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小型塌陷坑的修复方法。
背景技术：
煤炭资源是我国重要的动力能源之一，在我国经济建设中发挥着重要的支柱作用。几十年来煤炭资源高强度的开采，对矿山及其周边的矿山环境产生了严重的影响。随着开采技术的进步，矿山环境问题的发生速度和规模都超出了环境的承载能力，越来越多的矿山环境问题突显。
煤炭开采改变了煤矿区原有的地质环境系统，开采沉陷问题、矿山次生地质灾害、含(隔)水层结构破坏问题、固体废弃物问题等矿山环境地质问题直接或间接的威胁着矿山生产安全与矿区居民生活状况。以开采沉陷问题为例，具有明显的群发性和突发性特点，严重破坏了矿区内的景观环境，对矿区生产安全产生极大隐患。
开采沉陷问题中，塌陷坑是一种常见的开采沉陷表现形式，该问题在井工开采矿山普遍存在，造成大量土地资源破坏、环境资源破坏以及水资源破坏。因此，寻求有效治理塌陷坑、修复矿山环境的方法就具有重要意义。
以内蒙古自治区平庄矿区红庙煤矿为例，1990年至2000年间该煤矿塌陷区共发生塌陷坑122个，塌陷坑深度1.2～15.9m，坑口直径8.5～201.5m不等，仅塌陷坑影响面积约3.84km2。目前，我国对煤矿塌陷坑的治理工作仍缺少专门性的研究，寻求针对于煤矿塌陷坑的修复方法对修复我国矿山环境以及保障人民公共安全有重要意义。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种煤矿小型塌陷坑的修复方法，以提高矿山环境地质问题的修复效果。
基于上述目的，本发明提供的煤矿小型塌陷坑的修复方法包括以下骤：
根据煤矿小型塌陷坑内是否有积水，判断所述塌陷坑类型为破裂型塌陷坑或者密闭型塌陷坑，对破裂型塌陷坑或者密闭型塌陷坑分别进行修复；
将固废材料充填至所述煤矿小型塌陷坑内；
对充填后的煤矿小型塌陷坑进行地表土重覆；
根据煤矿小型塌陷坑所在区域的地理、地质条件，以修复区域周边适宜种植的林、草植被为依据，建设人工草地、林地或者灌木林地。
在本发明的一些实施例中，所述对密闭型小型塌陷坑进行修复的步骤包括：
对有积水的小型塌陷坑的坑内积水进行抽水；
挖出坑底的积水表土进行翻晒；
将翻晒后的表土回填至坑底。
在本发明的一些实施例中，在翻晒积水表土时，向积水表土中加入粉煤灰进行混合，将混合后的表土回填至坑底。
在本发明的一些实施例中，挖出坑底30～50cm高度的积水表土至地表进行翻晒和/或加入粉煤灰。
在本发明的一些实施例中，对破裂型小型塌陷坑进行坑底注浆的步骤包括：先将胶体浆料注入到坑底裂缝内，再将胶体浆料注入到坑壁裂缝内，直至裂缝表面有稳定的浆液液面为止，以使裂缝密实注浆。
在本发明的一些实施例中，在坑底裂缝上均匀地设置多个坑底裂缝注浆孔，在坑壁裂缝上均匀地设置多个坑壁裂缝注浆孔，通过这些注浆孔对坑底裂缝、坑壁裂缝进行多次、多点注浆。
在本发明的一些实施例中，所述将固废材料充填至所述煤矿小型塌陷坑内的步骤包括：
采用固废材料充填至小型塌陷坑内，每回填20～30cm夯实一次；
充填高程至地表高程下15～20cm；
最后一层需使用机械夯实，且每次夯沉量小于5cm。
在本发明的一些实施例中，还包括：
对小型塌陷坑坑内以及坑周边的地表杂物进行清理；
剥离小型塌陷坑周边的表土。
在本发明的一些实施例中，剥离表土范围为塌陷坑周边30～40m，剥离深度为40～60cm。
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。
