煤矿沉陷盆地的修复方法与流程

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深陷盆地的修复方法。

背景技术：

煤炭资源开发为我国经济发展做出了巨大贡献。近年来我国矿山环境问题凸显，资源开发与国计民生及矿山环境保护之间的矛盾逐渐激化。

自上世纪七十年代《人类环境会议》以来，矿山环境修复已成为国际上探讨的重要议题。许多矿业开发较早的发达国家，经过多年对矿山环境的摸索，逐步整理出资源开发与矿山环境保护协调发展的经验，重视矿山环境管理，强调以“管”代“治”。我国矿山环境修复工作开展多年来受到国家高度重视，2009～2013年中央财政在矿山地质环境修复方面投入经费逾210亿元。

我国矿山环境修复工作呈现扰动破坏因素多、机理复杂、问题类型多、分布面积广、修复难度大等特点。国内外专家学者采用分类法、统计法、认知法、管理法、地质建模、工程数值模拟和工程类比法等方法，从动力地质学、采矿工程学、工程地质学、环境地质学、灾害地质学、水文地质学等不同领域对矿山环境开展多学科研究。但是，我国目前在单项煤矿地质环境修复技术系统集成并根据煤矿地质环境条件形成煤矿沉陷盆地修复模式方面尚处于空白。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种煤矿深陷盆地的修复方法，以提高修复效果。

基于上述目的，本发明提供的煤矿沉陷盆地的修复方法包括以下步骤：

1)对沉陷盆地内存在的塌陷坑、台阶状变形、变形坡度较大的塌陷坑进行修复，以消除塌陷坑、附加坡度以及地表裂缝，从而使修复区域的地表形态与周边其他原有形态一致；

2)修复沉陷盆地后，利用煤矿固体废弃物对所述修复后的沉陷盆地进行密实充填，从而修复煤矿原有地表形态；

3)根据沉陷盆地的地理、地质条件，确定沉陷盆地适宜种植的林、草植被，建设人工草地和林地或者灌木林地。

在本发明的一些实施例中，所述修复方法还包括：

4)对土壤肥力缺乏或存有局部污染的沉陷盆地，通过向遭受污染的土壤投入污染物降解菌或接种丛枝菌根，以促进沉陷盆地修复区域植被的修复。

在本发明的一些实施例中，所述步骤1)包括：

对于深度小于等于5米的塌陷坑，将矸石回填至塌陷坑内，对于深度大于5米的塌陷坑，从该塌陷坑外边缘区域向坑底方向进行推土并回填塌陷坑作业，终止作业坡度与原沉陷盆地坡度夹角小于15°；

对于变形坡度较大的塌陷坑，将塌陷坑顺着变形趋势使塌陷坑坑壁放缓，将坑壁上的土推入盆地底部进行回填，沉陷盆地新边界与原沉陷盆地原始边界的夹角小于15°；

当此类地裂缝有明显竖向位移或垂直错动时，采用水泥浆充填的方法修复地裂缝，或者从垂直错动的台阶变形地裂缝的外边缘向地裂缝方向进行推土，使土被推入缝隙中，终止作业坡度与原沉陷盆地坡度夹角小于15°。

在本发明的一些实施例中，所述步骤2)包括：

剥离沉陷盆地修复区域内的表土，并向沉陷盆地的外边缘外延15～20m；

根据变形深度与盆地最大弦长比的不同将沉陷盆地分为I类为变形深度与盆地最大弦长比≥0.6、II类为变形深度与盆地最大弦长比0.1～0.6、III类变形深度与盆地最大弦长比＜0.1，I类沉陷盆地需3层及以上地表回填，II类沉陷盆地需2层及以上地表回填，III类沉陷盆地需1层以上地表回填；

使用水泥浆或者高水材料注入沉陷盆地边缘的裂缝以及回填矸石后的沉陷盆地边缘处的裂隙，充填至裂隙内可见充填材料液面；

在顶层回填层上进行表土重覆。

在本发明的一些实施例中，所述表土剥离深度为100～800mm。

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。

在本发明的一些实施例中，所述煤矿固体废弃物选自矸石、粉煤灰中的至少一种，其中所述矸石选自灰褐色矸石与红色矸石，其黑色矸石成分低于5％。

在本发明的一些实施例中，所述I类沉陷盆地至少分3层回填，底层回填矸石，厚度为总回填高度65％～70％，压实度85％～90％；中间层回填矸石与砂土的混合物，其中砂石含量28～35％，厚度为总回填高度15％～18％，压实度90％～93％；上层回填矸石、粘土的混合物，其中粘土含量50％～55％，厚度为总回填高度12％～15％，压实度80％～83％；

