煤矿巨型塌陷坑的修复方法

摘要

本发明公开了一种煤矿巨型塌陷坑的修复方法，包括根据煤矿巨型塌陷坑的地形起伏程度，判断所述塌陷坑类型为有相对高差区域的塌陷坑或者无相对高差区域的塌陷坑，对所述有相对高差区域的塌陷坑和无相对高差区域的塌陷坑分别进行初次回填；对初次回填后的巨型塌陷坑进行喷水；对塌陷坑进行二次回填，直至坑内的回填高度与地表高程相平。本发明通过对有相对高差区域的塌陷坑采取不同的回填技术，在相对位置低处采用固废回填，保证了塌陷坑治理效率，在相对位置高处采用推土作业回填，修复了塌陷坑周边地裂缝且回填了塌陷坑，保证了塌陷坑的修复效果。

说明书

技术领域

本发明涉及采矿、土地与矿山地质环境的修复与利用等技术领域，特别是涉及一种煤矿巨型塌陷坑的修复方法。

背景技术

中国的煤炭资源已探明储量居世界第三位，但我国的煤炭消费总量却在世界排名第一位。多年来大规模、高强度的煤炭开采工业，已使矿山地质环境与煤炭开采诱发的矿山环境地质问题之间的矛盾逐渐激化。随着地质环境承载能力逐渐下降，越来越多的矿山环境地质问题在煤矿区地表出现。矿山环境地质问题发生数量众多、影响范围广泛，对矿山地质环境产生恶劣影响。原来美好的家园正在被不断恶化的矿山环境一步步吞噬。

我国政府高度重视矿山环境地质问题的修复治理工作，提出了“生态文明建设”的主题，积极改善我国矿山环境。目前矿山环境地质问题治理面临着来自经济、民生、社会等方面的压力，有效的修复治理方法能够加快矿山地质环境修复治理工作的进程，对我国可持续发展具有重要意义。

据2015年内蒙古自治区大兴安岭林区矿山地质环境调查，大兴安岭林区内以煤矿为主的各类矿产资源开发诱发开采沉陷问题总面积达3774.71hm²。据调查发现，开采沉陷问题以沉陷盆地、塌陷坑以及伴生地裂缝为主，具有发生面积广、修复难度大的特点。目前，我国对煤炭引发的巨型塌陷坑修复治理研究相对较少，主要以地表直接回填为主，在回填材料的选取、二次变形的控制以及修复区域重覆地表土方面缺少系统的认识。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种煤矿巨型塌陷坑的修复方法，以改善煤炭矿山地表塌陷坑的修复效果。

基于上述目的，本发明提供的煤矿巨型塌陷坑的修复方法包括以下骤：

根据煤矿巨型塌陷坑的地形起伏程度，判断所述塌陷坑类型为有相对高 差区域的塌陷坑或者无相对高差区域的塌陷坑，对所述有相对高差区域的塌陷坑和无相对高差区域的塌陷坑分别进行初次回填；

