超高水材料地裂縫充填治理技術

劉 輝，雷少剛，鄧喀中，于 洋，王業顯

(1.中國礦業大學 江蘇省資源環境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業大學 國土環境與災害監測國家測繪局重點實驗室,江蘇 徐州 221008;3.河北工程大學 資源學院，河北 邯鄲 056038)

超高水材料地裂縫充填治理技術

劉 輝1,2,3，雷少剛1,2，鄧喀中1,2，于 洋1,2，王業顯1,2

(1.中國礦業大學 江蘇省資源環境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業大學 國土環境與災害監測國家測繪局重點實驗室,江蘇 徐州 221008;3.河北工程大學 資源學院，河北 邯鄲 056038)

為了進行西部采煤沉陷區地表生態恢復治理，針對采動引起的地表永久性地裂縫的治理，在進行超高水材料物理力學性能測試的基礎上，研制了野外超高水材料地裂縫充填工藝及充填系統，提出了“深部充填—表層覆土—植被綠化”的地裂縫治理3步法，并以神東礦區大柳塔煤礦12203～12205工作面老采空區生態治理示范基地為試驗區，進行了超高水材料地裂縫治理試驗，通過與常規沙土充填方法對比分析發現，該系統采用水體積為94%的超高水材料進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，植被長勢良好。

超高水材料；地裂縫；塌陷區治理；西部礦區；生態建設

近年來，隨著煤炭資源的大力開采，東部礦產資源日漸衰竭，煤炭西進戰略已成現實，有關部門和專家預測到“十二五”末，西部六省區年產量將達30億t，占全國煤炭總產量的75%[1]。作為主要產煤基地的西部礦區普遍具有埋藏淺、儲量大、地形破碎、生態脆弱等特點[2-3]，由此造成的土地沉陷面積將達418km2[4]，采動地裂縫作為西部礦區典型的一種次生災害，越來越受到人們的重視。

采動地裂縫分為采動中的臨時性裂縫和穩沉后的永久性裂縫兩種[5]。采動過程中的臨時性裂縫，一般發生在工作面的正上方，如圖1(a)所示。隨著工作面的推進同時發育，當工作面推過裂縫后，大部分裂縫將逐步閉合，其對礦井安全生產的威脅較大，尤其是當裂縫與采空區貫通時，容易發生漏風、潰水、潰沙等安全事故，為保證安全生產，一般采取隨時監測、現場掩埋等措施；相比之下，穩沉后的永久性裂縫一般發生在工作面的開切眼、終采線附近，其特點為寬度大、發育深、難以自愈，如圖1(b)所示。對地表生態的影響更大，水土流失、植被退化等問題更為明顯。

圖1 采動地裂縫Fig.1 Mining fissures

多年來，人們在積極進行塌陷區生態恢復治理的同時，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。由于在工作面兩側形成的永久性裂縫垂直深度較大、水平分布極不規則，一般的沙土材料很難充填密實，往往會有殘留空洞，水土保持難度較大，安全隱患仍然存在。針對上述問題，筆者在進行超高水材料性能測試的基礎上，研制了適合野外作業的超高水材料地裂縫充填系統，提出了采用超高水材料進行深部充填裂縫，地表覆土，植被綠化的地裂縫治理“3步法”，并以神東礦區大柳塔煤礦12203～12205工作面生態治理基地為試驗區域，進行了超高水材料地裂縫充填治理試驗，分析了地裂縫治理效果，為西部礦區生態環境治理提供了技術參考。

1 超高水材料簡介

1.1 超高水材料的組成

超高水材料是由中國礦業大學研制的一種新型綠色環保的充填材料[9]，最早用于井下采空區充填，以控制地表沉陷，由于其具有凝結速度可控、可塑性強、強度高、易于泵送等優點，已在多個礦區進行了工程實踐，在有效控制地表變形的同時，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、石膏等獨立煉制成主料，并輔以復合超緩凝分散劑(又稱AA料)構成；B料主要成分為石膏、石灰混磨成主料，并配合復合速凝劑(又稱BB料)構成[15]。二者以1∶1比例混合使用，其水的體積達90%以上，最高可達97%[16]。