所述II类沉陷盆地至少分2层回填，底层回填矸石，厚度约为总回填高度72％～75％，压实度85％～88％；第二层回填矸石、砂土与粘土的混合物，厚度为总回填高度25％～28％，其中矸石含量50％～55％，压实度90％～92％；

所述III类沉陷盆地回填矸石、砂土与粘土的混合物，其中矸石含量70％～75％，压实度90％～92％。

在本发明的一些实施例中，对于尖灭式裂缝，直接注浆；对于贯通式裂缝，先使用矸石作为缝隙骨架充填，矸石直径不大于5cm，然后对矸石缝隙注浆至地表有稳定的浆液液面为止。

在本发明的一些实施例中，所述表土重覆步骤包括：

在顶层回填层上铺覆表层土壤重覆层，回填前剥离的表土需要多次分层重覆，至少3层重覆完成，总重覆厚度为200～400mm，沉陷盆地周边区域重覆表土逐渐变薄，直至与周围原始表土重合。

从上面所述可以看出，本发明提供的煤矿沉陷盆地的修复方法利用煤矿自身固废重塑并修复沉陷盆地修复区域矿山地质环境，与现有单项沉陷盆地修复技术相比，本发明显示了如下优点：有效修复煤矿沉陷盆地环境地质问题，有效改善煤矿生态环境；对表土层充分保护与利用，极大可能的修复原有地质环境；对沉陷盆地破坏土地的修复中体现了分层回填思路，人工重塑了被破坏的煤矿地质环境；能够有效的与后期煤矿生态修复构建“桥梁”，为后期生态修复提供保障。

附图说明

图1为本发明的实施例的煤矿沉陷盆地的Q类塌陷坑回填的剖视图；

图2为本发明的实施例的煤矿沉陷盆地的S类塌陷坑回填的剖视图；

图3为本发明的实施例的煤矿沉陷盆地的坡度放缓前后的剖视图；

图4为本发明的实施例的煤矿沉陷盆地的修复台阶变形地裂缝的剖视图；

图5为本发明实施例的煤矿沉陷盆地回填后的剖视图；

图6为本发明实施例的煤矿沉陷盆地的坡度放缓后回填的剖视图；

图7为本发明实施例的地裂缝矸石空隙修复的剖视图。

图中标号表述如下：1-底层回填层，2-中间回填层，3-顶层回填层，4-表层土壤重覆层；5-塌陷坑坑壁及塌陷坑坑底裂缝，6-塌陷坑回填部位，7-新旧地表界面的夹角，8-新地表界面，9-原沉陷盆地地表界面，10-台阶变形地裂缝。

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，以大雁二矿沉陷盆地的修复为例，大雁二矿(以下简称“二矿”)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。二矿于上世纪八十年代开始开采、已于2011年闭坑。二矿主要存在的矿山环境地质问题为沉陷盆地、排矸场堆放占地。二矿沉陷盆地下沉量约1.0～1.9m，按照竖向变形与盆地最大弦长比分类属I类。二矿沉陷盆地周边草场遭破坏，原起伏状地表形态严重破坏，301国道等主要交通干线破坏严重；二矿矿闭坑前主要废弃物类型为煤矸石，固废年产量约3万吨，电厂和砖厂每年利用约1万吨，剩余堆存于二矿排矸场，占地面积约0.39km²。

根据大雁二矿地质环境背景、矿产资源种类、开采方式及顶底板管理方式及开采沉陷类型，考虑到二矿已经闭坑且目前沉陷盆地已趋于稳沉状态，原有地表形态为低山丘陵，可采用本发明提供的煤矿沉陷盆地的修复方法进行修复，具体地，所述煤矿沉陷盆地的修复方法包括以下步骤：

1)对沉陷盆地内存在的塌陷坑、台阶状变形、变形坡度较大的塌陷坑等 区域进行地形修整，以消除塌陷坑、附加坡度、地表裂缝，从而使修复区域的地表形态与周边其他原有形态一致，同时达到利于机械化施工的目的。

