黄河泥沙复垦采煤沉陷地交替多层多次充填土壤重构方法

摘要

本发明涉及黄河泥沙复垦采煤沉陷地交替多层多次充填土壤重构方法，属于矿山环境保护技术领域。该方法包括确定采煤沉陷地的土壤剥离厚度，将采煤沉陷地划分为规则的长方形充填条带。确定充填土壤重构剖面特征，进而确定充填条带的顺序和同步交替充填条带的个数。将邻近非本组充填条带作为同步交替充填条带的土壤剥离堆放区对一组同步交替充填条带进行土壤分层剥离，并堆放在相应子区。进行交替多层多次充填泥沙层-排水-覆盖心土层，待一组同步交替充填条带中每个充填条带均完成所有泥沙层和心土层的构造后，将表土回填覆盖并进行平整。本方法提高了重构剖面的保水保肥性，加速了泥沙层的土壤熟化，有利于作物的生长发育。

说明书

技术领域

本发明属于矿山环境保护技术领域，特别涉及高潜水位平原矿区黄河泥沙复垦采煤沉 陷地交替多层多次充填土壤重构方法。

技术背景

在中国东部高潜水位平原矿区，采煤沉陷后积水严重，有些地区的地面积水面积达到 沉陷面积的50％以上，积水超过20m(肖武，采区地表动态沉陷模拟与复垦耕地率分析， 2013)。此类地区土地复垦问题一直是中国多方学者的研究重点，中国土地复垦自20世纪 80年代起步以来，发展十分迅速，针对此类地区提出了挖深垫浅、煤矸石充填、粉煤灰充 填等许多实用的复垦技术，但该类地区人多地少的矛盾并没有得到很好的解决。其中，挖 深垫浅复垦技术，恢复的耕地面积较少；煤矸石或粉煤灰充填复垦需要大量的充填材料， 充填后可能引起二次污染，并且随着矿区煤矸石和粉煤灰等资源化利用，并不能提供足够 的充填材料。中国部分矿区近年来对于湖泥充填采煤沉陷地进行了一些尝试，取得了一些 成果，但其使用范围有限，仅限于有湖泥资源的矿区，且使用该技术复垦后的土地底部淤 泥层厚，容易形成沼泽，排水固结时间也比较长，充填复垦后两三年才能耕种。中国对于 黄河下游淤背固堤的研究已经有50多年的历史，国内学者对于引黄灌区沉沙池泥沙覆淤 还耕模式、泥沙农田化处理技术等方面进行了相关研究。利用部分采煤沉陷地靠近黄河的 优势，利用黄河泥沙充填采煤沉陷地是一种行之有效的方法，其不仅能最大限度的恢复耕 地，缓解中国东部高潜水位平原矿区人多地少的矛盾，还能有效地利用黄河水沙资源，有 利于降低黄河河床高程，提高防洪效益。

黄河泥沙充填采煤沉陷地以恢复耕地为最终目的，其核心内容是土壤重构，而土壤重 构的关键内容是土壤剖面重构(胡振琪，矿山复垦土壤重构的概念与方法，2005)，其对 水分运行及其他肥力因素都有影响，是检验复垦成败的主要标准，因此重构优良的土壤剖 面至为重要。土壤剖面重构的关键问题是土壤和泥沙测分布层次，其直接与重填工艺相关。 我国部分矿区对黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地进行了一些尝试，但是直接充填覆土形成了 典型的“上粘下砂”型剖面，充填的砂土层易于漏水漏肥，后期对作物水分和养分供应不 足，造成农作物发育不良，产量较差；并且部分区域由于覆盖土壤不足，造成后期耕作过 程中黄河泥沙上移，与原有土壤进行混合，加剧了该区域的不保水保肥性。

针对黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地复耕方法，本申请人提出过“黄河泥沙复垦采煤沉 陷地的充填复耕方法”专利(CN103283335B)，但其仅适用于充分长的条带，以保证黄 河泥沙具有足够的路径进行沉淀，并不适用于精细充填的短条带。“黄河泥沙复垦采煤沉 陷地的充填复耕方法””专利(CN103283335B)采用连续充填方式，黄河泥沙一次充填完 成，形成的是“上粘下砂”型剖面，并不利于农作物耕种和形成高产良田。“黄河泥沙复垦 采煤沉陷地的充填复耕方法”专利(CN103283335B)排水后采用土工布阻挡措施，在连 续充填过程中持续排水，起到了一定阻隔黄河泥沙排走清水的目的，但是还是有部分黄河 泥沙中自带的粘粒和粉粒被排走。

