侯恩科，馮 棟，謝曉深，從 通，李民峰，馮 沖，劉凡凡，杜超杰

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué) 陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 3.陜西涌鑫礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 府谷 719400)

陜北侏羅紀(jì)煤田煤炭資源豐富，煤質(zhì)優(yōu)良，目前開采的煤層具有埋藏較淺、上覆基巖較薄等特點(diǎn)[1]。煤層開采后造成的地面塌陷、生態(tài)環(huán)境損傷和地表裂縫潰水水害問題嚴(yán)重[2]。近年來不少學(xué)者從不同角度對煤層開采誘發(fā)的地表裂縫及其潰水水害問題進(jìn)行了研究[3-8]。

針對地表裂縫發(fā)育規(guī)律的研究手段主要有現(xiàn)場實(shí)測、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和理論分析等?，F(xiàn)場實(shí)地觀測能夠?yàn)榈乇砹芽p的的靜態(tài)、動態(tài)發(fā)育規(guī)律研究提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)[9]。侯恩科等[10]通過調(diào)查揭示了寧東礦區(qū)羊場灣煤礦淺埋煤層開采地表裂縫的靜態(tài)發(fā)育規(guī)律。劉輝等[11]通過調(diào)查揭示了神東礦區(qū)地裂縫“開裂—擴(kuò)展—閉合”的動態(tài)發(fā)育規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出臨時(shí)性裂縫的治理標(biāo)準(zhǔn)。胡振琪等[12-14]通過現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)了風(fēng)積沙地區(qū)采煤誘發(fā)的地表裂縫具有“M”型發(fā)育特征。在溝道水害防治技術(shù)方面，范立民[15]對淺埋煤層過溝開采防治現(xiàn)行方法進(jìn)行了總結(jié)。蔣澤泉等[16]提出了“修復(fù)地裂縫+匯流區(qū)防滲”的防治技術(shù)。王建文等[17]采用在地表安設(shè)排水管道、河道裂縫處開挖充填等方式防止地表水下滲。高登云等[18]通過對來壓規(guī)律進(jìn)行研究，提出了過溝段防治措施。張杰等[19]結(jié)合煤礦開采后導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育情況，提出通過合理布設(shè)安全防水煤巖柱來避免水害事故發(fā)生。

黃土溝壑區(qū)淺埋煤層開采造成的地面塌陷相對較為嚴(yán)重，尤其在溝道底部等煤層埋深極淺區(qū)域，地表水會有通過地表裂縫潰入井下的危險(xiǎn)。為此，筆者以安山煤礦125203工作面過菜溝段區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?，通過現(xiàn)場監(jiān)測、無人機(jī)遙感等技術(shù)手段研究采煤誘發(fā)的地表溝道裂縫發(fā)育規(guī)律及特征，提出不同區(qū)域地表水害防治技術(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用。

1 研究區(qū)概況

安山井田位于陜西省府谷縣廟哈孤礦區(qū)東南部，井田面積約53.82 km2，區(qū)內(nèi)年平均降水量433.1 mm，年最大降水量849.6 mm;降雨主要集中在7—9月，占年降雨總量的69%，尤以8月份最多，平均為132.5 mm，約占年降雨總量的25%，并多以暴雨形式出現(xiàn)，易形成洪水。井田受不同方向發(fā)育的溝谷侵蝕切割，梁峁相間發(fā)育，山梁、緩坡大部分被第四系黃土及新近系紅土覆蓋，溝谷、陡坡區(qū)域部分存在基巖露頭，根據(jù)鉆孔揭露和地質(zhì)填圖，區(qū)內(nèi)分布的地層由老至新有:上三疊統(tǒng)永坪組(T3y)、下侏羅統(tǒng)富縣組(J1f)、中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)、新近系(N2)及第四系(Q)，研究區(qū)地層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地層綜合柱狀Fig.1 Comprehensive stratigraphic column in study Area

