超高水材料地裂缝充填治理技术

刘 辉，雷少刚，邓喀中，于 洋，王业显

(1.中国矿业大学 江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221008；2.中国矿业大学 国土环境与灾害监测国家测绘局重点实验室,江苏 徐州 221008;3.河北工程大学 资源学院，河北 邯郸 056038)

超高水材料地裂缝充填治理技术

刘 辉1,2,3，雷少刚1,2，邓喀中1,2，于 洋1,2，王业显1,2

(1.中国矿业大学 江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221008；2.中国矿业大学 国土环境与灾害监测国家测绘局重点实验室,江苏 徐州 221008;3.河北工程大学 资源学院，河北 邯郸 056038)

为了进行西部采煤沉陷区地表生态恢复治理，针对采动引起的地表永久性地裂缝的治理，在进行超高水材料物理力学性能测试的基础上，研制了野外超高水材料地裂缝充填工艺及充填系统，提出了“深部充填—表层覆土—植被绿化”的地裂缝治理3步法，并以神东矿区大柳塔煤矿12203～12205工作面老采空区生态治理示范基地为试验区，进行了超高水材料地裂缝治理试验，通过与常规沙土充填方法对比分析发现，该系统采用水体积为94%的超高水材料进行地裂缝深部充填后，地表下沉量大大减小，且地表保水性能大大提高，植被长势良好。

超高水材料；地裂缝；塌陷区治理；西部矿区；生态建设

近年来，随着煤炭资源的大力开采，东部矿产资源日渐衰竭，煤炭西进战略已成现实，有关部门和专家预测到“十二五”末，西部六省区年产量将达30亿t，占全国煤炭总产量的75%[1]。作为主要产煤基地的西部矿区普遍具有埋藏浅、储量大、地形破碎、生态脆弱等特点[2-3]，由此造成的土地沉陷面积将达418km2[4]，采动地裂缝作为西部矿区典型的一种次生灾害，越来越受到人们的重视。

采动地裂缝分为采动中的临时性裂缝和稳沉后的永久性裂缝两种[5]。采动过程中的临时性裂缝，一般发生在工作面的正上方，如图1(a)所示。随着工作面的推进同时发育，当工作面推过裂缝后，大部分裂缝将逐步闭合，其对矿井安全生产的威胁较大，尤其是当裂缝与采空区贯通时，容易发生漏风、溃水、溃沙等安全事故，为保证安全生产，一般采取随时监测、现场掩埋等措施；相比之下，稳沉后的永久性裂缝一般发生在工作面的开切眼、终采线附近，其特点为宽度大、发育深、难以自愈，如图1(b)所示。对地表生态的影响更大，水土流失、植被退化等问题更为明显。

图1 采动地裂缝Fig.1 Mining fissures

多年来，人们在积极进行塌陷区生态恢复治理的同时，一直在研究地裂缝的治理方法[6-8]，近年来采用最多的为沙土灌入法。由于在工作面两侧形成的永久性裂缝垂直深度较大、水平分布极不规则，一般的沙土材料很难充填密实，往往会有残留空洞，水土保持难度较大，安全隐患仍然存在。针对上述问题，笔者在进行超高水材料性能测试的基础上，研制了适合野外作业的超高水材料地裂缝充填系统，提出了采用超高水材料进行深部充填裂缝，地表覆土，植被绿化的地裂缝治理“3步法”，并以神东矿区大柳塔煤矿12203～12205工作面生态治理基地为试验区域，进行了超高水材料地裂缝充填治理试验，分析了地裂缝治理效果，为西部矿区生态环境治理提供了技术参考。

1 超高水材料简介

1.1 超高水材料的组成

超高水材料是由中国矿业大学研制的一种新型绿色环保的充填材料[9]，最早用于井下采空区充填，以控制地表沉陷，由于其具有凝结速度可控、可塑性强、强度高、易于泵送等优点，已在多个矿区进行了工程实践，在有效控制地表变形的同时，成功解放了大量“三下”滞留的煤炭资源[10-14]。