总体来看，现有的近距离引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的技术还存在以下不足：(1) 仅适用于充分长的充填条带，当充填条带较短时，黄河泥沙没有足够长的沉淀路径，造成 排水中黄河泥沙增多，增加了排水出口土工布等挡沙措施的负担；(2)现有的黄河泥沙直 接充填覆土工艺，形成了典型的“上粘下砂”型剖面，保水保肥性差，不利于作物生长； (3)现有的黄河泥沙直接充填覆土工艺，采用连续充填过程中持续排水方式，流失了黄 河泥沙中自带的部分粘粒和粉粒；(4)现有的黄河泥沙直接充填覆土工艺，造成黄河泥沙 充填层过厚，排水固结时间过长，黄河泥沙充填层中深层的水分迟迟不能排走，延长了复 垦时间。

发明内容

本发明的目的是为解决上述难题，提出了一种黄河泥沙复垦采煤沉陷地交替多层多次 充填土壤重构方法，通过交替充填工艺，构造出更科学的多层结构的土壤剖面。

本发明提出的黄河泥沙复垦采煤沉陷地的充填复耕方法，其特征在于：

(1)确定待充填区域土壤剥离厚度、划分充填条带：根据采煤沉陷地的沉陷深度和 设计的待复垦标高，确定待充填土壤厚度：根据待充填土壤厚度和采煤沉陷地最大土壤剥 离厚度，确定采煤沉陷地的土壤剥离厚度，采煤沉陷地的土壤剥离厚度为0.5～1m，其中 表土剥离厚度为0.2～0.5m，心土剥离厚度为0～0.8m；根据沉陷地的耕种、排灌实际地貌 特征，以及土壤剥离机械条件和采煤沉陷地的土壤剥离厚度，将采煤沉陷地划分为规则的 长方形充填条带，充填条带尺寸为宽25-35m，长50～150m，并将条带按1,2,3,4……，n 进行编号；

(2)确定充填土壤重构剖面、泥沙充填次数及厚度：根据待充填土壤厚度、土壤剥 离厚度以及通过盆栽试验确定的复垦适宜夹心土的土壤结构，确定充填土壤重构剖面特征 从下到上为：泥沙层-心土层-泥沙层……心土层-表土层；各类层厚度为：表土层厚0.2～0.5 m,每一心土层厚度0.15～0.4m，每一泥沙层厚度0.2～1m，泥沙层k为2～4层，其中充填 泥沙层的层数为k；

(3)确定充填条带的顺序和同步交替充填条带的个数：采用隔带充填的方式，先充 填奇数编号的充填条带，再充填偶数编号的充填条带，或相反；选择k+1个充填条带作为 一组同步交替充填条带；

(4)确定土壤剥离堆放区：将一组同步交替充填条带的邻近非本组充填条带作为该 组同步交替充填条带的土壤剥离堆放区，堆放区由中部表土堆放子区，两侧心土堆放子区 组成；表土堆放子区高度为1～2.5m，心土堆放子区高度为2～4m构成心土坝；在邻近非 本组充填条带的心土堆放子区堆放心土前，心土堆放子区的表土也一并剥离堆放在本充填 条带的表土堆放子区中；若一组同步交替充填条带的邻近非本组充填条带为已充填复垦条 带，其条带两侧在表土回填施工过程中，空出未覆盖表土的区域作为该组同步交替充填条 带的心土堆放子区，其条带中间覆盖表土的区域作为该组同步交替充填条带的表土堆放子 区；

(5)同步交替充填条带的土壤分层剥离：对每一组同步交替充填条带进行表土、心 土的分层剥离：首先，将该组同步交替充填条带表土剥离，剥离厚度为0.2～0.5m，并将剥 离的表土堆放在邻近非本组编号加1或减1的充填条带中间的表土堆放子区上，并将该邻 近非本组充填条带心土堆放子区的表土也一并剥离堆放在其表土堆放子区上，采取保土措 施覆盖和种植肥土的草；然后将同步交替充填条带的心土剥离堆放在邻近非本组充填条带 的心土堆放子区，构成心土坝，用于后续的回填覆盖；