①塌陷坑回填

参见图1，对于沉陷盆地发生区域内伴生的深度小于等于5米的塌陷坑(Q类塌陷坑)，可以利用小型运输机械(如卡车、小型拖拉机等)将矸石回填至塌陷坑内。最好采用分层夯实回填，回填至地表土底部的高程即可。最大单层回填厚度为50cm。如图1所示，5为塌陷坑坑壁及塌陷坑坑底裂缝，6为塌陷坑回填部位。

参见图2，对于深度大于5米的塌陷坑(S类塌陷坑)，可以利用推土机械(如铲车、挖车等)从该塌陷坑外边缘区域向坑底方向进行推土并回填塌陷坑作业，终止作业坡度与原沉陷盆地坡度夹角小于15°。如图2所示，6为塌陷坑回填部位，8为经推土后的新地表界面，9为原沉陷盆地地表界面，7为新旧地表界面的夹角。可选地，从该塌陷坑外边缘至推土最远的距离为该塌陷坑直径的2.5-3倍。

②放缓沉陷盆地的坡度

针对沉陷盆地内变形坡度较大的塌陷坑，可以将塌陷坑顺着变形趋势使塌陷坑坑壁放缓，参见图3，沉陷盆地新边界即为放缓后的坑壁。可以直接将坑壁上的土推入盆地底部进行回填。较佳地，沉陷盆地新边界与原沉陷盆地原始边界的夹角小于15°。需要说明的是，变形坡度较大的塌陷坑是指该沉陷盆地的坡度较陡峭，机器设备等不便于直接进入该沉陷盆地进行作业，因此，需要放缓该沉陷盆地的坡度。

③修复台阶变形地裂缝

参见图4，沉陷盆地周边发育地裂缝，该处地裂缝多呈线状或环状，当此类地裂缝有明显竖向位移或垂直错动(即形成台阶变形地裂缝10)时，可以采用水泥浆充填的方法修复地裂缝10，也可以利用推土机械(如铲车、挖车等)从垂直错动的台阶变形地裂缝10的外边缘向地裂缝10方向进行推土(终止作业坡度与原沉陷盆地坡度夹角小于15°)，使土被推入缝隙10中，达到修复地裂缝10的目的，以利于工程修复后生态修复工作开展。

2)修复沉陷盆地后，利用煤矿固体废弃物对所述修复后的沉陷盆地进行密实充填，从而修复煤矿原有地表形态。

具体地，该步骤2)可以进一步包括：

①沉陷盆地修复区域固体废弃物清运

沉陷盆地修复区域内若分布有因人类工程活动堆积残留的固体废弃物等，则需在地质环境修复工程主体开始前全部清运至设计堆放地区，设计堆放区域面积最大为原堆积面积1/3，清运过程中以及二次堆积场地需防止环境破坏。

②沉陷盆地修复区域表土剥离

剥离沉陷盆地修复区域内的表土，并向沉陷盆地的外边缘外延15～20m，表土剥离深度以100～600mm为宜，若表土厚度大于1000mm区域可剥离800mm。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。

③沉陷盆地区域勘查与分区

沉陷盆地区域通过勘查工作查明变形深度、变形坡度、变形区最大边长或弦长，在勘查工作利用白灰标记沉陷范围并在中心位置树立明显标志物。根据变形深度与盆地最大弦长比的不同将沉陷盆地分为：I类(≥0.6)、II类(0.1～0.6)、III类(＜0.1)。参见图5和图6，在本实施例中，I类沉陷盆地需3层及以上地表回填，即由底至顶依次回填底层回填层1、中间回填层2和顶层回填层3，II类沉陷盆地需2层及以上地表回填，即由底至顶依次回填中间回填层2和顶层回填层3，III类沉陷盆地需1层以上地表回填，即回填顶层回填层3。

可选地，所述煤矿固体废弃物选自矸石、粉煤灰中的至少一种。矸石筛分，回填矸石：矸石需分选、筛分后使用，优选灰褐色矸石与红色矸石，其中黑色矸石成分低于5％(质量百分比)。

I类沉陷盆地至少分3层回填，底层回填矸石，厚度为总回填高度65％～70％，压实度85％～90％；中间层回填矸石与砂土的混合物，其中砂石含量28～35％，厚度为总回填高度15％～18％，压实度90％～93％；上层回填矸石、粘土的混合物，其中粘土含量50％～55％，厚度为总回填高度12％～15％，压实度80％～83％。均以质量百分比计。