对初次回填后的巨型塌陷坑进行喷水；

对塌陷坑进行二次回填，直至坑内的回填高度与地表高程相平；

对二次回填后的煤矿巨型塌陷坑进行表土重覆；

根据煤矿巨型塌陷坑所在区域的地理、地质条件，以修复区域周边适宜种植的林、草植被为依据，建设人工草地、林地或者灌木林地。

在本发明的一些实施例中，先修复有相对高差区域的塌陷坑，后修复无相对高差区域的塌陷坑。

在本发明的一些实施例中，所述对有相对高差区域的塌陷坑进行初次回填的步骤包括：

从相对位置低的一侧向塌陷坑倾倒固体废弃物，直至固体废弃物的最高处与塌陷坑较低位置处的高程相平；

由塌陷坑相对位置高的一侧向塌陷坑内进行推土作业，直至坑内的回填高度与相对位置低处相同。

在本发明的一些实施例中，由塌陷坑相对位置高的外侧以0.5～1.5倍塌陷坑直径距离的位置开始向坑内进行连续推土作业。

在本发明的一些实施例中，所述对无相对高差区域的塌陷坑进行初次回填的步骤包括：

采用固体废弃物按顺时针或逆时针方向从塌陷坑周边向坑中心方向进行回填，直至坑内的回填高度与地表高程相平。

在本发明的一些实施例中，所述固体废弃物选自粉煤灰、矸石、排土场碎石中的至少一种。

在本发明的一些实施例中，所述对初次回填后的巨型塌陷坑进行喷水的步骤包括：

每天喷水大于等于3次，每次喷水量大于等于5L/m²，喷水作业持续时间为10～15天。

在本发明的一些实施例中，所述修复方法还包括：

对巨型塌陷坑坑内以及坑周边的地表杂物进行清理；

剥离巨型塌陷坑周边的表土。

在本发明的一些实施例中，剥离表土范围为塌陷坑周边60～80m，剥离 深度为30～60cm。

在本发明的一些实施例中，所述剥离后的表土堆积存放，每周向表土堆放区域喷水不少于3次，单位面积喷洒时间不少于20秒，喷水量为4～6平方米表土/立方米水。

从上面所述可以看出，本发明提供的煤矿巨型塌陷坑的修复方法与现有技术相比，本发明显示了如下优点：通过对煤矿矿山已有煤矿塌陷坑进行类型划分，确定塌陷坑的类型，从而对煤矿巨型塌陷坑实施有针对性的修复方法；根据对煤矿巨型塌陷坑地形起伏程度的分析，确定不同类型的巨型塌陷坑对应的修复方法，保证塌陷坑的修复效果；通过对有相对高差区域的塌陷坑采取不同的回填方法，在相对位置低处采用固废回填，保证了塌陷坑治理效率，在相对位置高处采用推土作业回填，修复了塌陷坑周边地裂缝且回填了塌陷坑，保证了塌陷坑的修复效果；通过对喷水后的塌陷坑治理区域进行二次回填，保障巨型塌陷坑治理区域最终变形量在控制范围内，保障塌陷坑回填效果。

附图说明

图1为本发明实施例的对有相对高差区域的塌陷坑倾倒固体废弃物的结构示意图；

图2为本发明实施例的对有相对高差区域的塌陷坑推土作业的结构示意图；

图3为本发明实施例的对有相对高差区域的塌陷二次回填的结构示意图；

图4为本发明实施例的对无相对高差区域的塌陷坑进行回填的结构示意图。

图中标号表述如下：1-巨型塌陷坑相对位置较高处，2-巨型塌陷坑相对位置较低处，3-塌陷坑坑壁，4-巨型塌陷坑坑壁潜在滑动面，5-张拉裂缝，6-固体废弃物，7-自然倾倒休止线，8-初次回填稳沉曲线，9-二次回填稳沉曲线，10-无相对高差巨型塌陷坑回填区域，11-无相对高差巨型塌陷坑外地表。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

作为本发明的一个实施例，以大雁一矿南部采煤开采沉陷区内地表巨型塌陷坑的修复工程为例。大雁一矿(以下简称“一矿”)位于内蒙东北部鄂温克族自治旗境内，属寒温带大陆性半干旱气候。该矿含煤地层为中生界白垩系下统伊敏组和下部大磨拐河组，主采煤层埋深70～290m，顶板岩性为细砂岩、粉砂岩。该煤矿目前开采方式为机械化综放回采，顶板管理方式为全陷落法。一矿于上世纪八十年代开始开采，目前一矿主要存在的矿山环境地质问题为塌陷坑、排土场、矸石山堆放占地。由于开采年代较早，目前一矿南部地表发育的塌陷坑多数已变形稳定，治理区域内塌陷坑最大深度为3～11m不等，发生面积230～52000m²不等。

根据大雁一矿地质环境背景、矿产资源种类、开采方式及顶底板管理方式及煤矿地表塌陷坑发育的类型，考虑到一矿南部治理区域内塌陷坑已趋于稳沉状态，可采用本发明提供的煤矿巨型塌陷坑的修复方法进行修复治理，具体地，所述煤矿巨型塌陷坑的修复方法包括以下步骤：

1)对煤矿地表塌陷坑发生区域进行规模分类，根据塌陷坑地表的发生面积将塌陷坑分为小型塌陷坑、中型塌陷坑、大型塌陷坑以及巨型塌陷坑，巨型塌陷坑为本发明的修复对象。其具体分类方案见下表：