(6)对每组同步交替充填条带进行交替多层依次充填泥沙层-排水-覆盖心土层：对每 一组同步交替充填条带进行交替充填，先从第一个同步交替充填条带开始充填泥沙层，当 达到设定的泥沙层厚度0.2～1m后，开始充填第二个同步交替充填条带，当达到设定的泥 沙层厚度0.2～1m后，再进行下一个同步交替充填条带，如此进行，一直进行到第k+1个 同步交替充填条带；每一个同步交替充填条带充填完一层泥沙层后，保持1～3天的泥沙沉 淀时间，然后采用深排水沟加土工布的方式排水；充填的泥沙层排水干燥后，从邻近非本 组充填条带的心土堆放子区取土，按设计的心土层厚度覆盖心土，心土层厚度为0.15～0.4 m；每一个同步交替充填条带充填覆盖心土层完成后，再按相同方式进行下一层泥沙层的 充填，直到该组同步交替充填条带的每个充填条带交替充填完成；

(7)表土的回填：完成所有泥沙层和心土层的构造后，从邻近非本组充填条带的表 土堆放子区，运回表土进行回填覆盖和平整；待采煤沉陷地全部充填条带完成充填后，一 并平整。

本发明优点和积极效果

(1)可形成利于作物生长的多层次剖面：交替多层多次充填土壤重构方法，构成的 充填土壤重构剖面不再是“上粘下砂”型剖面，剖面中有多个土层的存在，提高了重构 剖面的保水保肥性，加速了泥沙层的土壤熟化，有利于作物的生长发育。

(2)有利于沉淀和保存黄河泥沙中富含营养的细颗粒(粘粒和粉粒)：交替多层多次 充填土壤重构方法，通过多个条带的交替充填，实现了在不影响充填效率的情况下，延长 了黄河泥沙沉淀的时间，有利于沉淀和保存部分黄河泥沙中富含营养的细颗粒(粘粒和粉 粒)。

(3)可进一步缩短复垦时间：通过一组同步交替充填条带内不同充填条带之间的交 替多层多次充填土壤重构方法，在充填的黄河泥沙层排水固结的时间内，可以对同组同步 交替充填条带中其他条带进行充填和覆土工作，从而缩短了整个复垦工期。

(4)有利于短条带的精细充填：当充填条带较短时，进行精细充填工作，黄河泥沙 分层沉淀排水，可减轻排水出口土工布等挡沙措施的负担。

附图说明

图1本发明方法流程框图。

图2应用本发明方法的实施例划分充填条带示意图。

图3应用本发明方法的实施例的充填土壤重构剖面示意图。

图4为本实施例的同步交替充填条带的土壤分层剥离和邻近非本组充填条带表土、心 土堆放子区示意图。

图5为本实施例已充填条带的表土回填示意图。

具体实施方式

本发明提出的黄河泥沙复垦采煤沉陷地交替多层多次充填土壤重构方法，结合附图及 实施例详细说明如下，本方法应用的实施例流程如图1所示，包括以下步骤：

(1)确定待充填区域土壤剥离厚度、划分充填条带：根据采煤沉陷地的沉陷深度和 设计的待复垦标高，确定待充填土壤厚度：根据待充填土壤厚度和采煤沉陷地最大土壤剥 离厚度，确定采煤沉陷地的土壤剥离厚度，采煤沉陷地的土壤剥离厚度一般为0.5～1m， 其中表土剥离厚度为0.2～0.5m，心土剥离厚度为0～0.8m；本实施例中，采煤沉陷地的沉 陷深度为0.9m，设计的待复垦标高为沉陷前的原标高，土壤剥离厚度为0.6m，其中表土 剥离厚度为0.3m，心土剥离厚度为0.3m。根据沉陷地的耕种、排灌等实际地貌特征，以 及土壤剥离机械条件和采煤沉陷地的土壤剥离厚度，将采煤沉陷地划分为规则的长方形充 填条带，一般充填条带尺寸为宽25-35m，长50～150m，并将条带按1,2,3,4……，n进行 编号；本实施例中，充填条带尺寸宽为30m，长为100m；如图2所示，划分出的充填条 带11编号为1、2、……、N，在充填条带周边修筑排水沟12、14和田间道路15，排水沟 12、14贯通，排水沟12、14和田间道路15交汇处修筑桥梁13。