125203工作面位于井田中西部，沙蒿梁北側(cè)，斜穿菜溝，走向方位與菜溝大致呈45°夾角。工作面地表植被覆蓋率在35%左右，地表最大標(biāo)高1 304 m，位于工作面距開切眼1 030 m處，最小標(biāo)高1 191 m，位于工作面距開切眼2 534 m處即菜溝溝道底部。工作面呈黃土梁峁溝壑地貌(圖2)，基巖出露于溝谷底部?；鶐r以上為新近系紅土和第四系黃土覆蓋。該工作面主采煤層為5-2煤層，煤層厚度2.2～2.4 m，平均厚度2.3 m，埋藏極淺，局部不足30 m，頂板基巖厚20～65 m，頂板基巖之上為0～77 m的新近系和第四系松散層。工作面走向長度3 152 m，傾向長度270.5 m，采高2.25 m，采用綜合機(jī)械化采煤工藝進(jìn)行開采。菜溝溝道為季節(jié)性流水，在雨季期間溝道中會有因降雨而形成流水或洪水;其他月份為枯水期，溝道基本是干涸的。

圖2 工作面地形Fig.2 Topographic map of working face

125203工作面回采要穿過菜溝，其中工作面內(nèi)菜溝主溝道長約435 m，寬15～100 m，菜溝支溝長約220 m，寬15～50 m，煤層埋深約20 m。依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及鉆孔揭露情況得到工作面所在菜溝段剖面(局部)，如圖3所示。

圖3 工作面過菜溝段剖面(局部)Fig.3 Cross section of Caigou section of working face(partially)

2 采動地表裂縫發(fā)育規(guī)律及特征

2.1 調(diào)查方法

采用無人機(jī)航拍和現(xiàn)場大比例尺地表裂縫填圖的方法對125203工作面地表裂縫進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查研究。其中，利用大疆精靈4Pro無人機(jī)對菜溝溝道位置處回采產(chǎn)生的地表裂縫進(jìn)行航拍，航拍時(shí)間為2019年4月，無人機(jī)遙感手段主要是為了能夠更全面地將工作面煤層回采后產(chǎn)生的大于0.02 m的地表裂縫的發(fā)育長度、形態(tài)、延展方向等特征信息在無人機(jī)航拍影像圖中識別出來，為了保證較高的準(zhǔn)確性，結(jié)合現(xiàn)場地形地貌發(fā)育特征，并與現(xiàn)場實(shí)測的地表裂縫發(fā)育位置進(jìn)行對比，確定最優(yōu)飛行高度，無人機(jī)航拍影像數(shù)據(jù)見表1。

表1 無人機(jī)航拍影像數(shù)據(jù)Table 1 Drone aerial sensing image data

通過現(xiàn)場踏勘，并利用華測GPS接收機(jī)，平面精度(8±1) mm/km的RTK實(shí)時(shí)動態(tài)定位技術(shù)確定地表裂縫平面發(fā)育位置，采用鋼尺量取地表裂縫的寬度和落差。具體調(diào)查方式如圖4所示。

圖4 地表裂縫調(diào)查方式Fig.4 Investigation method of surface cracks

2.2 地表裂縫平面展布規(guī)律

本次地表裂縫調(diào)查范圍:125203工作面菜溝及其兩側(cè)，工作面回采位置向工作面開切眼方向延伸400 m。主要對溝道底部地表裂縫發(fā)育規(guī)律和特征進(jìn)行調(diào)查。

125203綜采工作面地表裂縫總體上有2類：一類是展布方向平行開切眼的裂縫，另一類是展布方向平行巷道的裂縫，分別稱其為平行開切眼裂縫和平行巷道裂縫。在菜溝溝道底部共調(diào)查了50條平行開切眼裂縫，裂縫全部發(fā)育在工作面內(nèi)部，形態(tài)整體呈現(xiàn)“倒C型”，裂縫發(fā)育類型為“臺階狀裂縫”，形態(tài)多為直線型，少數(shù)出現(xiàn)彎曲狀，裂縫寬度在0.2～50.0 cm，平均寬度為6 cm左右;裂縫落差在0～43 cm，平均落差在5 cm左右。相鄰2條裂縫間隔距離最大為19 m，最小為1 m，平均間距為10 m。圖5為菜溝段回采后局部航拍，圖6為菜溝段回采后地表裂縫分布。