表1煤矿地表塌陷坑规模分类

类型面积(m²)最大弦长(m)小型塌陷坑≤1450～1550≤38～42中型塌陷坑≤5500～6500≤75～85大型塌陷坑≤15000～20000≤150～160巨型塌陷坑＞15000～25000＞150～170

具体地，在本发明的一个较佳实施例中，该步骤可以具体包括：通过实地进行煤矿塌陷坑修复场区的勘查工作，获知煤矿塌陷坑的分布区域、分布数量、发育规模等发育情况，选取巨型塌陷坑作为修复对象。

更为优选地，该步骤可以包含以下内容：

①煤矿地表塌陷坑发生区域地形测绘工作

利用GPS、全站仪等测绘仪器对待修复治理区域进行测绘工作，绘制出 修复治理区域的地形地貌、环境地质问题的分布情况。优选地，地形图测量精度为1:500～1:2000。

②煤矿地表塌陷坑发生区域现场调查

现场调查发生地表塌陷坑的区域，核验塌陷坑的位置、形状、深度等参数，掌握治理区附近植被及植被生长情况。

③煤矿地表塌陷坑规模类型划定

根据查明的煤矿地表塌陷坑发育情况，根据治理区域地形图及调查情况，根据塌陷坑的最大弦长划定塌陷坑类型。因不同类型塌陷坑修复治理方法各具不同的特点，本发明提供的修复方法用于修复最大弦长大于150～170m或面积大于15000～25000m²的巨型塌陷坑。

一般地，塌陷坑在地表呈现近似圆形，统计塌陷坑直径时，可根据测量得到的塌陷坑最大弦长作为该塌陷坑的直径，将直径大于150～170m的煤矿塌陷坑作为巨型塌陷坑。其余形状的塌陷坑则可以根据面积确定，在很多区域塌陷坑呈现近似四边形或不规则长条状，可人工测绘出塌陷坑发育示意图，在图上根据发育形状计算塌陷坑的面积，将面积大于15000～25000m²塌陷坑视为巨型塌陷坑。

较佳地，该步骤还包括：根据所述煤矿塌陷坑的发育情况绘制煤矿塌陷区域内的煤矿巨型塌陷坑分布示意图及立体剖面图，以便于开展煤矿巨型塌陷坑的修复工程。

需要说明的是，若煤矿巨型塌陷坑呈近圆形发育，但在地表呈现串珠状发育，亦可将密集发育的串珠状塌陷坑发育区域作为煤矿巨型塌陷坑，以单坑为修复对象，逐一进行修复。

优选地，在该步骤中还包括：规划巨型塌陷坑的修复路线。具体地，根据巨型塌陷坑与拟定取土的固废堆的相对距离确定修复路线，可以按照距离由小至大的顺序进行修复。

2)对巨型塌陷坑坑内以及坑周边的地表杂物进行清理。

具体地，在发明的另一个实施例中，该步骤2)可以进一步包括：

清理巨型塌陷坑内的杂草、垃圾、固废等地表杂物，将其清运至修复区域设置的专门堆放区域，清运过程中以及堆积场地需防止二次环境破坏。具体的，该步骤可采用人工清理的方法进行施工，施工中必须对坑下人员设置安全防护措施，防止施工中塌陷坑坑底塌陷。

清除巨型塌陷坑周边分布的因采煤活动堆积残留的矸石堆、废石堆、粉煤灰堆、生活垃圾等地表杂物，清运至矿山垃圾场或场区内专门堆放区域，清运过程中以及堆积场地需防止二次环境破坏。清运过程要提前规划好清运路线，防止对修复区地表土壤造成破坏。

3)剥离巨型塌陷坑周边的表土。

在本发明的一个较佳实施例中，剥离植被相对发育区域的表土，表土运送至专门设定区域妥善保存。剥离表土范围为塌陷坑周边60～80m范围的表土，剥离深度需根据取土地地表熟土的实际深度确定，一般剥离深度为40～60cm，最小深度不少于30cm。剥离表土的施工过程可采用人工方法或机械方法，如采用机械方法建议使用反铲挖掘机，不推荐使用履带式推土机械等重型施工机械。

表土剥离后可堆积存放，每周向表土堆放区域喷水不少于3次，单位面积喷洒时间不少于20s。此步骤的效果在于减少修复区域表层土壤扰动后营养成分的破坏与丧失。可选地，喷水量为5平方米表土/立方米水。可选地，喷水量为5.5平方米表土/立方米水。可选地，喷水量为6平方米表土/立方米水。

