一种采煤黄土塌陷区地表裂缝修复的装置及方法 |
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| 申请号 | CN201611059689.0 | 申请日 | 2016-11-22 | 公开(公告)号 | CN106368207A | 公开(公告)日 | 2017-02-01 |
| 申请人 | 陕西省地质环境监测总站; | 发明人 | 范立民; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种采 煤 黄土塌陷区地表裂缝修复的装置及方法，在修复时，首先探测采煤工作面形成的所有地表裂缝的深度并判断类型；再向地表裂缝中充填填充物，再在地表裂缝处设置注浆管和 电极 ；再将 微 生物 菌液加入注浆管，同时将注浆管和电极之间通直流电；再将 营养液 加入注浆管；当地表裂缝被微生物菌液和营养液的混合 浆液 充满则停止注浆；当所注入的混合浆液固结后，在地表上面种植植被。本发明简单易实施，微生物注浆更加环保，电牵引可以使得微生物生成物分布更加均匀、微生物作为可再生的物质，可大规模、可持续使用，在不同采煤 位置 的裂缝使用不同的防治方法，避免了一种方法的局限性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种采煤黄土塌陷区地表裂缝修复的装置，其特征在于，包括微生物菌液罐(6)、营养液罐(7)、注浆泵(10)、直流电源(11)、若干个注浆管(4)和若干个电极(5)，微生物菌液罐(6)的出口与注浆泵(10)的入口连接，微生物菌液罐(6)的出口设有菌液浆液阀门(8)，营养液罐(7)的出口与注浆泵(10)的入口连接，营养液罐(7)的出口设有营养液阀门(9)，注浆泵(10)的出口与每个注浆管(4)连接，注浆管(4)与直流电源(11)的负极连接，电极(5)与直流电源(11)的正极连接。 |
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| 说明书全文 | 一种采煤黄土塌陷区地表裂缝修复的装置及方法【技术领域】 [0002] 我国黄土高原下埋藏的煤炭资源丰富，但煤层埋藏浅，生态环境脆弱，煤炭开采回造成大量的地裂缝，采煤地裂缝会造成漏风、漏水，还会造成浅表生态环境恶化水土流失，因此需要对地裂缝进行处理，达到防水、防漏风、改善生态环境的作用。目前，针对采煤地裂缝多会采用回填的方法或者注浆方法来处理采煤地裂缝。 [0003] 目前，对采煤黄土塌陷区地裂缝治理方法存在以下主要问题： [0004] 1)采用土体就地回填由于回填物胶结性较小，回填后的土仍然松散，特别是降水环境下易发生漏水，降水后水土流失也会在一定程度上发生，随着时间增加漏风、漏水，生态环境恶化仍然会发生。 [0005] 2)采用固体回填由于固体有一定的安息角，不能完全充满裂缝，会遗留隐蔽裂缝，这种结构面是环境恶化的主要发生部位。 [0007] 本发明为了解决上述问题，提供一种采煤黄土塌陷区地表裂缝修复的装置及方法，该装置结构简单，方法简单易实施，更加环保。 [0008] 本发明的具体方案如下： [0009] 一种采煤黄土塌陷区地表裂缝修复的装置，包括微生物菌液罐、营养液罐、注浆泵、直流电源、若干个注浆管和若干个电极，微生物菌液罐的出口与注浆泵的入口连接，微生物菌液罐的出口设有菌液浆液阀门，营养液罐的出口与注浆泵的入口连接，营养液罐的出口设有营养液阀门，注浆泵的出口与每个注浆管连接，注浆管与直流电源的负极连接，电极与直流电源的正极连接。 [0010] 所述注浆管和电极的个数相同。 [0011] 所述微生物菌液罐的出口和营养液罐的出口均设有流量计。 [0012] 一种采煤黄土塌陷区地表裂缝修复的方法，包括如下步骤； [0013] 步骤一，探测采煤工作面形成的所有地表裂缝的深度并判断类型； [0014] 步骤二，再向地表裂缝中充填填充物，再在地表裂缝处设置注浆管和电极，设置注浆管和电极的过程具体如下： [0015] 在非边界裂缝处设置注浆管和电极时，在平行于非边界裂缝平面走向一边布置一组注浆管，注浆管布置在边界裂缝高度较高一边，在平行于非边界裂缝平面走向另一边布置一组电极，电极顶端标高与注浆管相同； [0016] 在边界裂缝处设置注浆管和电极时，在平行于边界裂缝平面走向两边各布置一组注浆管，在边界裂缝中间布置一组电极，电极顶端标高与注浆管相同； [0017] 步骤三，再将微生物菌液加入注浆管，同时将注浆管和电极之间通直流电；再将营养液加入注浆管；当地表裂缝被微生物菌液和营养液的混合浆液充满则停止注浆，注入的微生物菌液和营养液在体积上相差不大于两者总量的10％； [0018] 步骤四，当所注入的混合浆液固结后，在地表上面种植植被。 [0019] 所述步骤二中，向地表裂缝中充填填充物时，其中，非边界裂缝内填充沙土，沙土中的沙体的颗粒粒径为0.05～0.25mm，土体黏粒含量大于80％，土体的总重量占总充填物的20％～30％； [0020] 向边界裂缝内填充沙体，沙体的颗粒粒径应小于充填裂缝三分之二深度的开度。 [0021] 所述的步骤二中，在非边界裂缝处设置注浆管和电极时，注浆管距离非边界裂缝的距离不大于0.5米，注浆管的深度比最大深度的非边界裂缝深2-5米，电极距离非边界裂缝的距离不大于0.5米。 [0022] 所述的步骤二中，在边界裂缝处设置注浆管和电极时，注浆管距离边界裂缝的距离不大于0.5米，注浆管的深度比最大深度的边界裂缝深2-5米。 [0023] 所述步骤三中，所述微生物菌液为巴氏芽孢杆菌，营养液为尿素和CaCl2溶液。 [0024] 所述步骤三中，注浆管和电极之间的电流不大于100mA。 [0025] 所述步骤三中，注浆管和电极之间的电流为10-100mA。 [0026] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果： [0027] 本发明采用电牵引微生物注浆修复采煤黄土塌陷区的地裂缝，先探测采煤工作面形成的所有地表裂缝的深度并判断类型；再向地表裂缝中充填填充物，再在地表裂缝处设置注浆管和电极，在在非边界裂缝处设置注浆管和电极时，在平行于非边界裂缝平面走向一边布置一组注浆管，注浆管布置在边界裂缝高度较高一边，在平行于非边界裂缝平面走向另一边布置一组电极，电极顶端标高与注浆管相同；在边界裂缝处设置注浆管和电极时，在平行于边界裂缝平面走向两边各布置一组注浆管，在边界裂缝中间布置一组电极，电极顶端标高与注浆管相同；设置完注浆管和电极后，电极与直流电源的正极连接，注浆管与直流电源的负极连接，再打开菌液浆液阀门，用注浆泵将微生物菌液罐中的微生物菌液泵入注浆管内，同时通过直流电源给注浆管和电极之间通直流电，然后再关闭菌液浆液阀门，打开营养液阀门，用注浆泵将营养液罐中的营养液泵入注浆管内，注入的微生物菌液和营养液在体积上相差不大于两者总量的10％，由于微生物菌液带负电，通上直流电在电泳和电渗作用下会向正极移动，遇到充填的沙体会附着，而营养液中阳离子带正电会向负极移动，容易在充填的沙体上与微生物菌液反应生产胶结物，最终将充填的松散沙体胶结成为一个整体，胶结的整体有强度可以抗风化和水土流失；另外，裂缝中掺入的土体有抗渗性能，可加大防风和防水的效果；由于该过程没有有毒物质添加，反应过程也没有有毒物质伴生，且微生物反应到一定程度会自行灭活，对环境没有污染； [0028] 待所注入的微生物菌液和营养液的混合浆液固结后，在地表上面种植植被，防止采煤工作面的漏风、漏水，发生火灾和水害，防止地表生态环境恶化。 [0029] 进一步的，向地表裂缝中充填填充物时，其中，非边界裂缝内填充沙土，沙土中的沙体的颗粒粒径为0.05～0.25mm，土体黏粒含量大于80％，土体的总重量占总充填物的20％～30％；向边界裂缝内填充沙体，沙体的颗粒粒径应小于充填裂缝三分之二深度的开度，因此保证了沙土能够充分填充地表裂缝。 [0030] 进一步的，在非边界裂缝处设置注浆管和电极时，注浆管距离非边界裂缝的距离不大于0.5米，电极距离非边界裂缝的距离不大于0.5米，使得在电牵引过程中能快速填充在非边界裂缝，并能够在非边界裂缝宽度方向的一定区域内也填充有微生物菌液和营养液的混合浆液，注浆管的深度比最大深度的非边界裂缝深2-5米，保证了非边界裂缝在沿着其深度方向叶背充分的填充了，因此修复后非边界裂缝处的抗渗、抗压、防漏风、防水土流失的效果好；在边界裂缝处设置注浆管和电极时，注浆管距离边界裂缝的距离不大于0.5米，注浆管的深度比最大深度的边界裂缝深2-5米，其效果同非边界裂缝处的效果。 [0031] 进一步的，微生物菌液为巴氏芽孢杆菌，营养液为尿素和CaCl2溶液，巴氏芽孢杆菌是一种土壤中常见的微生物，其高产脲酶，产生的高活性的脲酶可以将尿素水解生产NH4+2- 2- 2+ 和CO3 ，短时间产生的大量的CO3 与营养液7中的Ca 产生方解石沉降，生成的方解石胶结砂体有更好的抗渗、抗压、防漏风、防水土流失的作用，由于巴氏芽孢杆菌菌液带负电，通上直流电在电泳和电渗作用下会向正极移动，遇到充填的沙体会附着，而营养液中Ca2+带正电会向负极移动，容易在充填的沙体上与微生物菌液反应生产胶结物，最终将充填的松散沙体胶结成为一个整体，胶结的整体有强度可以抗风化和水土流失，反应过程没有有毒物质伴生，且巴氏芽孢杆菌反应到一定程度会自行灭活，对环境没有污染，且残余的尿素为植被常用的肥料，可以直接适合的植被进一步加固黄土塌陷区。 [0032] 进一步的，注浆管和电极之间的电流不大于100mA，因此能够保证微生物菌液中微生物的活性，进一步能够保证修复效果。 [0033] 本发明简单易实施，微生物注浆更加环保，电牵引可以使得微生物生成物分布更加均匀、微生物作为可再生的物质，可大规模、可持续使用，在不同采煤位置的裂缝使用不同的防治方法，避免了一种方法的局限性。【附图说明】 [0034] 图1是本发明的流程图； [0035] 图2是采煤工作面裂缝发育示意图； [0036] 图3是本发明的非边界裂缝治理平面示意图； [0037] 图4是本发明的边界裂缝治理平面示意图。 [0038] 图中：1、采煤工作面，2、非边界裂缝，3、边界裂缝，4、注浆管，5、电极，6、微生物菌液罐，7、营养液罐，8、菌液浆液阀门，9、营养液阀门，10、注浆泵，11、直流电源。【具体实施方式】 [0039] 下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。 [0040] 如图3和图4所示，本发明的一种采煤黄土塌陷区地表裂缝修复的装置，包括微生物菌液罐6、营养液罐7、注浆泵10、直流电源11、若干个注浆管4和若干个电极5，微生物菌液罐6的出口与注浆泵10的入口连接，微生物菌液罐6的出口设有菌液浆液阀门8，营养液罐7的出口与注浆泵10的入口连接，营养液罐7的出口设有营养液阀门9，注浆泵10的出口与每个注浆管4连接，注浆管4与直流电源11的负极连接，电极5与直流电源11的正极连接。 [0042] 本发明还在微生物菌液罐的出口和营养液罐的出口均设至流量计，通过设置流量计能够准确的计量向注浆管4中加入的微生物菌液和营养液的量。 [0043] 如图1至图4所示，本发明的一种采煤黄土塌陷区地表裂缝修复的方法，包括下述步骤： [0044] 步骤一：对采煤工作面1形成的所有地表裂缝的深度进行观测； [0045] 步骤二：如图2所示，将地表裂缝分为两类，一类为边界裂缝3，采煤工作面1两巷、开切眼和收作线垂直投影到地面以外区域的地裂缝即为边界裂缝3，剩余的裂缝为非边界裂缝2； [0046] 步骤三：对非边界裂缝2和边界裂缝3采用不同的方法注浆： [0047] 对非边界裂缝2，采用以下步骤进行注浆： [0048] 首先，非边界裂缝2内用沙土充填，沙体就地取材，其颗粒粒径为0.05～0.25mm，土体黏粒含量大于80％，土体的总重量占总充填物的20％～30％； [0049] 其次，如图2所示，在平行于非边界裂缝2平面走向一边布置一组注浆管4，其中注浆管4距离边界裂缝2距离不大于0.5米，注浆管4布置在边界裂缝2高度较高一边，注浆管4的深度比非边界裂隙2的深度深2-5米； [0050] 再次，在平行于非边界裂缝2平面走向另一边布置一组电极5，其中电极5距离边界裂缝2的距离不大于0.5米，电极顶端标高应与注浆管4相同； [0051] 接着，打开菌液浆液阀门8，用注浆泵10将微生物菌液罐6中的微生物菌液泵入注浆管4内，同时将注浆管4和电极5之间通直流电，其中，微生物菌液为耐受高钙离子浓度、耐受电流的巴氏芽孢杆菌，此外，注浆管4连接直流电源11的负极，电极5连接直流电源11的正极，且注浆管4与电极5之间的电流不大于100mA，优选的为10-100mA； [0052] 然后，关闭菌液浆液阀门8，打开营养液阀门9，用注浆泵10将营养液泵入注浆管4内，同时，其中，营养液7为尿素和CaCl2溶液，此外，注浆管4与电极5之间的电流不大于100mA，优选的为10-100mA； [0053] 最后，注入的微生物菌液和营养液在体积上相差不大于两者总量的10％，且非边界裂缝2被混合浆液充满则停止注浆； [0054] 对于边界裂缝3，采用以下步骤进行注浆： [0055] 首先，将边界裂缝3内用沙体充填，沙体就地取材，颗粒粒径应小于充填裂缝三分之二深度的开度； [0056] 其次，如图4所示，平行于边界裂缝3平面走向两边各布置一组注浆管4，其中注浆管4距离边界裂缝3距离不大于0.5米，注浆管4的深度比边界裂隙3的深度深2-5米； [0057] 再次，边界裂缝3中间布置一组电极5，电极顶端标高应与注浆管4相同； [0058] 接着，打开所有菌液浆液阀门8，用注浆泵10将微生物菌液罐6中的微生物菌液泵入注浆管4内，同时将注浆管4和电极5之间通直流电，其中，微生物菌液为耐受高钙离子浓度、耐受电流的巴氏芽孢杆菌，此外，注浆管4连接直流电源11的负极，电极5连接直流电源11的正极，且注浆管4与电极5之间的电流不大于100mA，优选的为10-100mA； [0059] 然后，关闭所有菌液浆液阀门8，打开所有营养液阀门9，用注浆泵10将营养液罐7中的营养液泵入注浆管4内，其中，营养液为尿素和CaCl2溶液，此外，注浆管4和电极5之间的电流不大于100mA，优选的为10-100mA； [0060] 最后，注入的微生物菌液和营养液在体积上相差不大于两者总量的10％，且边界裂缝3被混合浆液充满则停止注浆； [0061] 步骤四：所注入的混合浆液固结后，在地表上面种植植被，防止采煤工作面1的漏风、漏水，发生火灾和水害，防止地表生态环境恶化。 [0062] 本发明的运行原理： [0063] 微生物菌液为巴氏芽孢杆菌是一种土壤中常见的微生物，其高产脲酶，产生的高活性的脲酶可以将尿素水解生产NH4+和CO32-，短时间产生的大量的CO32-与营养液中的Ca2+产生方解石沉降。由于微生物菌液带负电，通上直流电在电泳和电渗作用下会向正极移动，遇到充填的沙体会附着，而营养液中Ca2+带正电会向负极移动，容易在充填的沙体上与微生物菌液反应生产胶结物，最终将充填的松散沙体胶结成为一个整体，胶结的整体有强度可以抗风化和水土流失。