从上面所述可以看出，本发明提供的煤矿小型塌陷坑的修复方法利用煤矿自身固废配合注浆修复煤炭矿山环境地质问题，与现有技术相比，本发明显示了如下优点：根据塌陷坑内是否存在积水划分小型塌陷坑类型，确定塌陷坑坑底不同的施工方法，保障坑底密闭效果，保障小型塌陷坑修复工程质量；通过挖出、翻晒、混入粉煤灰等方法调整有积水塌陷坑坑底表土，保障塌陷坑坑底土密闭效果；通过对发育在坑底和坑壁的裂缝注入胶体材料，封闭裂缝，防止坑底与地下井巷联通，保障坑底密闭效果。可见，本发明提供的修复方法有效改善煤矿生态环境；体现了对表土层充分保护与利用，极大可能的修复原有矿山地质环境；从塌陷坑发生机制的角度科学的修复煤矿小型塌陷坑，有效地保障井下煤炭开采工作安全；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密闭型煤矿小型塌陷坑修复的剖视图；
图2为本发明的实施例的破裂型煤矿小型塌陷坑修复的剖视图；
图3为本发明的实施例的破裂型煤矿小型塌陷坑坑底注浆平面图。
图中标号表述如下：1-塌陷坑，2-抽水泵，3-密闭型沉陷盆地地表，4-积水；5-翻晒区(坑底积水表土)，6-破裂型沉陷盆地地表，7-坑壁裂缝，8-无裂缝区，9-坑底裂缝，10-坑底裂缝注浆孔，11-坑壁裂缝注浆孔。
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，以内蒙古宝日希勒矿区某矿山煤矿小型塌陷坑回填修复为例。宝日希勒某矿山位于陈旗煤田，行政区划隶属于呼伦贝尔市陈巴尔虎旗宝日希勒镇。矿区属大陆性亚寒带气候，位于莫尔格勒河左岸二级阶地上，土壤类型为黑钙土，厚度一般大于0.5m。矿区内地貌类型属丘陵地貌，地势东北高而南西低。矿区内地层由老至新有：白垩系下统扎赉诺 尔群大磨拐河组和第四系。矿区内生态环境为草原，地表腐植土层薄，加之常年干旱少雨，生态环境较为脆弱。
宝日希勒矿区开发始于1980年，至今已有30年历史。矿区内小煤窑数量达218个，上世纪的小煤窑开采使得煤炭开采区域内发育有大量的煤矿小型塌陷坑，这些塌陷坑密集分布，呈“筒状”发育，直径1～15m，深1.5～5m，属于小型塌陷坑。
根据宝日希勒矿区地质环境背景、矿产资源种类、开采方式及顶底板管理方式及煤矿小型塌陷坑的发育情况，考虑到该矿山小型塌陷坑密集发育且已趋于稳沉状态，可采用本发明提供的煤矿小型塌陷坑的修复方法进行修复，具体地，所述煤矿小型塌陷坑的修复方法包括以下步骤：
1)对煤矿塌陷坑规模进行区分，确定塌陷坑为小型塌陷坑，以小型塌陷坑为本发明的修复对象。
具体地，在本发明的一个较佳实施例中，该步骤可以具体包括：通过实地进行煤矿塌陷坑修复场区的勘查工作，获知煤矿塌陷坑的分布区域、分布数量、发育规模等发育情况，选取小型塌陷坑作为修复对象。
一般地，塌陷坑在地表呈现近似圆形，统计塌陷坑直径时，可根据测量得到的塌陷坑最大弦长作为该塌陷坑的直径，将直径小于等于38～42m的煤矿塌陷坑作为小型塌陷坑。其余形状的塌陷坑则可以根据面积确定，在很多区域塌陷坑呈现近似四边形或不规则长条状，可人工测绘出塌陷坑发育示意图，在图上根据发育形状计算塌陷坑的面积，将面积小于等于1450～1550m2塌陷坑作为小型塌陷坑。
较佳地，该步骤还包括：根据所述煤矿塌陷坑的发育情况绘制煤矿塌陷区域内的煤矿小型塌陷坑分布示意图及立体剖面图，以便于开展煤矿小型塌陷坑的修复工程。