2.3 地表裂縫發(fā)育特征

在菜溝溝底共調(diào)查了50條采動地表裂縫，其中，寬度在5 cm以內(nèi)的裂縫32條，占64%;寬度在5～10 cm的裂縫10條，占20%;寬度在10～20 cm的裂縫5條，占10%;寬度>20 cm的裂縫3條，占6%(圖7(a))。落差在5 cm以內(nèi)的裂縫30條，占60%;落差在5～10 cm的裂縫8條，占16%;落差在10～20 cm的裂縫8條，占16%;落差>20 cm的裂縫4條，占8%(圖7(b))。

圖5 菜溝段回采后航拍(局部)Fig.5 Aerial photograph after mining in Caigou bottom area(partially)

圖6 菜溝段地表裂縫分布(局部)Fig.6 Distribution of surface cracks in Caigou bottom area(partially)

圖7 地表裂縫發(fā)育特征Fig.7 Surface crack characteristics

在菜溝段正向坡地帶共調(diào)查了28條采動地表裂縫，其中，寬度在5 cm以內(nèi)的裂縫12條，占43%;寬度在5～10 cm的裂縫10條，占36%;寬度在10～20 cm的裂縫4條，占14%;寬度>20 cm的裂縫2條，占7%(圖7(c))。落差在5 cm以內(nèi)的裂縫11條，占39%;落差在5～10 cm的裂縫7條，占25%;落差在10～20 cm的裂縫8條，占29%;落差>20 cm的裂縫2條，占7%(圖7(d))。

在菜溝段反向坡地帶共調(diào)查了18條采動地表裂縫，其中，寬度在5 cm以內(nèi)的裂縫13條，占72%;寬度在5～10 cm的裂縫3條，占17%;寬度在10～20 cm的裂縫2條，占11%(圖7(e))。落差在5 cm以內(nèi)的裂縫12條，占67%;落差在5～10 cm的裂縫2條，占11%;落差在10～20 cm的裂縫3條，占17%;落差>20 cm的裂縫1條，占5%(圖7(f))。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的采動地表裂縫特征，可將裂縫形態(tài)劃分為不同類型。

(1)裂縫的平面形態(tài)類型。① 直線型:裂縫平直，延伸方向穩(wěn)定，整條裂縫沒有發(fā)生轉(zhuǎn)折，多出現(xiàn)在溝道底部區(qū)域;② 弧線型:裂縫呈弧形彎曲。這種裂縫大多發(fā)育在工作面巷道附近;③ 分叉型:裂縫發(fā)育一定長度后，朝幾個不同的方向延伸，多出現(xiàn)于從斜坡地帶由一條裂縫向到溝底區(qū)域朝著幾個不同方向延伸。

(2)裂縫的剖面形態(tài)類型。根據(jù)裂縫兩側(cè)錯落特點(diǎn)可進(jìn)一步區(qū)分為正臺階狀裂縫、負(fù)臺階狀裂縫和無明顯錯落裂縫3種。正臺階狀裂縫指臺階傾向與工作面回采方向相反的裂縫，負(fù)臺階狀裂縫指臺階傾向與工作面回采方向一致的裂縫。在溝道區(qū)域，正臺階狀裂縫及無明顯錯落的裂縫占絕大多數(shù);在正向坡上，負(fù)臺階裂縫占大多數(shù);在反向坡上，正臺階裂縫占絕大多數(shù)。

覆巖破壞及地表變形產(chǎn)生裂縫與其上覆基巖的結(jié)構(gòu)和巖性相關(guān)，淺埋煤層的上覆基巖結(jié)構(gòu)相對比較簡單，有學(xué)者[20]對淺埋煤層開采引起的地表塌陷型裂縫的形成機(jī)理研究認(rèn)為，此類型裂縫主要是由于基本頂?shù)钠茢嘣斐筛矌r及表土的全部垮落造成的發(fā)生整體垮落，使得導(dǎo)水裂隙帶直達(dá)地表，在地表形成臺階。結(jié)合對研究區(qū)地表裂縫的現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查情況，研究區(qū)地表裂縫主要為臺階狀地表裂縫和無明顯錯臺地表裂縫2種類型，其中臺階狀裂縫主要是由于煤層開采后產(chǎn)生的上行裂縫直接貫通地表，橫向開裂，縱向下沉，其寬度相對較大;其中無明顯錯臺裂縫主要是由于煤層開采后產(chǎn)生的上行裂縫與地表拉伸變形產(chǎn)生的下行裂縫形成，橫向開裂，其寬度相對較小。

