超高水材料地裂縫充填治理技術(shù)

劉 輝，雷少剛，鄧喀中，于 洋，王業(yè)顯

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221008;3.河北工程大學(xué) 資源學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

超高水材料地裂縫充填治理技術(shù)

劉 輝1,2,3，雷少剛1,2，鄧喀中1,2，于 洋1,2，王業(yè)顯1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221008;3.河北工程大學(xué) 資源學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

為了進(jìn)行西部采煤沉陷區(qū)地表生態(tài)恢復(fù)治理，針對(duì)采動(dòng)引起的地表永久性地裂縫的治理，在進(jìn)行超高水材料物理力學(xué)性能測(cè)試的基礎(chǔ)上，研制了野外超高水材料地裂縫充填工藝及充填系統(tǒng)，提出了“深部充填—表層覆土—植被綠化”的地裂縫治理3步法，并以神東礦區(qū)大柳塔煤礦12203～12205工作面老采空區(qū)生態(tài)治理示范基地為試驗(yàn)區(qū)，進(jìn)行了超高水材料地裂縫治理試驗(yàn)，通過與常規(guī)沙土充填方法對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)采用水體積為94%的超高水材料進(jìn)行地裂縫深部充填后，地表下沉量大大減小，且地表保水性能大大提高，植被長(zhǎng)勢(shì)良好。

超高水材料；地裂縫；塌陷區(qū)治理；西部礦區(qū)；生態(tài)建設(shè)

近年來，隨著煤炭資源的大力開采，東部礦產(chǎn)資源日漸衰竭，煤炭西進(jìn)戰(zhàn)略已成現(xiàn)實(shí)，有關(guān)部門和專家預(yù)測(cè)到“十二五”末，西部六省區(qū)年產(chǎn)量將達(dá)30億t，占全國煤炭總產(chǎn)量的75%[1]。作為主要產(chǎn)煤基地的西部礦區(qū)普遍具有埋藏淺、儲(chǔ)量大、地形破碎、生態(tài)脆弱等特點(diǎn)[2-3]，由此造成的土地沉陷面積將達(dá)418km2[4]，采動(dòng)地裂縫作為西部礦區(qū)典型的一種次生災(zāi)害，越來越受到人們的重視。

采動(dòng)地裂縫分為采動(dòng)中的臨時(shí)性裂縫和穩(wěn)沉后的永久性裂縫兩種[5]。采動(dòng)過程中的臨時(shí)性裂縫，一般發(fā)生在工作面的正上方，如圖1(a)所示。隨著工作面的推進(jìn)同時(shí)發(fā)育，當(dāng)工作面推過裂縫后，大部分裂縫將逐步閉合，其對(duì)礦井安全生產(chǎn)的威脅較大，尤其是當(dāng)裂縫與采空區(qū)貫通時(shí)，容易發(fā)生漏風(fēng)、潰水、潰沙等安全事故，為保證安全生產(chǎn)，一般采取隨時(shí)監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)掩埋等措施；相比之下，穩(wěn)沉后的永久性裂縫一般發(fā)生在工作面的開切眼、終采線附近，其特點(diǎn)為寬度大、發(fā)育深、難以自愈，如圖1(b)所示。對(duì)地表生態(tài)的影響更大，水土流失、植被退化等問題更為明顯。

圖1 采動(dòng)地裂縫Fig.1 Mining fissures

多年來，人們?cè)诜e極進(jìn)行塌陷區(qū)生態(tài)恢復(fù)治理的同時(shí)，一直在研究地裂縫的治理方法[6-8]，近年來采用最多的為沙土灌入法。由于在工作面兩側(cè)形成的永久性裂縫垂直深度較大、水平分布極不規(guī)則，一般的沙土材料很難充填密實(shí)，往往會(huì)有殘留空洞，水土保持難度較大，安全隱患仍然存在。針對(duì)上述問題，筆者在進(jìn)行超高水材料性能測(cè)試的基礎(chǔ)上，研制了適合野外作業(yè)的超高水材料地裂縫充填系統(tǒng)，提出了采用超高水材料進(jìn)行深部充填裂縫，地表覆土，植被綠化的地裂縫治理“3步法”，并以神東礦區(qū)大柳塔煤礦12203～12205工作面生態(tài)治理基地為試驗(yàn)區(qū)域，進(jìn)行了超高水材料地裂縫充填治理試驗(yàn)，分析了地裂縫治理效果，為西部礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理提供了技術(shù)參考。