(2)确定充填土壤重构剖面、泥沙充填次数及厚度：(为改变“上土下沙”的土壤结 构)根据待充填土壤厚度、土壤剥离厚度以及通过盆栽试验确定的复垦适宜夹心土的土壤 结构，确定充填土壤重构剖面特征从下到上为：泥沙层-心土层-泥沙层……心土层-表土层； 其中各类层厚度为：表土层厚0.2～0.5m,每一心土层厚度0.15～0.4m，每一泥沙层厚度 0.2～1m，泥沙层k为2～4层；本实施例中，k＝2，如图3所示，其充填土壤重构剖面特征 从下到上为：泥沙层25-心土层24-泥沙层23-心土层22-表土层21，表土层21厚度为0.3m， 心土层22、24厚度均为0.15m，泥沙层24厚度为0.3m，泥沙层25厚度为0.6m，本实 施例中泥沙采用黄河泥沙；

(3)确定充填条带的顺序和同步交替充填条带的个数：采用隔带充填的方式，先充 填奇数编号的充填条带，再充填偶数编号的充填条带，或相反；选择k+1个(奇数或偶数) 充填条带作为一组同步交替充填条带；本实施例中，先充填奇数编号的条带，如图4所示， k＝2，则取3个充填条带作为一组同步交替充填条带，即编号为1、3、5的充填条带作为 第一组同步交替充填条带，编号为2、4、6的充填条带作为第一组邻近非本组充填条带；

(4)确定土壤剥离堆放区：将一组同步交替充填条带的邻近非本组充填条带作为该 组同步交替充填条带的土壤剥离堆放区，堆放区由中部表土堆放子区，两侧心土堆放子区 组成；表土堆放子区高度为1～2.5m，心土堆放子区高度为2～4m，即构成心土坝；在邻近 非本组充填条带的心土堆放子区堆放心土前，心土堆放子区的表土也一并剥离堆放在本充 填条带的表土堆放子区中；若一组同步交替充填条带的邻近非本组充填条带为已充填复垦 条带，其条带两侧在表土回填施工过程中，空出未覆盖表土的区域作为该组同步交替充填 条带的心土堆放子区，其条带中间覆盖表土的区域作为该组同步交替充填条带的表土堆放 子区。本实施例中，第一组邻近非本组充填条带(2、4、6)为未充填复垦的条带，如图4 所示，其作为第一组同步交替充填条带(1、3、5)的土壤剥离堆放区，包括表土堆放子 区36，两侧心土堆放子区37，心土堆放子区37的表土一并剥离堆放在本充填条带表土堆 放子区36，表土堆放子区高度为1m，心土堆放子区的高度为2m；

本实施例的邻近非本组充填条带(2、4、6)中表土堆放子区36和两侧心土堆放子 区37的宽度确定具体方法如下：

(41)设每个充填条带的宽度为W，长度为L，其中表土堆放子区宽度为W₁，两侧 心土堆放子区宽度为W₂，土壤剥离厚度为d，其中表土剥离厚度为a，表土堆放子区和心 土堆放子区横切面均为一梯形，其自然倾斜角(安息角)取45°，表土堆放子区高度为 h₁，心土堆放子区高度为h₂；

(42)同步交替充填条带(1、3、5)的表土和邻近非本组充填条带(2、4、6)两侧 心土堆放子区上的表土，一并堆放在邻近非本组充填条带中部表土堆放子区，故其表土 堆放子区的宽度W₁＝(W+2W₂)*a/h₁+h₁；

(43)同步交替充填条带(1、3、5)的心土堆放在邻近非本组充填条带(2、4、6) 两侧心土堆放子区，构成心土坝，故心土堆放子区的宽度W₂＝W(d-a)/(2h₂)+h₂；