2.4 地表裂縫動態(tài)發(fā)育規(guī)律

為了掌握不同地形條件下地表裂縫的發(fā)育過程和活動規(guī)律，在菜溝段正向坡、反向坡位置及菜溝溝道底部開展了地表裂縫的動態(tài)監(jiān)測研究。在菜溝段工作面內(nèi)累計(jì)選取發(fā)育的35條地表裂縫進(jìn)行了持續(xù)動態(tài)監(jiān)測，獲取了地表裂縫初始發(fā)育過程至穩(wěn)定階段的全部寬度數(shù)據(jù)。圖8給出了125203工作面2條正向坡地表裂縫、2條反向坡地表裂縫和溝道底部4條典型的地表裂縫的寬度變化全過程。

由圖8可知，不同地形條件下、不同日期產(chǎn)生的地表裂縫寬度不同，存在一定的差異，但在同一地形條件下產(chǎn)生的地表裂縫其動態(tài)發(fā)育過程具有明顯的相似性。

在煤層開采過程中，正向坡(坡向與回采方向一致)產(chǎn)生的地表裂縫寬度值呈現(xiàn)出由小變大、再到穩(wěn)定不變的趨勢，即:“開裂—穩(wěn)定”的動態(tài)發(fā)育規(guī)律;反向坡(坡向與回采方向相反)產(chǎn)生的地表裂縫寬度值呈現(xiàn)出由小變大、然后變小、最終保持不變的穩(wěn)定狀態(tài)趨勢，即:“開裂—閉合—穩(wěn)定”的動態(tài)發(fā)育規(guī)律。從時(shí)間角度來看，坡體的地表裂縫全發(fā)育周期分別是:LF01為3.0 d，LF02為4.0 d，LF07為4.0 d，LF08為4.0 d，平均3.7 d。

在煤層開采過程中，溝道底部地表裂縫寬度均呈現(xiàn)出“開裂—閉(半閉)合—再開裂—穩(wěn)定”的動態(tài)發(fā)育規(guī)律，且第1次的“開裂—閉(半閉)合”過程中裂縫寬度峰值均明顯高于第2次開裂的寬度值。從時(shí)間角度來看，溝底的這4條裂縫的全發(fā)育周期分別為5，5，6，5 d，平均5.25 d;裂縫寬度最大分別為2.5，3.5，6.0，6.0 cm;穩(wěn)定后寬度分別為1.0，2.0，4.5，2.0 cm。說明溝道底部地表裂縫未能達(dá)到完全愈合狀態(tài)，存在漏風(fēng)潰水的危險(xiǎn)性。

2.5 地表裂縫發(fā)育位置與回采位置的關(guān)系

根據(jù)125203工作面的回采日進(jìn)尺以及每天觀測的最前端新的地表裂縫產(chǎn)生的位置，2者之間的相關(guān)關(guān)系見表2。由表2可知，最前端發(fā)育的新裂縫位置與工作面推進(jìn)位置相差在±6 m之內(nèi)，平均值為-1 m，即地表裂縫既有超前工作面回采位置發(fā)育的，也有滯后工作面回采位置發(fā)育的，但超前或滯后距離較小，平均滯后1 m。超前裂縫角或滯后裂縫角較小，為5°～10°，接近垂直(圖9)。將地表裂縫動態(tài)發(fā)育過程現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與工作面回采進(jìn)尺比較分析，得到地表裂縫活動范圍在30～50 m，即地表裂縫從出現(xiàn)到穩(wěn)定，工作面推進(jìn)距離為30～50 m。

3 溝道地表裂縫分區(qū)治理方法

3.1 煤層開采“兩帶”發(fā)育高度確定

選用現(xiàn)行《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB 12719—1991)所給式(1)和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中式(2)，進(jìn)行導(dǎo)水裂縫帶高度Hli計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。由于研究區(qū)工作面在5-2煤層采高為2.25 m，因此在計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度時(shí)，5-2煤層的開采厚度取2.25 m。

圖8 地表動態(tài)裂縫發(fā)育過程曲線Fig.8 Dynamic developing curves of mining ground fissure

表2 工作面回采進(jìn)度和最前端裂縫位置對應(yīng)關(guān)系Table 2 Correspondence relationship between the working face progress and forefront dynamic

