿HDPE穿孔管流入排水渠並排至塌陷坑區外。為了進一步提高井下的安全性，還在井下工作面的兩個巷道中，距停採線5m的位置分別各建有一座防水閘門，使礦井與採空區隔離開來，一旦發生水患，礦井分區隔離，可以縮小災情影響範圍，控制水勢危害，確保礦井安全，同時加大井下應急排水能 力，可以進一步減少水災風險。本發明的有益效果如下採用三七灰土充填壓實-黃土回填的方法對塌陷坑區的裂隙群進行治理，防止地表水入滲地下工作面；塌陷坑區的坑底面為坡面設計，同時採用HDPE膜及天然卵石層進行防滲、導流處理，並回填覆土，種植草本類植被，在塌陷坑區東南角開設排水渠，防止一次性大量降水入滲地下工作面；在地下工作面兩巷道分別建防水閘門，使礦井與採空區隔離開來，縮小災情影響範圍，控制水勢危害，確保礦井安全。本發明防治水效果優良、參數合理，體現出了建造成本低、防治效果好、適應性強、安全性好等優點，尤其特別適用於淺埋巨厚煤層綜放開採塌陷坑區的水害防治。


圖I為本發明水害防治整體示意圖。圖2為本發明中淺度和中度裂隙夯填示意圖。圖3為本發明中深度裂隙夯填示意圖。圖4為本發明中天然卵石導流層及HDPE穿孔管截面示意圖。圖5為本發明中地下工作面兩巷道內防水閘門結構示意圖。圖中1_三七灰土、2-黃土、3-麻袋土、4- HDPE膜、5-細層天然卵石導流層、6-粗層天然卵石導流層、7-HDPE穿孔管、8-草本類植被、9-防水閘門、10-矩形溝槽。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明作進一步描述
如圖I至圖5所示，一種淺埋巨厚煤層綜放開採塌陷坑區水害防治方法，包括如下步
驟
I)對塌陷坑區內的淺度、中度和深度裂隙分別進行夯填處理，其中，淺度和中度裂隙的夯填方法為首先將淺度和中度裂隙的上部拓挖成深I. 5m、寬O. 5m的溝槽，然後用三七灰土 I進行人工夯填，每填加最多O. 2m厚的三七灰土 I就夯實一次,直至填加夯實的三七灰土 I厚度達到O. 5m、密實度不小於93%，三七灰土 I填加夯實完畢後接著進行黃土 2回填，黃土 2層回填高度至少高出塌陷坑底表面O. 2m，最後進行夯實找平；深度裂隙的夯填方法為首先將深度裂隙的上部拓挖成深2m、寬Im的溝槽，然後用麻袋土 3充填裂隙，接著再用三七灰土 I進行人工夯填，每填加最多O. 2m厚的三七灰土 I就夯實一次,直至填加夯實的三七灰土 I厚度達到lm、密實度不小於93%，三七灰土 I填加夯實完畢後接著進行黃土 2回填，黃土 2層回填高度至少高出塌陷坑底表面O. 3m，最後進行夯實找平；
2)將塌陷坑區的坑邊修理壓實成坡度為3:1的邊坡，將坑底面填土壓實成坡面狀且坡面上匯聚形成有一個坡面最低點，坡面最低點位於坑底面與邊坡的相交處，邊坡上對應坡面最低點的位置挖設有一條一端與坡面最低點相接、另一端延伸至塌陷坑區外且坡度為5-6°的排水渠，當坑底面有積水時，積水可以沿坑底坡面匯集於坡面最低點，然後再通過排水渠排至塌陷坑區外；經處理後的塌陷坑區的底面和邊坡的平整度為±2cm/m2，底面和邊坡垂直深度2. 5cm內的土層中不含有粒徑大於5_的尖銳物料，底面土層密實度不小於93%、邊坡土層密實度不小於90% ；
3)選用6m寬幅、I.5 mm厚的HDPE膜4作為防滲層，分別鋪設於塌陷坑區的坑底和邊坡上，其中，坑底面選用光面的HDPE膜4進行鋪設並將整個坑底面鋪滿，邊坡面選用糙面的HDPE膜4進行鋪設並將整個邊坡面鋪滿；邊坡面在進行HDPE膜4鋪設時，對位於邊坡面坡口處的HDPE膜4採用錨固溝法進行錨固，即在邊坡面上端距坡口 Im處開挖寬、深各O. Im的矩形溝槽10，然後將HDPE膜4沿矩形溝槽10底部、側壁和邊緣鋪設，然後向矩形溝槽10內回填黃土 2並夯實；
4)在塌陷坑區坑底和邊坡的HDPE膜4上鋪設天然卵石導流層，天然卵石導流層按上細下粗分兩層進行鋪設，其中，上層為厚200mm、粒徑為8 16mm的細層天然卵石導流層5，下層為厚200_、粒徑為16 32_的粗層天然卵石導流層6 ;在塌陷坑區坑底天然卵石導流層內鋪設有一根直徑為315mm、傾斜坡度為5%的HDPE穿孔管7，HDPE穿孔管7的一端埠位於坑底中心處、另一端埠位於排水渠內；
5)在塌陷坑區坑底天然卵石導流層上進行黃土2回填，回填黃土 2的高度為3m，並在回填黃土 2層上種植草本類植被8 ；