4)根据煤矿巨型塌陷坑的地形起伏程度，判断所述塌陷坑类型为有相对高差区域的塌陷坑或者无相对高差区域的塌陷坑，对所述有相对高差区域的塌陷坑和无相对高差区域的塌陷坑分别进行初次回填。

作为本发明的一个实施例，根据已经绘制的煤矿地表塌陷坑测绘图纸，按照地形的起伏程度，先修复有相对高差区域的塌陷坑，后修复无相对高差区域的塌陷坑。优选地，在本发明中，有相对高差区域指原始地表倾角大于等于20°的区域，如图1-3所示，无相对高差区域指原始地面倾角小于20°的区域，如图4所示。

作为本发明的一个实施例，所述对有相对高差区域的塌陷坑进行初次回填的步骤包括：从相对位置低的一侧向塌陷坑倾倒固体废弃物，直至固体废弃物的最高处与塌陷坑较低位置处的高程相平，如图1所示；由塌陷坑相对位置高的一侧向塌陷坑内进行推土作业，直至坑内的回填高度与相对位置低处相同，形成与原有地形一致的人工地形，如图2所示。

需要说明的是，在对有相对高差区域的塌陷坑进行回填施工时，最好使用总重小于10吨的运输车辆，以防止回填过程中对坑壁造成破坏。优选地， 所述固体废弃物选自粉煤灰、矸石、排土场碎石中的至少一种。更为优选地，所述固体废弃物的倾倒顺序为矸石优先倾倒，排土场碎石、粉煤灰在后倾倒。从图1中可以看出，本发明选用固体废弃物6从巨型塌陷坑相对位置较低处2进行倾倒，由于坑较大，固体废弃物6一般堆放在相对位置较低处2，形成自然倾倒休止线7，该休止线7的最高处与塌陷坑较低位置处2的高程相平。

一般地，如图2所示，在相对位置较高处1常发育宽度大于10cm的张拉型裂缝5，对塌陷坑回填施工存在安全隐患，因此，本发明提出在相对位置较高处1采用小型推土机械由塌陷坑相对位置高1的一侧沿着巨型塌陷坑坑壁潜在滑动面4向塌陷坑内进行推土作业，直至坑内的回填高度与相对位置低处相同，稳定变形后形成初次回填稳沉曲线8。

在本发明的一个较佳实施例中，由塌陷坑相对位置高1的外侧以0.5～1.5倍塌陷坑直径距离的位置开始向坑内进行连续推土作业，以降低对周围地表和地形的影响。本发明通过对有相对高差区域的塌陷坑采取不同的回填方法，在相对位置低处采用固废回填，保证了塌陷坑治理效率，在相对位置高处采用推土作业回填，修复了塌陷坑周边地裂缝且回填了塌陷坑，保证了塌陷坑的修复效果。

作为本发明的另一个实施例，所述对无相对高差区域的塌陷坑进行初次回填的步骤包括：采用固体废弃物按顺时针或逆时针方向从塌陷坑周边向坑中心方向进行回填，直至坑内的回填高度与地表高程相平，如图4所示。

在对无相对高差区域的塌陷坑进行回填施工时，最好使用总重小于10吨的运输车辆，以防止回填过程中对坑壁造成破坏。优选地，所述固体废弃物选自粉煤灰、矸石、排土场碎石中的至少一种。更为优选地，所述固体废弃物的回填顺序为矸石优先倾倒，排土场碎石、粉煤灰在后倾倒。该回填作业宜就近取材，分层回填。也可以采用矸石、粉煤灰互层回填的工艺分层压实。回填作业至塌陷坑内基本回填密实且回填高度至地表高程时停止回填。

5)对初次回填后的巨型塌陷坑进行喷水。

作为本发明的一个较佳实施例，在初次回填后，对塌陷坑区域进行喷水，采用喷淋设备每天向塌陷坑修复区域内喷水作业，每天喷水大于等于3次，每次喷水量大于等于5L/m²。喷水作业持续时间为10～15天。喷淋区域设置边界牌以及公告警示标志，禁止无关人员以及工程车辆进入区域，防止 发生安全问题。