圖9 地表裂縫發(fā)育位置與回采進(jìn)尺關(guān)系Fig.9 Relationship between surface crack development position and mining footage

表3 “兩帶”高度計(jì)算結(jié)果Table 3 “Two belts” height calculation result

(1)根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》，導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式為

Hli=100∑M/(3.3n+3.8)+5.1

(1)

式中，M為累計(jì)采厚;n為煤分層層數(shù); 5.1為修正系數(shù)。

(2)根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式為

Hli=100∑M/(1.6∑M+3.6)+5.6

(2)

式中，5.6為修正系數(shù)。

(3)垮落帶計(jì)算公式為

Hm=4M

(3)

徐智敏等[21]認(rèn)為西部侏羅系含煤地層采動導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度明顯大于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，為了安全起見，選用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》公式計(jì)算結(jié)果，5-2煤層回采時(shí)導(dǎo)水裂縫帶高度在36.85 m左右。

結(jié)合研究區(qū)5-2煤層在菜溝溝道的埋深情況(溝道埋深不足30 m)，當(dāng)工作面推進(jìn)到菜溝溝道底部時(shí)，形成的導(dǎo)水裂隙帶高度大于溝道底部5-2煤層埋深，會產(chǎn)生貫通地表的采動地表裂縫，形成導(dǎo)水通道，即前述菜溝溝底發(fā)育的采動地表裂縫，大多為貫通工作面采空區(qū)的導(dǎo)水裂縫。溝底地表裂縫雖然有所閉合，但仍有一定寬度，能夠形成導(dǎo)水通道。工作面回采過溝后，特別是在每年7～9月雨季時(shí)可能會出現(xiàn)持續(xù)降雨或暴雨，溝道底部匯水區(qū)域容易沿著地表裂縫出現(xiàn)井下潰水的危險(xiǎn)，影響工作面安全開采。125203工作面于2019年6月已經(jīng)完全回采過菜溝溝底段，為了保證雨季來臨時(shí)后續(xù)工作面安全高效生產(chǎn)，有必要對工作面采后溝道地表裂縫進(jìn)行治理。

3.2 溝道地表裂縫分區(qū)治理方法

通過現(xiàn)場調(diào)查該工作面溝道底部的地形地貌特征及溝道底部的土地利用類型，將溝道治理區(qū)域劃分為基巖河道、土質(zhì)河道(行駛道路)、過水耕地、可能過水耕地4塊，對應(yīng)A治理區(qū)、B治理區(qū)、C治理區(qū)和D治理區(qū)(圖10)，不同區(qū)將采用不同治理方式。

圖10 治理工程分區(qū)Fig.10 Government area district chart

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查地表裂縫發(fā)育特征，對地表裂縫進(jìn)行治理時(shí)，在時(shí)間特征上應(yīng)該在工作面回采過后1周左右，待地表裂縫發(fā)育穩(wěn)定再開始進(jìn)行治理;并提出了以寬度為0.1 m的地表裂縫為分界線的治理標(biāo)準(zhǔn):即地表裂縫寬度大于0.1 m時(shí)，采用表土層+防滲層+襯墊層的分層填充模式對地表裂縫進(jìn)行填充;若地表裂縫寬度小于0.1 m時(shí)，對不同區(qū)的裂縫采用表土層、防滲層或襯墊層的單層填充模式進(jìn)行填充。

最終按照A→B→C→D區(qū)的順序依次進(jìn)行治理，治理的總體施工工序如圖11所示。

圖11 施工工序Fig.11 Construction process diagram

3.2.1A治理區(qū)

A區(qū)為基巖裸露河道，溝道狹窄，需重點(diǎn)治理。其中，襯墊層:用大石塊或礫石等作為骨架來進(jìn)行充填，再用水泥混凝土灌漿縫合或黃土填充夯實(shí)。襯墊層的穩(wěn)定性和密實(shí)性是保證上部土層穩(wěn)定的關(guān)鍵;防滲層:用三合土進(jìn)行充填，并對其進(jìn)行夯實(shí)，三合土體積配比為1∶2∶4(石灰∶沙∶紅土)。防滲層的強(qiáng)度和耐水性是保證防水效果的關(guān)鍵;表土層:用裂縫區(qū)兩側(cè)的黃土來填充，再夯實(shí)。