1.2 超高水材料基本性能測試

為了研制出適合野外作業的超高水材料地裂縫充填系統，分別對水的體積比為93%，94%，95%，96%的4種超高水材料進行了基本性能測試。

實驗材料取自徐州萬方礦山科技有限公司，產地為河北邯鄲，型號為DF-PACK，用水為自來水，4種材料按照質量比 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的標準正方體，為了模擬充填地裂縫后形成的超高水材料固結體的實際效果，將試塊放置于200mm×200mm×200mm的正方體玻璃密封盒內，四周用黃土充實后進行養護。考慮到野外充填地裂縫使用，不同季節條件下氣溫的變化，分別測試了水體積為93%，94%，95%，96%的4種不同水體積的超高水材料固結體不同齡期的抗壓強度、體積應變，以及不同水溫條件下的混合漿液凝結時間，分別如圖2，3所示。

圖2 超高水材料固結體不同齡期的抗壓強度和體積應變曲線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時間Fig.3 Setting times of super-high-water material in different temperature

從圖2(a)可以看出，在相對密封的養護條件下，隨著水體積的增大，超高水材料的抗壓強度逐漸減小，但最終強度均在1MPa以上，最大強度可達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變均較小，最終最大應變僅為26×10-4，因此，可認為該材料基本不可壓縮；從圖3可以看出，溫度對超高水材料的凝結時間影響較大，溫度越低，凝結時間越長，在接近0°的水溫條件下，僅93%的超高水材料能夠凝結，時間為32min，隨著溫度的升高，尤其是超過20°以后，該材料凝結速度迅速提高，最短時間僅為4min。

2 超高水材料地裂縫充填系統設計

2.1 充填工藝系統設計

不同于井下采空區充填系統及工藝，超高水材料地裂縫充填系統一般在野外作業，要求操作方便、可移動性強，筆者結合現場實際情況，充分借鑒井下充填工藝及系統，進行了充填系統的設計，以適合野外作業。

整個系統包括移動式充填車、動力系統、生產系統、注漿系統、輸送管路5部分組成，如圖4所示。

為方便野外作業，將整個系統安置在一臺小型卡車上，動力系統采用柴油機動力，空壓機驅動；生產系統包含4個氣動攪拌機，分別生產出A，B兩種單體漿液并進行充分攪拌；注漿系統使用氣動注漿泵分別抽取兩種漿液，經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。使用時，4個氣動攪拌機分為2組，輪流使用，保證生產過程不間斷。

2.2 設備選型

為方便野外操作使用，該系統所選用的主要設備見表1。

表1超高水材料充填系統主要設備
Table1Mainequipmentsofsuper-high-watermaterialfillingsystem

設備型號性能指標個數柴油機ZS11516 20kW1空壓機W-3 0/53 0m3/min1注漿泵2BQ150/6150L/min1攪拌機QB-300300L4輸送管19-2-40MPa?19mm3

2.3 技術參數

由于西部礦區地形起伏較大，限于交通、地形等條件限制[17-18]，需將充填系統安置在適當的區域，根據超高水材料基本性能指標，對采用不同水體積的超高水材料地裂縫充填系統在不同溫度條件下的輸送距離進行了設計。由表1中數據可知，輸送管的內徑為19mm，注漿泵每分鐘注漿量為150L，由此可計算出每分鐘可輸送距離為529m；由圖3中超高水材料的凝結時間，可計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20.1km，隨著溫度的升高，由于混合漿液的凝結時間逐漸縮短，可輸送距離逐漸減小，當溫度達40°時，最大可輸送距離僅為2.1km；該數據為不同季節下的外業作業提供了技術依據。

3 超高水材料地裂縫充填治理技術

地裂縫的常規治理方法有：沙土充填、矸石充填、漿體充填等方法，普通充填方法工藝復雜、效率低、充填不實、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，生產出水體積大于90%的超高水材料，通過輸送管路將混合漿液輸送至裂縫內部，充填至距地表約0.5m處。具體的操作方法及技術措施如下：

(1)充填系統安置在地裂縫充填區域適宜位置，啟動動力系統，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個攪拌桶，材料的質量比為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，采用攪拌機將各單體漿液充分攪拌，攪拌時間控制在3～5min為宜。