(44)充填条带的宽度W、表土堆放子区W₁和心土堆放子区W₂关系为W≥W₁+2W₂。

(45)本实施例中，W＝30m，L＝100m，d＝0.6m，a＝0.3m，h₁＝1，h₂＝2m，则W₁＝12.55m， W₂＝4.25m。

(5)同步交替充填条带的土壤分层剥离：对每一组同步交替充填条带进行表土、心 土的分层剥离，为充填泥沙做好准备：首先，将该组同步交替充填条带表土剥离，剥离厚 度为0.2～0.5m，并将剥离的表土堆放在邻近非本组充填条带(即本条带编号加1或减1的 充填条带)中间的表土堆放子区上，并将该邻近非本组充填条带心土堆放子区的表土也一 并剥离堆放在其表土堆放子区上，然后采取保土措施覆盖和种植肥土的草；然后将同步交 替充填条带的心土剥离堆放在邻近非本组充填条带的心土堆放子区，构成心土坝，用于后 续的回填覆盖，如图4所示，实现最优复垦效果；

(6)对每组同步交替充填条带进行交替多层依次充填泥沙层-排水-覆盖心土层：对每 一组同步交替充填条带进行交替充填，先从第一个同步交替充填条带开始充填泥沙层，当 达到设定的泥沙层厚度(0.2～1m)后，开始充填第二个同步交替充填条带，当达到设定的 泥沙层厚度(0.2～1m)后，再进行下一个同步交替充填条带，如此进行，一直进行到第 k+1个同步交替充填条带。如图4中31所示，每次充填过程都从充填条带32一端向排水 沟14方向进行充填。每一个同步交替充填条带充填完一层泥沙层后，保持1～3天的泥沙 沉淀时间，以保障泥沙中粘粒和粉粒沉淀。然后，采用深排水沟加土工布的方式排水，图 4所示，设置两个排水口33和土工布等挡沙屏障34，以尽快排出泥沙层中的水。充填的 泥沙层排水干燥后，从邻近非本组充填条带的心土堆放子区35取土，按设计的心土层厚 度覆盖心土，心土层厚度为0.15～0.4m；每一个同步交替充填条带充填覆盖心土层完成后 再按相同方式进行下一层泥沙层的充填，直到该组同步交替充填条带的每个充填条带完成 设计的充填土壤重构剖面，如图3所示。对每一组同步交替充填条带内各个充填条带进行 交替多层多次充填泥沙层-排水-覆盖心土层，一定要做好衔接，保障充填及时、排水迅速、 覆土到位，同时充填时要采取防止冲刷已复垦层面的措施，确保按设计的充填土壤重构剖 面特征构造；

本实施例对第一组1、3、5号同步交替充填条带进行交替多层多次充填泥沙层-排水- 覆盖心土层具体实施方法如下：

(61)充填1号同步交替充填条带的25泥沙层，当达到设定的泥沙层厚度0.6m后， 保持1～3天的泥沙沉淀时间，以保障泥沙中粘粒和粉粒沉淀。待其排水过程中，充填3号 同步交替充填条带的25泥沙层，当达到设定的泥沙层厚度0.6m后，待其排水过程中充填 5号同步交替充填条带的25泥沙层；

(62)实时监测1、3、5号同步交替充填条带已充填的25泥沙层，在其充分排水干 燥后，立即对24泥沙层进行平整，然后从邻近非本组充填条带的35心土堆放子区取土， 在25泥沙层上覆盖0.15m厚度24心土层，并进行平整；

(63)对(62)中已完成24心土层覆盖的同步交替充填条带采取防止冲刷的措施后， 进行23泥沙层的充填工作，然后保持1～3天的泥沙沉淀时间，以保障泥沙中粘粒和粉粒 沉淀。待其排水过程中，对25泥沙层已经充分排水干燥的本组中其他同步交替充填条带 进行覆盖24心土层和充填23泥沙层的工作；

(64)实时监测1、3、5号同步交替充填条带已充填的23泥沙层，在其充分排水干 燥后，立即对23泥沙层进行平整，然后从邻近非本组充填条带的35心土堆放子区取土， 在23泥沙层上覆盖0.15m厚度22心土层，并进行平整；

(65)重复(61)～(64)步骤，直至本组1、3、5号同步交替充填条带均完成22心 土层覆盖平整工作；

(7)表土的回填：对一组同步交替充填条带中每个充填条带按照步骤(6)交替多层 多次充填泥沙层-排水-覆盖心土层，完成所有泥沙层和心土层的构造后，从邻近非本组充 填条带的表土堆放子区，运回表土进行回填覆盖和平整，如图5所示；待采煤沉陷地全部 充填条带完成充填后，将多余的表土回填覆盖到缺少表土的区域，一并平整。