具體治理方案如下:

(1)首先對河道進(jìn)行整體開挖，挖至新鮮基巖面，再對裂縫進(jìn)行填充。寬度在0.1 m以上的裂縫先用大石塊或礫石填充做骨架，然后再用水泥進(jìn)行灌漿縫合，再用黏土進(jìn)行填充并夯實(shí)，最后用三合土填充夯實(shí)。對此類型裂縫進(jìn)行填充的模式為:表土層(≥0.3 m)+防滲層(≥0.5 m)+襯墊層(≥0.2 m)(圖12(a))。地表裂縫寬度在0.1 m以下的直接用碎石混凝土(襯墊層)的填充模式治理即可。

(2)在地表裂縫填充完成后對河道從下往上依次進(jìn)行回填，首先按照每層0.2 m的厚度由下向上回填黏土或者紅土，每回填0.2 m采取人工或機(jī)械進(jìn)行壓實(shí)，并在每回填0.2 m的土層位置鋪設(shè)1層膨潤土復(fù)合防水毯，提高隔水效果。在回填的黏土上部回填0.3 m厚級配良好的碎石并用機(jī)械壓實(shí)，最后鋪設(shè)0.3 m厚的混凝土達(dá)到防止水流沖刷河床的效果(圖12(b))。

圖12 A區(qū)治理方法示意Fig.12 Schematic diagram of governance methods in area A

3.2.2B治理區(qū)

B區(qū)為土質(zhì)河道，為洪水過水區(qū)域，且在非雨季為行駛道路，也需重點(diǎn)治理。具體治理方案如下:

(1)首先對河道進(jìn)行整體開挖，若土層厚度<1 m，則直接挖至新鮮基巖面;若土層厚度≥1 m，向下開挖1 m。

(2)對裂縫進(jìn)行填充。寬度在0.1 m以上的裂縫首先用大石塊或礫石填充做骨架，然后再用水泥進(jìn)行灌漿縫合，再用黏土進(jìn)行填充并夯實(shí)，最后用三合土填充夯實(shí)。對此類型裂縫進(jìn)行填充的模式為:表土層(≥0.3 m)+防滲層(≥0.3 m)+襯墊層(≥0.2 m)，填充后進(jìn)行夯實(shí)(圖13(a))。地表裂縫寬度在0.1 m以下的直接用三合土(防滲層)填充模式治理即可。

圖13 B區(qū)治理方法示意Fig.13 Schematic diagram of governance methods in area B

(3)在地表裂縫填充完成后對河道從下往上依次進(jìn)行回填，首先按照每層0.2 m的厚度由下向上回填黏土或者紅土，每回填0.2 m采取人工或機(jī)械進(jìn)行壓實(shí)，并在每回填0.2 m的土層位置鋪設(shè)1層防水布，提高隔水效果。在回填的黏土上部回填0.4 m厚級配良好的碎石并用機(jī)械壓實(shí)，最后鋪設(shè)0.3 m厚的三合土并進(jìn)行機(jī)械壓實(shí)達(dá)到防止水流沖刷土質(zhì)河道的效果(圖13(b))。

3.2.3C治理區(qū)

C區(qū)為洪水流經(jīng)的耕地，土層厚度>1 m，由于上覆土層較厚且為了保證治理后能夠繼續(xù)耕種，需進(jìn)行裂縫開挖處理。治理方案如下:

(1)沿裂縫延伸方向開挖，向下開挖1.0 m深，0.5 m寬。

(2)裂縫寬度在0.1 m以上的先用大石塊或礫石填充做骨架，然后再用水泥進(jìn)行灌漿縫合，再用黏土進(jìn)行填充并夯實(shí)，最后用三合土填充夯實(shí)。對此類型裂縫進(jìn)行填充的結(jié)構(gòu)模式為:表土層(0.3 m)+防滲層(0.3 m)+襯墊層(0.2 m)，填充后進(jìn)行夯實(shí)(圖14(a))。地表裂縫寬度在0.1 m以下的直接用黃土填充夯實(shí)即可。