需要说明的是，若煤矿小型塌陷坑呈近圆形发育，但在地表呈现串珠状发育，亦可将密集发育的串珠状塌陷坑发育区域作为煤矿小型塌陷坑，以单坑为修复对象，逐一进行修复。
2)对小型塌陷坑坑内以及坑周边的地表杂物进行清理。
具体地，在发明的另一个实施例中，该步骤2)可以进一步包括：
清理小型塌陷坑内的杂草、垃圾、固废等地表杂物，将其清运至修复区域设置的专门堆放区域，清运过程中以及堆积场地需防止二次环境破坏。具 体的，该步骤可采用人工清理的方法进行施工，施工中必须对坑下人员设置安全防护措施，防止施工中塌陷坑坑底塌陷。
清除小型塌陷坑周边分布的因采煤活动堆积残留的矸石堆、废石堆、粉煤灰堆、生活垃圾等地表杂物，清运至矿山垃圾场或场区内专门堆放区域，清运过程中以及堆积场地需防止二次环境破坏。清运过程要提前规划好清运路线，防止对修复区地表土壤造成破坏。
3)剥离小型塌陷坑周边的表土。
在本发明的一个较佳实施例中，剥离植被相对发育区域的表土，表土运送至专门设定区域妥善保存。剥离表土范围为塌陷坑周边30～40m范围的表土，剥离深度需根据取土地地表熟土的实际深度确定，一般剥离深度为40～60cm，最小深度不少于30cm。剥离表土的施工过程可采用人工方法或机械方法，如采用机械方法建议使用反铲挖掘机，不推荐使用履带式推土机械等重型施工机械。
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。
4)根据煤矿小型塌陷坑内是否有积水，判断所述塌陷坑类型为破裂型塌陷坑或者密闭型塌陷坑，对破裂型塌陷坑或者密闭型塌陷坑分别进行修复。
本发明通过对煤矿小型塌陷坑内是否有积水划分塌陷坑类型为破裂型塌陷坑和密闭型塌陷坑。破裂型塌陷坑表现为：坑底通常破裂不平整，坑壁四周有裂缝发育，坑底可呈现破裂状或平底状，如图2所示；密闭型塌陷坑表现为：坑底通常平整，坑底无裂缝发育，坑内有积水，如图1所示。
作为本发明的一个实施例，所述对密闭型小型塌陷坑进行修复的步骤包括：对有积水的小型塌陷坑的坑内积水进行抽水，然后翻晒坑底积水表土，和/或者向所述积水表土中加入粉煤灰，翻晒或者混合后的表土用于回填坑底。
在清理塌陷坑坑内的杂物后，需要对有积水的小型塌陷坑进行抽水，如图1所示，可用便携式抽水泵2对坑内积水4进行抽水工作，直至积水量降至可见坑底。然后，挖出坑底30～50cm高度的积水表土5至地表进行翻 晒，使积水表土中的含水率降至该类土的最优含水率(具体数值可参照当地岩土勘察报告中相同土层的土工试验数据)。
作为本发明的又一个实施例，在翻晒的同时，也可以向积水表土中加入粉煤灰进行混合，使积水表土中的含水率降至该类土的最优含水率(具体数值可参照当地岩土勘察报告中相同土层的土工试验数据)。
若坑底积水较少(不需要抽水)，但是坑底表土呈泥状或流动状态，挖出坑底30～50cm高度的积水表土5至地表，向所述表土中加入粉煤灰进行混合，搅拌至土体自然状态不发生变形即可(即使积水表土中的含水率降至该类土的最优含水率)。在本发明的又一个实施例中，也可以翻晒所述泥状或流动状态的坑底表土，使积水表土中的含水率降至该类土的最优含水率。最后，将翻晒和/或加粉煤灰混合的坑底表土回填至坑底，然后夯实。需要说明的是，翻晒和加入粉煤灰的方法是为了使积水表土的含水率降至合适数值，可以选择两种方法中的任意一种或者两者一起使用。
作为本发明的另一个实施例，对破裂型小型塌陷坑进行坑底注浆的步骤包括：先将胶体浆料注入到坑底裂缝内，再将胶体浆料注入到坑壁裂缝内，直至裂缝表面有稳定的浆液液面为止，以使裂缝密实注浆。本发明采用先修复坑底裂缝、再修复坑壁裂缝的方式使胶体浆料能够充分地往坑壁流动，更有利于对裂缝的密实注浆，从而提高注浆效果和效率。