(3)啟動注漿泵，同時吸取兩種單體漿液，通過混合器充分混合形成超高水材料充填漿液，經輸送管路向地裂縫內部注入，考慮到覆土綠化所用的草灌木植被的根系發育以及正常生長需要，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，在裂縫內的固結體上覆土，并夯實，在覆土的上表面構建弧形裂縫槽，具體的操作方法及技術措施如下：

(1)根據植被生長適宜性原則，就近選取當地淺層黃土，分層填入裂縫內部固結體上。

(2)為保證土壤的緊實度，每填入0.2m的黃土夯實一次，夯實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，根據地裂縫走向與地形的關系，選取平行于地形等高線的裂縫構建裂縫槽，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建，直接進行植被綠化。

3.3 植被綠化

為提高生態修復效果，在裂縫槽內進行植被建設，根據治理區生態環境特點及現狀，可選取抗旱性能較強的草灌木，采用生態草毯技術或種植低矮的灌木類植物。

(1)生態草毯技術。在裂縫槽內撒播草籽，種類可參照當地生長較好的草種，在裂縫槽內鋪設由稻麥秸稈構成的草毯基底，將草毯固定在裂縫槽邊緣位置，從而形成生態草毯，草毯的厚度約30mm。

(2)種植灌木。考慮到西部礦區氣候干燥、風沙較大等不利因素，采用抗旱性能較強的低矮的灌木進行生態修復，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具有以下技術優點：

(1)超高水材料早期為流體，其漿液狀態可完全充填至裂縫底部，充填密實，不留地下空洞，完全消除了安全隱患；其充分凝固后的固態結構與周邊黃土密實接觸，固化前后體積應變量微小，強度較大，不會在與黃土的接觸面上形成新的裂隙；同時該材料中90%以上為水，具有良好的保水性能，但易風化[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自動化程度高，操作方便，效率高，適宜野外作業，適合于西部礦區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地表生態修復的技術難題。

4 工程實例

4.1 工程背景

為了進行礦區生態環境治理，神東礦區于2012年8月在大柳塔煤礦大柳塔井12203～12205工作面老采空區建立了生態建設示范基地，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、平面分布極不規則，經現場實測，累計形成永久性地裂縫85條，累計總長度3.4km。

4.2 地裂縫治理試驗

采用超高水材料地裂縫充填系統于2013-05-04—07進行了地裂縫治理試驗，采用水體積為94%的超高水材料。累計使用原材料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。充填系統及現場實際效果如圖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 治理效果監測與評價

為監測評價治理效果，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)，對裂縫槽及其植被進行了跟蹤監測，統計植被成活率，并設置監測點10個，采用四等水準測量對監測點進行沉降觀測，時間間隔為60d，監測結果見表3。

表3不同充填方法地裂縫監測結果
Table3Monitoringresultofgroundfissurefilledwithdifferentmaterials

編號充填材料充填方量/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，而常規沙土充填難以實現。

(2)超高水材料固結后，地表較穩定，監測點平均下沉量僅為20mm，常規沙土充填后，由于地下空洞仍然存在，地表下沉量較大，平均下沉量為149mm，且有兩處發生二次塌陷，超高水材料充填比常規沙土充填下沉量減小86.6%。

(3)由于超高水材料充填密實，地表穩定，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 論

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

(2)超高水材料具有流動性好、強度較大、凝結速度快、綠色環保等技術優點，用于野外地裂縫充填可操作性強。

(3)研制了超高水材料地裂縫充填系統，該系統具有操作簡單、方便實用、自動化程度高、充填密實等技術優點。

(4)提出了采用超高水材料進行“深部充填—表層覆土—植被綠化”的地裂縫治理3步法，為西部礦區生態建設及治理提供了理論依據及技術參考。

本文在設備選型及超高水材料使用過程中得到了中國礦業大學馮光明教授的熱情指導和幫助，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”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAC10B03)；國家自然科學基金資助項目(41272389)；江蘇省資源環境信息工程重點實驗室開放基金資助項目(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[J].煤炭學報,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