超高水材料由A，B两种材料组成，其中，A料主要成分为铝土矿、石膏等独立炼制成主料，并辅以复合超缓凝分散剂(又称AA料)构成；B料主要成分为石膏、石灰混磨成主料，并配合复合速凝剂(又称BB料)构成[15]。二者以1∶1比例混合使用，其水的体积达90%以上，最高可达97%[16]。

1.2 超高水材料基本性能测试

为了研制出适合野外作业的超高水材料地裂缝充填系统，分别对水的体积比为93%，94%，95%，96%的4种超高水材料进行了基本性能测试。

实验材料取自徐州万方矿山科技有限公司，产地为河北邯郸，型号为DF-PACK，用水为自来水，4种材料按照质量比 A∶B∶AA∶BB为100∶100∶10∶4的配比使用，样本为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的标准正方体，为了模拟充填地裂缝后形成的超高水材料固结体的实际效果，将试块放置于200mm×200mm×200mm的正方体玻璃密封盒内，四周用黄土充实后进行养护。考虑到野外充填地裂缝使用，不同季节条件下气温的变化，分别测试了水体积为93%，94%，95%，96%的4种不同水体积的超高水材料固结体不同龄期的抗压强度、体积应变，以及不同水温条件下的混合浆液凝结时间，分别如图2，3所示。

图2 超高水材料固结体不同龄期的抗压强度和体积应变曲线Fig.2 Compressive strength and volumetric strain curves of super-high-water material induration with time

图3 不同水温条件下超高水材料凝结时间Fig.3 Setting times of super-high-water material in different temperature

从图2(a)可以看出，在相对密封的养护条件下，随着水体积的增大，超高水材料的抗压强度逐渐减小，但最终强度均在1MPa以上，最大强度可达3.54MPa，足以满足充填地表裂缝的需要；从图2(b)可以看出，不同水体积的超高水材料体积应变均较小，最终最大应变仅为26×10-4，因此，可认为该材料基本不可压缩；从图3可以看出，温度对超高水材料的凝结时间影响较大，温度越低，凝结时间越长，在接近0°的水温条件下，仅93%的超高水材料能够凝结，时间为32min，随着温度的升高，尤其是超过20°以后，该材料凝结速度迅速提高，最短时间仅为4min。

2 超高水材料地裂缝充填系统设计

2.1 充填工艺系统设计

不同于井下采空区充填系统及工艺，超高水材料地裂缝充填系统一般在野外作业，要求操作方便、可移动性强，笔者结合现场实际情况，充分借鉴井下充填工艺及系统，进行了充填系统的设计，以适合野外作业。

整个系统包括移动式充填车、动力系统、生产系统、注浆系统、输送管路5部分组成，如图4所示。

为方便野外作业，将整个系统安置在一台小型卡车上，动力系统采用柴油机动力，空压机驱动；生产系统包含4个气动搅拌机，分别生产出A，B两种单体浆液并进行充分搅拌；注浆系统使用气动注浆泵分别抽取两种浆液，经混合器将浆液充分混合后，由输送管路将超高水材料输送至地裂缝内。使用时，4个气动搅拌机分为2组，轮流使用，保证生产过程不间断。

2.2 设备选型

为方便野外操作使用，该系统所选用的主要设备见表1。

表1超高水材料充填系统主要设备
Table1Mainequipmentsofsuper-high-watermaterialfillingsystem

设备型号性能指标个数柴油机ZS11516 20kW1空压机W-3 0/53 0m3/min1注浆泵2BQ150/6150L/min1搅拌机QB-300300L4输送管19-2-40MPaϕ19mm3

2.3 技术参数

由于西部矿区地形起伏较大，限于交通、地形等条件限制[17-18]，需将充填系统安置在适当的区域，根据超高水材料基本性能指标，对采用不同水体积的超高水材料地裂缝充填系统在不同温度条件下的输送距离进行了设计。由表1中数据可知，输送管的内径为19mm，注浆泵每分钟注浆量为150L，由此可计算出每分钟可输送距离为529m；由图3中超高水材料的凝结时间，可计算出不同水体积的混合浆液在不同温度条件下的最大输送距离，见表2。

表2不同水体积混合浆液的最大输送距离
Table2Maximumtransportingdistancesofmixinggroutwithdifferentpercentageofwater