破裂型小型塌陷坑坑底多密集发育裂缝，裂缝可能与地下采空区联通或深入地表一定深度，回填工作开始前需将裂缝密实注浆。如图2所示，破裂型小型塌陷坑的坑底有坑底裂缝9，坑底裂缝9之间为无裂缝区8，坑壁上有坑壁裂缝7。如图3所示，本发明先通过坑底裂缝注浆孔10对坑底裂缝9进行密实注浆，再通过坑壁裂缝注浆孔11对坑壁裂缝7进行密实注浆。优选地，可以在坑底裂缝9上均匀地设置多个坑底裂缝注浆孔10，也可以在坑壁裂缝7上均匀地设置多个坑壁裂缝注浆孔11，通过这些注浆孔对坑底裂缝9、坑壁裂缝7进行多次多点注浆，以提高填充密实度。
在本发明的一个优选实施例中，注浆所用的胶体浆料为强度等级为m7.5的水泥砂浆或水泥混合砂浆或者其他具有防渗效果的胶体浆料(如高水)。
5)将固废材料充填至小型塌陷坑内。
采用矸石、粉煤灰等矿区存有的固废材料充填至已加固或修复坑底的小型塌陷坑内，每回填20～30cm夯实一次。可选地，可采用人工夯实或机械 夯实的方法进行分层夯实。较佳地，充填高程至地表高程下15～20cm，最后一层需使用机械夯实，且每次夯沉量小于5cm。
6)对煤矿小型塌陷坑修复区域进行表土重覆。
对充填后的煤矿小型塌陷坑进行覆土工作，覆土厚度大于等于20cm。对修复区域需保证覆土区域与周边区域地表类型一致。覆土后在修复区域进行洒水工作，每平方米洒水大于等于2l。优选地，所述覆土选用步骤3)剥离的小型塌陷坑周边的表土，以利于植被的生长。
7)根据煤矿小型塌陷坑所在区域的地理、地质条件，以修复区域周边适宜种植的林、草植被为依据，建设人工草地、林地或者灌木林地。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，确定塌陷坑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。
宝日希勒选用本发明提供的煤矿小型塌陷坑的修复方法，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。宝日希勒矿区生产历史悠久，发育有大量的塌陷坑，经煤矿塌陷坑修复后与原有地形比照，基本看不出塌陷坑的修复范围。
如上所述，本发明提供的煤矿小型塌陷坑的修复方法具有以下有益效果：
(1)煤矿小型塌陷坑类型划分：对宝日希勒矿区煤矿矿山已有煤矿塌陷坑进行类型划分，确定塌陷坑的类型，从而对煤矿小型塌陷坑实施有针对性的修复方法；
(2)煤矿小型塌陷坑类型确定：根据塌陷坑内是否存在积水划分小型塌陷坑类型，确定塌陷坑坑底不同的施工方法，保障坑底密闭效果，保障小型塌陷坑修复工程质量。
(3)改变有积水小型塌陷坑坑底表土含水率：通过挖出、翻晒、混入粉煤灰等方法调整有积水塌陷坑坑底表土，保障塌陷坑坑底土密闭效果。
(4)注浆破裂型塌陷坑坑底：通过对发育在坑底和坑壁的裂缝注入胶体 材料，封闭裂缝，防止坑底与地下井巷联通，保障坑底密闭效果。
(5)林、草地修复：通过对治理区域重覆表土，合理布置矿区适宜的生态作物，保证修复矿区植被群落丰富，提高矿区地质环境修复的效果。
(6)形成一种集多种煤矿小型塌陷坑修复技术于一体的煤矿小型塌陷坑修复方法，可适用于类似的煤矿小型塌陷坑修复。
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。