1 超高水材料簡(jiǎn)介

1.1 超高水材料的組成

超高水材料是由中國礦業(yè)大學(xué)研制的一種新型綠色環(huán)保的充填材料[9]，最早用于井下采空區(qū)充填，以控制地表沉陷，由于其具有凝結(jié)速度可控、可塑性強(qiáng)、強(qiáng)度高、易于泵送等優(yōu)點(diǎn)，已在多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了工程實(shí)踐，在有效控制地表變形的同時(shí)，成功解放了大量“三下”滯留的煤炭資源[10-14]。

超高水材料由A，B兩種材料組成，其中，A料主要成分為鋁土礦、石膏等獨(dú)立煉制成主料，并輔以復(fù)合超緩凝分散劑(又稱AA料)構(gòu)成；B料主要成分為石膏、石灰混磨成主料，并配合復(fù)合速凝劑(又稱BB料)構(gòu)成[15]。二者以1∶1比例混合使用，其水的體積達(dá)90%以上，最高可達(dá)97%[16]。

1.2 超高水材料基本性能測(cè)試

為了研制出適合野外作業(yè)的超高水材料地裂縫充填系統(tǒng)，分別對(duì)水的體積比為93%，94%，95%，96%的4種超高水材料進(jìn)行了基本性能測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)材料取自徐州萬方礦山科技有限公司，產(chǎn)地為河北邯鄲，型號(hào)為DF-PACK，用水為自來水，4種材料按照質(zhì)量比 A∶B∶AA∶BB為100∶100∶10∶4的配比使用，樣本為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標(biāo)準(zhǔn)正方體，為了模擬充填地裂縫后形成的超高水材料固結(jié)體的實(shí)際效果，將試塊放置于200mm×200mm×200mm的正方體玻璃密封盒內(nèi)，四周用黃土充實(shí)后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。考慮到野外充填地裂縫使用，不同季節(jié)條件下氣溫的變化，分別測(cè)試了水體積為93%，94%，95%，96%的4種不同水體積的超高水材料固結(jié)體不同齡期的抗壓強(qiáng)度、體積應(yīng)變，以及不同水溫條件下的混合漿液凝結(jié)時(shí)間，分別如圖2，3所示。

圖2 超高水材料固結(jié)體不同齡期的抗壓強(qiáng)度和體積應(yīng)變曲線Fig.2 Compressive strength and volumetric strain curves of super-high-water material induration with time

圖3 不同水溫條件下超高水材料凝結(jié)時(shí)間Fig.3 Setting times of super-high-water material in different temperature

從圖2(a)可以看出，在相對(duì)密封的養(yǎng)護(hù)條件下，隨著水體積的增大，超高水材料的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，但最終強(qiáng)度均在1MPa以上，最大強(qiáng)度可達(dá)3.54MPa，足以滿足充填地表裂縫的需要；從圖2(b)可以看出，不同水體積的超高水材料體積應(yīng)變均較小，最終最大應(yīng)變僅為26×10-4，因此，可認(rèn)為該材料基本不可壓縮；從圖3可以看出，溫度對(duì)超高水材料的凝結(jié)時(shí)間影響較大，溫度越低，凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，在接近0°的水溫條件下，僅93%的超高水材料能夠凝結(jié)，時(shí)間為32min，隨著溫度的升高，尤其是超過20°以后，該材料凝結(jié)速度迅速提高，最短時(shí)間僅為4min。

2 超高水材料地裂縫充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 充填工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

不同于井下采空區(qū)充填系統(tǒng)及工藝，超高水材料地裂縫充填系統(tǒng)一般在野外作業(yè)，要求操作方便、可移動(dòng)性強(qiáng)，筆者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，充分借鑒井下充填工藝及系統(tǒng)，進(jìn)行了充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以適合野外作業(yè)。

整個(gè)系統(tǒng)包括移動(dòng)式充填車、動(dòng)力系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、輸送管路5部分組成，如圖4所示。