水体积/%最大输送距离/km0°10°20°30°40°9316 915 35 33 22 19416 45 83 22 19519 04 83 72 19620 16 33 72 1

从表2可以看出，温度越低，可输送距离越大，最大输送距离可达20.1km，随着温度的升高，由于混合浆液的凝结时间逐渐缩短，可输送距离逐渐减小，当温度达40°时，最大可输送距离仅为2.1km；该数据为不同季节下的外业作业提供了技术依据。

3 超高水材料地裂缝充填治理技术

地裂缝的常规治理方法有：沙土充填、矸石充填、浆体充填等方法，普通充填方法工艺复杂、效率低、充填不实、成本较高[19]，超高水材料早期为流体，便于通过管路直接将混合浆液输送至裂缝，充填至裂缝底部。笔者将超高水材料引入到地裂缝充填中，并提出了“深部充填—表层覆土—植被绿化”的地裂缝治理3步法，如图5所示。

图5 超高水材料地裂缝充填治理“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缝充填系统，生产出水体积大于90%的超高水材料，通过输送管路将混合浆液输送至裂缝内部，充填至距地表约0.5m处。具体的操作方法及技术措施如下：

(1)充填系统安置在地裂缝充填区域适宜位置，启动动力系统，水车供水，分别将超高水原材料的A料和AA料、B料和BB料投放入2个搅拌桶，材料的质量比为A∶B∶AA∶BB为100∶100∶10∶4，材料与水的体积比在90%～97%之间可控。

(2)为保证单体浆液充分混合且不凝固，采用搅拌机将各单体浆液充分搅拌，搅拌时间控制在3～5min为宜。

(3)启动注浆泵，同时吸取两种单体浆液，通过混合器充分混合形成超高水材料充填浆液，经输送管路向地裂缝内部注入，考虑到覆土绿化所用的草灌木植被的根系发育以及正常生长需要，充填至距离地表的距离以不小于0.5m为宜。

(4)为保证充填过程连续不间断，可采用两组搅拌桶通过切换阀门轮流使用。

3.2 表层覆土

待超高水材料混合浆液充分凝固后，在裂缝内的固结体上覆土，并夯实，在覆土的上表面构建弧形裂缝槽，具体的操作方法及技术措施如下：

(1)根据植被生长适宜性原则，就近选取当地浅层黄土，分层填入裂缝内部固结体上。

(2)为保证土壤的紧实度，每填入0.2m的黄土夯实一次，夯实土体的干密度不低于约1.3 t/m3。

(3)为提高保水性能以及减少水土流失，根据地裂缝走向与地形的关系，选取平行于地形等高线的裂缝构建裂缝槽，以形成鱼鳞沟，深度以0.1～0.2m为宜；垂直于等高线的裂缝可不构建，直接进行植被绿化。

3.3 植被绿化

为提高生态修复效果，在裂缝槽内进行植被建设，根据治理区生态环境特点及现状，可选取抗旱性能较强的草灌木，采用生态草毯技术或种植低矮的灌木类植物。

(1)生态草毯技术。在裂缝槽内撒播草籽，种类可参照当地生长较好的草种，在裂缝槽内铺设由稻麦秸秆构成的草毯基底，将草毯固定在裂缝槽边缘位置，从而形成生态草毯，草毯的厚度约30mm。

(2)种植灌木。考虑到西部矿区气候干燥、风沙较大等不利因素，采用抗旱性能较强的低矮的灌木进行生态修复，如沙棘、酸枣等。为保证成活率，可选用保水剂法、覆膜法、矿泉水瓶埋置法等。

超高水材料地裂缝充填治理技术具有以下技术优点：

(1)超高水材料早期为流体，其浆液状态可完全充填至裂缝底部，充填密实，不留地下空洞，完全消除了安全隐患；其充分凝固后的固态结构与周边黄土密实接触，固化前后体积应变量微小，强度较大，不会在与黄土的接触面上形成新的裂隙；同时该材料中90%以上为水，具有良好的保水性能，但易风化[20]，表层覆土及植被绿化措施可将材料与大气隔离。