(3)對開挖的地表裂縫進(jìn)行回填，首先按照每層0.2 m的厚度由下向上回填黏土或者紅土2層，每回填0.2 m采取人工或機(jī)械進(jìn)行壓實(shí)。由于C治理區(qū)屬于當(dāng)?shù)卮迕竦母兀瑸榱吮ＷC溝道治理后不影響農(nóng)作物的耕種，在回填黏土或紅土上部回填≥0.8 m厚的松散黃土(圖14(b))。

圖14 C區(qū)治理方法示意Fig.14 Schematic diagram of governance methods in area C

3.2.4D治理區(qū)

D區(qū)為洪水可能流經(jīng)耕地，土層厚度>1 m。由于該區(qū)域地勢較高，對此類型裂縫不需要開挖，直接用黃土填充并夯實(shí)即可。

4 治理效果

125203工作面回采過菜溝后，為了預(yù)防洪水期工作面溝道裂縫潰水水害，礦方依據(jù)地表裂縫區(qū)治理的技術(shù)方案對菜溝溝道A，B，C，D等4個區(qū)域進(jìn)行了河道開挖、裂縫填充、鋪設(shè)防水毯、三合土夯實(shí)、水泥混凝土加固等方式治理(圖15)。

圖15 研究區(qū)治理效果Fig.15 Research area governance results

根據(jù)礦方提供的降雨及礦井涌水量資料，安山煤礦7—9月份出現(xiàn)降雨的頻率較高，7月份最大達(dá)到24 h降雨量56 mm，降雨天數(shù)14 d;8月份最大達(dá)到24 h降雨量52 mm，降雨天數(shù)11 d;9月份最大達(dá)到24 h降雨量35 mm，降雨時(shí)間6 d。經(jīng)過整理得到2019年7—9月份安山煤礦所在區(qū)域降雨量曲線圖(圖16)。

圖16 研究區(qū)降雨量Fig.16 Study area rainfall

2019年5—9月，125203工作面涌水量基本穩(wěn)定在31.7～36.5 m3/h(圖17)，在7—9月份礦井涌水量沒有發(fā)生大的變化，說明安山煤礦125203工作面菜溝溝道地表裂縫經(jīng)過分區(qū)治理后，有效地阻止了雨季地表溝道洪水潰入井下，沒有發(fā)生礦井水害，地表裂縫充填夯實(shí)措施經(jīng)受住了汛期洪水考驗(yàn)，菜溝溝道充填后的地表裂縫汛期在洪水過后地表也無裂縫可見。進(jìn)一步驗(yàn)證了地表裂縫“開挖—充填—夯實(shí)”措施是預(yù)防井田溝道地表水害的有效途徑。

圖17 礦井涌水量曲線Fig.17 Mine water flow

5 結(jié) 論

(1)通過對回采位置附近地表裂縫動態(tài)發(fā)育特征進(jìn)行研究，得到淺埋煤層開采不同區(qū)域地表裂縫存在一定的差異，但在同一地形條件下產(chǎn)生的地表裂縫其動態(tài)發(fā)育過程具有明顯的相似性。

(2)正向坡裂縫呈現(xiàn)出“開裂—穩(wěn)定”的動態(tài)規(guī)律，反向坡裂縫呈現(xiàn)出“開裂—閉合—穩(wěn)定”的動態(tài)規(guī)律;溝底裂縫呈現(xiàn)出“開裂—閉(半閉)合—再開裂—穩(wěn)定”的動態(tài)規(guī)律，且第1次“開裂—閉(半閉)合”過程中地表裂縫寬度峰值均明顯高于第2次開裂寬度值;坡體裂縫平均活動周期為3.70 d，溝底裂縫平均活動周期為5.25 d。

(3)針對回采后溝道地表裂縫治理提出了分區(qū)治理的模式。即基巖河道段可采用“河道開挖、裂縫充填、鋪設(shè)防水毯、三合土夯實(shí)、水泥加固”的治理模式，土質(zhì)河道段可采用“河道開挖、裂縫充填、鋪設(shè)防水毯、三合土夯實(shí)的治理模式，非河道段可采用一般的“開挖-回填-壓實(shí)”的治理模式。

(4)菜溝溝道治理工程實(shí)踐表明，本文提出的分區(qū)治理模式能夠有效預(yù)防溝道采動地表裂縫潰水水害，保證礦井安全生產(chǎn)。