為方便野外作業(yè)，將整個(gè)系統(tǒng)安置在一臺(tái)小型卡車上，動(dòng)力系統(tǒng)采用柴油機(jī)動(dòng)力，空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)；生產(chǎn)系統(tǒng)包含4個(gè)氣動(dòng)攪拌機(jī)，分別生產(chǎn)出A，B兩種單體漿液并進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁蛔{系統(tǒng)使用氣動(dòng)注漿泵分別抽取兩種漿液，經(jīng)混合器將漿液充分混合后，由輸送管路將超高水材料輸送至地裂縫內(nèi)。使用時(shí)，4個(gè)氣動(dòng)攪拌機(jī)分為2組，輪流使用，保證生產(chǎn)過程不間斷。

2.2 設(shè)備選型

為方便野外操作使用，該系統(tǒng)所選用的主要設(shè)備見表1。

表1超高水材料充填系統(tǒng)主要設(shè)備
Table1Mainequipmentsofsuper-high-watermaterialfillingsystem

設(shè)備型號(hào)性能指標(biāo)個(gè)數(shù)柴油機(jī)ZS11516 20kW1空壓機(jī)W-3 0/53 0m3/min1注漿泵2BQ150/6150L/min1攪拌機(jī)QB-300300L4輸送管19-2-40MPa?19mm3

2.3 技術(shù)參數(shù)

由于西部礦區(qū)地形起伏較大，限于交通、地形等條件限制[17-18]，需將充填系統(tǒng)安置在適當(dāng)?shù)膮^(qū)域，根據(jù)超高水材料基本性能指標(biāo)，對(duì)采用不同水體積的超高水材料地裂縫充填系統(tǒng)在不同溫度條件下的輸送距離進(jìn)行了設(shè)計(jì)。由表1中數(shù)據(jù)可知，輸送管的內(nèi)徑為19mm，注漿泵每分鐘注漿量為150L，由此可計(jì)算出每分鐘可輸送距離為529m；由圖3中超高水材料的凝結(jié)時(shí)間，可計(jì)算出不同水體積的混合漿液在不同溫度條件下的最大輸送距離，見表2。

表2不同水體積混合漿液的最大輸送距離
Table2Maximumtransportingdistancesofmixinggroutwithdifferentpercentageofwater

水體積/%最大輸送距離/km0°10°20°30°40°9316 915 35 33 22 19416 45 83 22 19519 04 83 72 19620 16 33 72 1

從表2可以看出，溫度越低，可輸送距離越大，最大輸送距離可達(dá)20.1km，隨著溫度的升高，由于混合漿液的凝結(jié)時(shí)間逐漸縮短，可輸送距離逐漸減小，當(dāng)溫度達(dá)40°時(shí)，最大可輸送距離僅為2.1km；該數(shù)據(jù)為不同季節(jié)下的外業(yè)作業(yè)提供了技術(shù)依據(jù)。

3 超高水材料地裂縫充填治理技術(shù)

地裂縫的常規(guī)治理方法有：沙土充填、矸石充填、漿體充填等方法，普通充填方法工藝復(fù)雜、效率低、充填不實(shí)、成本較高[19]，超高水材料早期為流體，便于通過管路直接將混合漿液輸送至裂縫，充填至裂縫底部。筆者將超高水材料引入到地裂縫充填中，并提出了“深部充填—表層覆土—植被綠化”的地裂縫治理3步法，如圖5所示。

圖5 超高水材料地裂縫充填治理“3步法”Fig.5 Three-step method of ground fissure treatment and filled with super-high-water material

3.1 深部充填

采用超高水材料地裂縫充填系統(tǒng)，生產(chǎn)出水體積大于90%的超高水材料，通過輸送管路將混合漿液輸送至裂縫內(nèi)部，充填至距地表約0.5m處。具體的操作方法及技術(shù)措施如下：

(1)充填系統(tǒng)安置在地裂縫充填區(qū)域適宜位置，啟動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，水車供水，分別將超高水原材料的A料和AA料、B料和BB料投放入2個(gè)攪拌桶，材料的質(zhì)量比為A∶B∶AA∶BB為100∶100∶10∶4，材料與水的體積比在90%～97%之間可控。

(2)為保證單體漿液充分混合且不凝固，采用攪拌機(jī)將各單體漿液充分?jǐn)嚢?，攪拌時(shí)間控制在3～5min為宜。

(3)啟動(dòng)注漿泵，同時(shí)吸取兩種單體漿液，通過混合器充分混合形成超高水材料充填漿液，經(jīng)輸送管路向地裂縫內(nèi)部注入，考慮到覆土綠化所用的草灌木植被的根系發(fā)育以及正常生長(zhǎng)需要，充填至距離地表的距離以不小于0.5m為宜。