II类沉陷盆地至少分2层回填，底层回填矸石，厚度约为总回填高度 72％～75％，压实度85％～88％；第二层回填矸石、砂土与粘土的混合物，厚度约为总回填高度25％～28％，其中矸石含量50％～55％，压实度90％～92％。均以质量百分比计。

III类沉陷盆地回填矸石、砂土与粘土的混合物，其中矸石含量70％～75％，压实度90％～92％。均以质量百分比计。

此步骤的效果在于重塑地质环境结构，实现对修复区域地表水环境的修复，保障后期生态修复能有效实现。

④水泥浆或高水材料注入地裂缝矸石空隙

使用强度等级为M7.5的水泥砂浆或水泥混合砂浆或者高水材料(或者超高水材料)充填沉陷盆地边缘的裂缝以及回填矸石后的沉陷盆地边缘处的裂隙，充填至裂隙内可见稳定充填材料液面。

参见图7，充填裂缝分为尖灭式裂缝(A类裂缝)与贯通式裂缝(B类裂缝)两种，A类裂缝影响深度未达到采煤巷道顶板，对采煤作业不构成安全影响，A类裂缝修复可直接注浆，注浆至地表可见稳定的浆液页面为止。B类裂缝影响深度至采煤巷道顶板，B类裂缝注浆前使用矸石作为缝隙骨架充填，矸石直径不大于5cm，注浆至地表有稳定的浆液液面为止。

⑤表土重覆

参见图5和图6，沉陷盆地修复区域需重新铺覆表土，即在顶层回填层3上铺覆表层土壤重覆层4，回填前剥离的表土要多次分层重覆，至少3层重覆完成，总重覆厚度为300mm左右，沉陷盆地周边区域重覆表土可逐渐变薄，直至与周围原始表土完全重合。

3)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，确定沉陷盆地修复区域适宜种植的林、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，以内蒙地区及东北局部地区为例，随着经度变化，自东向西可以选择性种植：黑桦、榛灌丛、蒙古栎、大针茅、羊草、克氏针茅、小针茅、短花针茅、沙生针茅、蒿类、锦鸡儿类、珍珠柴、绵刺、红砂、梭梭、霸王等。

表1内蒙及东北局部地区沉陷盆地生态修复一览表

4)对土壤肥力缺乏或对土壤肥力缺乏或存有局部污染的沉陷盆地，如风积沙或者地下水严重破坏且降雨量小于50mm地区，可利用生物修复技术改良土壤。通过向遭受污染的土壤投入污染物降解菌(主要选用AM真菌)或接种丛枝菌根促进沉陷盆地修复区域植被的修复。

大雁二矿选用本发明提供的煤矿沉陷盆地的修复方法，旨在修复矿山及周边区域原有地表形态，有效利用煤矸石，减少固废堆积。二矿已闭坑多年，沉陷盆地已趋于稳定，地表形态修复工程后与原有地形比照，修整地形但保持塌陷后丘陵形态，基本看不出沉陷盆地的范围。

如上所述，本发明提供的煤矿沉陷盆地的修复方法具有以下有益效果：

(1)局部塌陷坑、地裂缝回填：二矿局部塌陷坑发育，利用二矿矸石按分区结果分层回填塌陷坑和地裂缝，局部地段塌陷坑用矸石回填后夯实，基本修复二矿原有地表形态。

(2)部分沉陷盆地修整：二矿地处高纬度地区，年降雨量较大，原始植被以草为主，对修复区域坡度和表土重覆厚度等根据破坏土地已有地表形态适当修复。对地面沉陷坡度较大的地带，在不改变原有主要地表形态的前提下，用矸石回填及外运土方放缓地形，对坑洼地带回填平整；对不利植被生长地段土壤改良，如缺乏重覆表土的矸石回填塌陷坑以及不利于播种牧草或种植树木等营养匮乏土地用熟土重覆。

(3)林、草地修复：利用林草混合种植法修复土地，保证矿区植被群落丰富和生态修复效果。

(4)形成一种集多种沉陷盆地修复技术于一体的煤矿沉陷盆地修复模式，其描述形式为“局部塌陷坑、地裂缝回填+沉陷盆地回填+土地平整修复+沉陷盆地区域生态修复”，可应用于类似的煤矿沉陷盆地修复。

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。