6)在井下工作面的兩個巷道中，距停採線5m的位置分別各建有一座防水閘門9。
權利要求
1.一種淺埋巨厚煤層綜放開採塌陷坑區水害防治方法，其特徵在於，包括如下步驟 1)對塌陷坑區內的淺度、中度和深度裂隙分別進行夯填處理，其中，淺度和中度裂隙的夯填方法為首先將淺度和中度裂隙的上部拓挖成深I. 5m、寬O. 5m的溝槽，然後用三七灰土(I)進行人工夯填，每填加最多O. 2m厚的三七灰土(I)就夯實一次,直至填加夯實的三七灰土( I)厚度達到O. 5m、密實度不小於93%，三七灰土( I)填加夯實完畢後接著進行黃土( 2)回填，黃土(2)層回填高度至少高出塌陷坑底表面O. 2m，最後進行夯實找平；深度裂隙的夯填方法為首先將深度裂隙的上部拓挖成深2m、寬Im的溝槽，然後用麻袋土(3)充填裂隙，接著再用三七灰土(I)進行人工夯填，每填加最多O. 2m厚的三七灰土(I)就夯實一次，直至填加夯實的三七灰土( I)厚度達到lm、密實度不小於93%，三七灰土( I)填加夯實完畢後接著進行黃土(2)回填，黃土(2)層回填高度至少高出塌陷坑底表面O. 3m，最後進行夯實找平; 2)將塌陷坑區的坑邊修理壓實成坡度為3:1的邊坡，將坑底面填土壓實成坡面狀且坡面上匯聚形成有一個坡面最低點，坡面最低點位於坑底面與邊坡的相交處，邊坡上對應坡面最低點的位置挖設有一條一端與坡面最低點相接、另一端延伸至塌陷坑區外且坡度為5-6°的排水渠，當坑底面有積水時，積水可以沿坑底坡面匯集於坡面最低點，然後再通過排水渠排至塌陷坑區外；經處理後的塌陷坑區的底面和邊坡的平整度為±2cm/m2，底面和邊坡垂直深度2. 5cm內的土層中不含有粒徑大於5_的尖銳物料，底面土層密實度不小於93%、邊坡土層密實度不小於90% ； 3)選用6m寬幅、I.5 mm厚的HDPE膜(4)作為防滲層，分別鋪設於塌陷坑區的坑底和邊坡上，其中，坑底面選用光面的HDPE膜(4)進行鋪設並將整個坑底面鋪滿，邊坡面選用糙面的HDPE膜(4)進行鋪設並將整個邊坡面鋪滿；邊坡面在進行HDPE膜(4)鋪設時，對位於邊坡面坡口處的HDPE膜(4)採用錨固溝法進行錨固，即在邊坡面上端距坡口 Im處開挖寬、深各O. Im的矩形溝槽(10)，然後將HDPE膜(4)沿矩形溝槽(10)底部、側壁和邊緣鋪設，然後向矩形溝槽(10)內回填黃土(2)並夯實； 4)在塌陷坑區坑底和邊坡的HDPE膜(4)上鋪設天然卵石導流層，天然卵石導流層按上細下粗分兩層進行鋪設，其中，上層為厚200mm、粒徑為8 16mm的細層天然卵石導流層(5)，下層為厚200mm、粒徑為16 32mm的粗層天然卵石導流層(6);在塌陷坑區坑底天然卵石導流層內鋪設有一根直徑為315mm、傾斜坡度為5%的HDPE穿孔管(7)，HDPE穿孔管(7)的一端埠位於坑底中心處、另一端埠位於排水渠內； 5)在塌陷坑區坑底天然卵石導流層上進行黃土(2)回填，回填黃土(2)的高度為3m，並在回填黃土(2)層上種植草本類植被(8)； 6)在井下工作面的兩個巷道中，距停採線5m的位置分別各建有一座防水閘門(9)。
全文摘要
本發明為一種淺埋巨厚煤層綜放開採塌陷坑區水害防治方法，解決了對於淺埋巨厚煤層開採塌陷區的水害防治，仍舊缺乏一種特別合理和優化的防治方法的問題。本發明採用三七灰土充填壓實-黃土回填的方法對塌陷坑區的裂隙群進行治理，防止地表水入滲地下工作面；塌陷坑區坑底面為坡面設計且採用HDPE膜及天然卵石層進行防滲、導流處理，回填覆土，種植草本類植被；在塌陷坑區邊坡開設排水渠，防止一次性大量降水入滲地下工作面；在地下工作面兩巷道分別建防水閘門，使礦井與採空區隔離開來，確保礦井安全。本發明方法具有參數合理、建造成本低、防治效果好、適應性強、安全性好等優點，特別適用於淺埋巨厚煤層綜放開採塌陷坑區的水害防治。
文檔編號E21C41/32GK102817366SQ20121028592
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月13日 優先權日2012年8月13日
發明者郭金剛, 李成生, 殷建河, 陶永文, 吳升富, 楊智文, 尹達君, 王清, 高建偉, 紀潤清, 喬寧 申請人:大同煤礦集團有限責任公司