(4)為保證充填過程連續(xù)不間斷，可采用兩組攪拌桶通過切換閥門輪流使用。

3.2 表層覆土

待超高水材料混合漿液充分凝固后，在裂縫內(nèi)的固結(jié)體上覆土，并夯實(shí)，在覆土的上表面構(gòu)建弧形裂縫槽，具體的操作方法及技術(shù)措施如下：

(1)根據(jù)植被生長(zhǎng)適宜性原則，就近選取當(dāng)?shù)販\層黃土，分層填入裂縫內(nèi)部固結(jié)體上。

(2)為保證土壤的緊實(shí)度，每填入0.2m的黃土夯實(shí)一次，夯實(shí)土體的干密度不低于約1.3 t/m3。

(3)為提高保水性能以及減少水土流失，根據(jù)地裂縫走向與地形的關(guān)系，選取平行于地形等高線的裂縫構(gòu)建裂縫槽，以形成魚鱗溝，深度以0.1～0.2m為宜；垂直于等高線的裂縫可不構(gòu)建，直接進(jìn)行植被綠化。

3.3 植被綠化

為提高生態(tài)修復(fù)效果，在裂縫槽內(nèi)進(jìn)行植被建設(shè)，根據(jù)治理區(qū)生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)及現(xiàn)狀，可選取抗旱性能較強(qiáng)的草灌木，采用生態(tài)草毯技術(shù)或種植低矮的灌木類植物。

(1)生態(tài)草毯技術(shù)。在裂縫槽內(nèi)撒播草籽，種類可參照當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)較好的草種，在裂縫槽內(nèi)鋪設(shè)由稻麥秸稈構(gòu)成的草毯基底，將草毯固定在裂縫槽邊緣位置，從而形成生態(tài)草毯，草毯的厚度約30mm。

(2)種植灌木。考慮到西部礦區(qū)氣候干燥、風(fēng)沙較大等不利因素，采用抗旱性能較強(qiáng)的低矮的灌木進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，如沙棘、酸棗等。為保證成活率，可選用保水劑法、覆膜法、礦泉水瓶埋置法等。

超高水材料地裂縫充填治理技術(shù)具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

(1)超高水材料早期為流體，其漿液狀態(tài)可完全充填至裂縫底部，充填密實(shí)，不留地下空洞，完全消除了安全隱患；其充分凝固后的固態(tài)結(jié)構(gòu)與周邊黃土密實(shí)接觸，固化前后體積應(yīng)變量微小，強(qiáng)度較大，不會(huì)在與黃土的接觸面上形成新的裂隙；同時(shí)該材料中90%以上為水，具有良好的保水性能，但易風(fēng)化[20]，表層覆土及植被綠化措施可將材料與大氣隔離。

(2)超高水材料地裂縫充填系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，操作方便，效率高，適宜野外作業(yè)，適合于西部礦區(qū)淺埋煤層開采造成的各種類型地裂縫的充填治理。

(3)覆土上方設(shè)置的弧形裂縫槽，能有效地減少地表水土流失，提高植被成活率，有效解決了西部干旱礦區(qū)地表生態(tài)修復(fù)的技術(shù)難題。

4 工程實(shí)例

4.1 工程背景

為了進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理，神東礦區(qū)于2012年8月在大柳塔煤礦大柳塔井12203～12205工作面老采空區(qū)建立了生態(tài)建設(shè)示范基地，該工作面于2003—2005年開采，平均埋深85m，采高4.7 m，地表塌陷嚴(yán)重，形成永久性地裂縫多處，主要集中在工作面開切眼及終采線附近，裂縫垂直深度大、平面分布極不規(guī)則，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，累計(jì)形成永久性地裂縫85條，累計(jì)總長(zhǎng)度3.4km。

4.2 地裂縫治理試驗(yàn)

采用超高水材料地裂縫充填系統(tǒng)于2013-05-04—07進(jìn)行了地裂縫治理試驗(yàn)，采用水體積為94%的超高水材料。累計(jì)使用原材料32.1t，其中，A料15t，B料15t，AA料1.5t，BB料0.6 t。治理裂縫14條，治理面積0.15km2。充填系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際效果如圖6所示。

圖6 超高水材料地裂縫充填治理Fig.6 Ground fissure treatment and filling with super-high-water material