6)对塌陷坑进行二次回填，直至坑内的回填高度与地表高程相平，保障巨型塌陷坑治理区域最终变形量在控制范围内，保障塌陷坑回填效果。

如图3和4所示，喷水作业结束后，停止喷水一周，进行二次回填。由于喷水作业以及塌陷修复区域内土体在自重作用下压密，塌陷坑修复区域内一般产生50～100cm下沉变形，对修复区域进行二次回填，回填材料以排土场碎石与粉煤灰混合物为主，可以辅以矸石，直至坑内的回填高度与地表高程相平，形成二次回填稳沉曲线9。可选地，矸石、碎石、粉煤灰三种按顺序分层回填，以确保密实回填。需要注意的是，回填材料运输车辆行驶路线禁止穿越已修复区域，以确保工程车辆及人员安全。

7)对二次回填后的煤矿巨型塌陷坑进行表土重覆。

煤矿地表巨型塌陷坑工程回填区域需重覆表土或熟土，对回填后的煤矿巨型塌陷坑进行覆土工作，覆土厚度根据后期植被修复的要求而确定。灌木植被、草地覆表土厚度25～35cm，人工林地建议覆土50～80cm。覆土后在修复区域进行洒水作业，每平方米洒水大于等于5000mL。优选地，所述覆土选用步骤3)剥离的巨型塌陷坑周边的表土，以利于植被的生长。

8)根据煤矿巨型塌陷坑所在区域的地理、地质条件，以修复区域周边适宜种植的林、草植被为依据，建设人工草地、林地或者灌木林地。煤矿地表巨型塌陷坑治理区域内重覆表土完成后要根据修复区域气象、水文、立地条件以及土壤等地理、地质条件，确定煤矿巨型塌陷坑修复治理区域适宜种植的林、草植被，建设人工草地和林地或者灌木林地。

植被修复要符合当地生态规律，以一矿南部开采沉陷发生区域为例，在两次工程回填并覆土施工后的塌陷坑地表及周边一定范围内播撒种植适合当地生长的羊草、冰草、冷蒿等草籽混播，其中应对工程机械碾压破坏的区域进行翻耕混播，草籽混播比例为羊草60％，冰草25％，冷蒿15％。为保证草籽有较高的成活率，草籽播种时应选择下雨前后，如果当时没有雨需进行人工洒水作业。

大雁一矿选用本发明提供的煤矿巨型塌陷坑回填修复方法，旨在修复煤炭矿山及周边区域原有地表形态，有效利用煤矸石、粉煤灰，减少固废堆积。一矿内巨型塌陷坑目前变形已趋于稳定，巨型塌陷坑回填工程结束后与原有地貌比照，基本看不出煤矿巨型塌陷坑发生区域。

如上所述，本发明提供的煤矿巨型塌陷坑的修复方法具有以下有益效果：

(1)煤矿巨型塌陷坑规模类型划分：对矿山待修复开采沉陷区域内已有煤矿塌陷坑进行类型划分，确定塌陷坑的规模，从而对煤矿巨型塌陷坑实施有针对性的修复方法；

(2)煤矿巨型塌陷坑类型确定：根据对煤矿巨型塌陷坑地形起伏程度的分析，确定不同类型的巨型塌陷坑对应的修复方法，保证塌陷坑的修复效果。

(3)有相对高差区域的塌陷坑实施差异方法：通过对有相对高差区域的塌陷坑采取不同的回填方法，在相对位置低处采用固废回填，保证了塌陷坑治理效率，在相对位置高处采用推土作业回填，修复了塌陷坑周边地裂缝且回填了塌陷坑，保证了塌陷坑的修复效果。

(4)巨型塌陷坑修复治理区域二次回填：通过对喷水后的塌陷坑修复治理区域进行二次回填，保障巨型塌陷坑修复治理区域最终变形量在控制范围内，保障塌陷坑回填效果。

(5)林、草地修复：通过对治理区域重覆表土，合理布置矿区适宜的生态作物，保证修复矿山植被群落丰富，提高矿山地质环境修复的效果。

(6)形成一种集多种煤矿巨型塌陷坑修复技术于一体的煤矿巨型塌陷坑修复方法，可适用于类似的煤矿巨型塌陷坑修复。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。