另外，其中掺入的土体有抗渗性能，可加大防风和防水的效果。由于该过程没有有毒物质添加，反应过程也没有有毒物质伴生，且微生物反应到一定程度会自行灭活，对环境没有污染，且残余的尿素为植被常用的肥料，可以直接适合的植被进一步加固黄土塌陷区。 [0064] 实施例： [0065] 黄土高原一煤矿开采2-2号煤，其中一个2203号工作面开采形成了大量的地表裂缝，采用以下步骤对这些裂隙进行了修复： [0066] 步骤一：对2203号采煤工作面形成的所有地表裂缝的深度进行观测，地表裂缝深度为0.1米～2.8米。 [0067] 步骤二：对地表裂缝分为两类，一类为边界裂缝3，采煤工作面1两巷、开切眼和收作线垂直投影到地面以外区域的地裂缝，有11条，剩余的裂缝为非边界裂缝2，有38条； [0068] 步骤三：对非边界裂缝2和边界裂缝3采用不同的方法注浆。 [0069] 对非边界裂缝2，采用以下步骤进行注浆： [0070] 首先，非边界裂缝2内用沙土充填，沙体就地取材，颗粒粒径0.05～0.25mm，土体黏粒含量大于80％，土体的总重量占总充填物的20％～30％； [0071] 其次，平行于非边界裂缝2平面走向一边布置一组注浆管4，其中注浆管4距离边界裂缝2距离不大于0.5米，注浆管4布置在边界裂缝2高度较高一边，注浆管4的深度比非边界裂隙2的深度深2-5米； [0072] 再次，平行于非边界裂缝2平面走向另一边布置一组电极5，其中电极5距离边界裂缝2距离为0.3-0.5米，电极顶端标高与注浆管4相同； [0073] 接着，打开菌液浆液阀门8，用注浆泵10将微生物菌液泵入注浆管4内，同时将注浆管4和电极5之间通直流电，其中，微生物菌液为耐受高钙离子浓度、耐受电流的巴氏芽孢杆菌，此外，注浆管4连接电源11的负极，电极5连接电源11的正极，且注浆管4和电极5之间的电流为10-100mA，。 [0074] 然后，关闭菌液浆液阀门8，打开营养液阀门9，用注浆泵10将营养液泵入注浆管4内，，其中，营养液7为尿素和CaCl2溶液，此外，注浆管4和电极5之间的电流不为10-100mA； [0075] 最后，注入的微生物菌液和营养液在体积上相差不大于两者总量的10％，且非边界裂缝2被混合浆液充满则停止注浆； [0076] 对边界裂缝3，采用以下步骤进行注浆： [0077] 首先，边界裂缝3内用沙体充填，沙体就地取材，颗粒粒径应小于充填裂缝三分之二深度的开度； [0078] 其次，平行于边界裂缝3平面走向两边各布置一组注浆管4，其中注浆管4距离边界裂缝3距离不为0.3-0.5米，注浆管4的深度比边界裂隙3的深度深2-5米； [0079] 再次，边界裂缝3中间布置一组电极5，电极顶端标高与注浆管4相同； [0080] 接着，打开所有菌液浆液阀门8，用注浆泵10将微生物菌液6泵入注浆管4，同时将注浆管4和电极5之间通直流电，其中，微生物菌液为耐受高钙离子浓度、耐受电流的巴氏芽孢杆菌，此外，注浆管4和电极5之间的电流为10-100mA， [0081] 然后，关闭所有菌液浆液阀门8，打开所有营养液阀门9，用注浆泵10将营养液泵入注浆管4内，其中，营养液7为尿素和CaCl2溶液，此外，注浆管4和电极5之间的电流为10-100mA； [0082] 最后，注入的微生物菌液和营养液在体积上相差不大于两者总量的10％，且边界裂缝3被混合浆液充满则停止注浆； [0083] 步骤四：待所注入的混合浆液固结后，在地表上面种植植被，2203号采煤工作面漏风量较地裂缝处理前降低82％，同期矿井涌水量减少77％，没有发生矿井自燃火灾和矿井水害，地表生态环境在地裂缝处理后有所改善。 |
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