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
【技术领域】
[0001]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
[0002]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尚程，提尚防洪效益。
[0003]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。
[0004]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(CN 103283335 B)，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(CN 103283335 B)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(CN 103283335 B)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。
[0005]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:(I)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】
[0006]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。
[0007]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:
[0008](I)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?lm，其中表土剥离厚度为0.2?0.5m，心土剥离厚度为O?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……，η进行编号；
[0009](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?0.5m,每一心土层厚度0.15?0.4m，每一泥沙层厚度0.2?lm，泥沙层k为2?4层，其中充填泥沙层的层数为k ;
[0010](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+Ι个充填条带作为一组同步交替充填条带；
[0011](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I?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；
[0012](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I或减I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；
[0013](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?Im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?Im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I?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?0.4m ;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交替充填完成；
[0014](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。
[0015]本发明优点和积极效果
[0016](I)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