4.3 治理效果監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

為監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)治理效果，選取10條治理后的地裂縫(其中，超高水材料充填5條，流沙充填3條，黃土充填2條)，對(duì)裂縫槽及其植被進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)植被成活率，并設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)10個(gè)，采用四等水準(zhǔn)測(cè)量對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降觀測(cè)，時(shí)間間隔為60d，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表3。

表3不同充填方法地裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果
Table3Monitoringresultofgroundfissurefilledwithdifferentmaterials

編號(hào)充填材料充填方量/m3下沉量/mm植被成活率/%1超高水161412952超高水61221853超高水42314904流沙34107605流沙12塌陷6黃土10212757黃土32塌陷8超高水30031809超高水150249010流沙4212865

從表3中可以看出：

(1)采用超高水材料充填，用量較多，基本充填至裂縫深部，充填密實(shí)，而常規(guī)沙土充填難以實(shí)現(xiàn)。

(2)超高水材料固結(jié)后，地表較穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均下沉量?jī)H為20mm，常規(guī)沙土充填后，由于地下空洞仍然存在，地表下沉量較大，平均下沉量為149mm，且有兩處發(fā)生二次塌陷，超高水材料充填比常規(guī)沙土充填下沉量減小86.6%。

(3)由于超高水材料充填密實(shí)，地表穩(wěn)定，保水效果較好，植被成活率較高，平均為88.0%，而沙土充填保水效果較差，植被成活率較低，平均為66.7%。

5 結(jié) 論

(1)西部礦區(qū)淺埋煤層開采容易引起地表塌陷及地裂縫，開采過程中的臨時(shí)性裂縫一般具有自愈功能，穩(wěn)沉后容易在采空區(qū)邊界形成永久性地裂縫，其垂直發(fā)育較深、寬度大，對(duì)地表生態(tài)影響較大。

(2)超高水材料具有流動(dòng)性好、強(qiáng)度較大、凝結(jié)速度快、綠色環(huán)保等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，用于野外地裂縫充填可操作性強(qiáng)。

(3)研制了超高水材料地裂縫充填系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、方便實(shí)用、自動(dòng)化程度高、充填密實(shí)等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

(4)提出了采用超高水材料進(jìn)行“深部充填—表層覆土—植被綠化”的地裂縫治理3步法，為西部礦區(qū)生態(tài)建設(shè)及治理提供了理論依據(jù)及技術(shù)參考。

本文在設(shè)備選型及超高水材料使用過程中得到了中國礦業(yè)大學(xué)馮光明教授的熱情指導(dǎo)和幫助，在此致以衷心的感謝！

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Researchongroundfissuretreatmentfillingwithsuper-high-watermaterial

LIU Hui1,2,3，LEI Shao-gang1,2，DENG Ka-zhong1,2，YU Yang1,2，WANG Ye-xian1,2

(1.JiangsuKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentalInformationEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221008,China;2.NASGKeyLaboratoryofLandEnvironmentandDisasterMonitoring,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221008,China;3.SchoolofResourceScience,HebeiUniversityofEngineering,Handan056038,China)

The process and system of filling with super-high-water materials was developed,and the three-step method of “deep filling-surface soiling-vegetation planting” was put forward.It is important for surface ecological recovery treatment of mining subsidence area in western China to control the ground fissure caused by underground mining.The experiment was performed in the subsidence area of the old goaf of 12303-12305working face in Daliuta Coal Mine in Shendong,and the results show that the surface subsidence of filling with 94% water volume of super-high-water material decreases by 50%,comparing with sand and soil filling.At the same time,the ground water retention property is improved greatly,which is also beneficial to the vegetation growth.

super-high-water materal;ground fissure;subsidence area governance;western mining area;ecological construction

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1296

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAC10B03)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272389)；江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(JS201305)

劉 輝(1982—)，男，山東肥城人，講師，博士研究生。Tel：0310-8579517，E-mail：lhui99@aliyun.com。通訊作者：鄧喀中(1957—)，男，四川資中人，教授，博士生導(dǎo)師，博士。E-mail:kzdeng@cumt.edu.cn

X14

A

0253-9993(2014)01-0072-06

劉 輝，雷少剛，鄧喀中,等.超高水材料地裂縫充填治理技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(1):72-77.

Liu Hui，Lei Shaogang，Deng Kazhong，et al.Research on ground fissure treatment filling with super-high-water material[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):72-77.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1296