(2)超高水材料地裂缝充填系统自动化程度高，操作方便，效率高，适宜野外作业，适合于西部矿区浅埋煤层开采造成的各种类型地裂缝的充填治理。

(3)覆土上方设置的弧形裂缝槽，能有效地减少地表水土流失，提高植被成活率，有效解决了西部干旱矿区地表生态修复的技术难题。

4 工程实例

4.1 工程背景

为了进行矿区生态环境治理，神东矿区于2012年8月在大柳塔煤矿大柳塔井12203～12205工作面老采空区建立了生态建设示范基地，该工作面于2003—2005年开采，平均埋深85m，采高4.7 m，地表塌陷严重，形成永久性地裂缝多处，主要集中在工作面开切眼及终采线附近，裂缝垂直深度大、平面分布极不规则，经现场实测，累计形成永久性地裂缝85条，累计总长度3.4km。

4.2 地裂缝治理试验

采用超高水材料地裂缝充填系统于2013-05-04—07进行了地裂缝治理试验，采用水体积为94%的超高水材料。累计使用原材料32.1t，其中，A料15t，B料15t，AA料1.5t，BB料0.6 t。治理裂缝14条，治理面积0.15km2。充填系统及现场实际效果如图6所示。

图6 超高水材料地裂缝充填治理Fig.6 Ground fissure treatment and filling with super-high-water material

4.3 治理效果监测与评价

为监测评价治理效果，选取10条治理后的地裂缝(其中，超高水材料充填5条，流沙充填3条，黄土充填2条)，对裂缝槽及其植被进行了跟踪监测，统计植被成活率，并设置监测点10个，采用四等水准测量对监测点进行沉降观测，时间间隔为60d，监测结果见表3。

表3不同充填方法地裂缝监测结果
Table3Monitoringresultofgroundfissurefilledwithdifferentmaterials

编号充填材料充填方量/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黄土10212757黄土32塌陷8超高水30031809超高水150249010流沙4212865

从表3中可以看出：

(1)采用超高水材料充填，用量较多，基本充填至裂缝深部，充填密实，而常规沙土充填难以实现。

(2)超高水材料固结后，地表较稳定，监测点平均下沉量仅为20mm，常规沙土充填后，由于地下空洞仍然存在，地表下沉量较大，平均下沉量为149mm，且有两处发生二次塌陷，超高水材料充填比常规沙土充填下沉量减小86.6%。

(3)由于超高水材料充填密实，地表稳定，保水效果较好，植被成活率较高，平均为88.0%，而沙土充填保水效果较差，植被成活率较低，平均为66.7%。

5 结 论

(1)西部矿区浅埋煤层开采容易引起地表塌陷及地裂缝，开采过程中的临时性裂缝一般具有自愈功能，稳沉后容易在采空区边界形成永久性地裂缝，其垂直发育较深、宽度大，对地表生态影响较大。

(2)超高水材料具有流动性好、强度较大、凝结速度快、绿色环保等技术优点，用于野外地裂缝充填可操作性强。

(3)研制了超高水材料地裂缝充填系统，该系统具有操作简单、方便实用、自动化程度高、充填密实等技术优点。

(4)提出了采用超高水材料进行“深部充填—表层覆土—植被绿化”的地裂缝治理3步法，为西部矿区生态建设及治理提供了理论依据及技术参考。

本文在设备选型及超高水材料使用过程中得到了中国矿业大学冯光明教授的热情指导和帮助，在此致以衷心的感谢！

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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”国家科技支撑计划资助项目(2012BAC10B03)；国家自然科学基金资助项目(41272389)；江苏省资源环境信息工程重点实验室开放基金资助项目(JS201305)

刘 辉(1982—)，男，山东肥城人，讲师，博士研究生。Tel：0310-8579517，E-mail：lhui99@aliyun.com。通讯作者：邓喀中(1957—)，男，四川资中人，教授，博士生导师，博士。E-mail:kzdeng@cumt.edu.cn

X14

A

0253-9993(2014)01-0072-06

刘 辉，雷少刚，邓喀中,等.超高水材料地裂缝充填治理技术[J].煤炭学报,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