一种大型矿山生态恢复与保持的智能系统与方法与流程

本发明涉及矿山领域，特别是涉及一种用于大型矿山生态恢复与保持的智能系统与方法。

背景技术：

我国经济的较快发展，对能源的需求持续保持，特别是西部地区大型露天煤矿的发展，但是这些大型露天煤矿的发展对区域地下水造成了地下水漏斗，即区域性缺水，而排土场高数百米，更导致排土场和矿区生态恢复困难，生态保持更难；

煤炭开采方式一般分为井工开采和露天开采两种方式，露天开采首先对采区地表剥离，对土壤层次和结构造成严重的破环，开采期间会产生数额巨大的剥离岩石固体废弃物的大量堆积。对土地资源进行了大量破坏，使良田荒芜、耕地减少、土地污染，影响工农业生产。以神华伊敏露天矿为例，排土场高且大，采用疏水开采，造成水位下降，露天矿堆土场上方很难存活植物和植被，没有植被和植物，露天矿堆土场的粉尘等随风漂流，对周围环境造成极大影响，对生态环境造成污染，同时没有植物的水土保持作用，对堆土场本身的安全造成极大隐患。

主要难点有以下几点：

1、设计开采和堆土形式与参数，优化的开采和堆土形式与参数直接决定了后期的一系列设计参数；

2、排土场内部保水装置的设计；

3、植被种类的选取和种植区域选择；

4、排土场的水位太低，蓄水能力太差，特别是植物需要的包气带水很难保持，同时堆土场太高，容易造成滑坡等灾害。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、操作简便的大型矿山生态恢复与保持的智能系统，本发明还提供了所述只能系统的建造及使用方法。

一种大型矿山生态恢复与保持的智能系统，所述大型矿山包括堆土场，所述智能系统包括设置在所述堆土场内部的第一隔水层、第二隔水层和第三隔水层；所述第一隔水层为长方形，水平设置在所述堆土场内部，所述第二隔水层为正方形水槽，数量为多个，均匀设置在所述第一隔水层的上部，所述第三隔水层设置在靠近所述堆土场四周边坡的位置。

本发明所述的大型矿山生态恢复与保持的智能系统，其中，所述第一隔水层包括长方形的隔水树脂软板层和与其四周连接的防滑阻水装置，所述防滑阻水装置包括水平阻水板、多个平行设置的竖直阻水板和多个平行设置的防滑板，所述水平阻水板连接在所述多个竖直阻水板的底端，形成多个阻水槽，所述防滑板为倾斜设置，其上端与所述水平阻水板的底部相连。

本发明所述的大型矿山生态恢复与保持的智能系统，其中，在所述隔水树脂软板层上固定有多个第一土壤湿度传感器，在所述第一隔水层上种植根系较长的植物；

所述隔水树脂软板层、所述水平阻水板、所述竖直阻水板和所述防滑板均由隔水树脂软板构成；所述隔水树脂软板为以下两种中的一种：

(i)聚氯乙烯透明软板；

(ii)所述隔水树脂软板由如下方法制备得到：将对苯二甲酸二甲酯100g、甲基苯乙烯80g、三碱式硫酸铅10g和轻质碳酸钙各10g在惰性气体保护下搅拌，搅拌时温度维持在120℃，充分搅拌后加入软脂酸1.5g、软脂酸钡1.5g和催化剂5g，最后放常温成模。

本发明所述的大型矿山生态恢复与保持的智能系统，其中，所述第二隔水层包括大水槽、连接在所述大水槽左右两侧的第一小水槽、连接在所述大水槽前后的第二小水槽；在部分所述第二隔水层上固定有第二土壤湿度传感器，所述第二隔水层上种植有根系较短的植物。

本发明所述的大型矿山生态恢复与保持的智能系统，其中，所述第三隔水层包括隔水树脂硬板和均匀固定在其上的多个护水槽，所述隔水树脂硬板为倾斜设置，与所述堆土场的边坡平行，在所述堆土场边坡和所述隔水树脂硬板之间水平设置有多个船型的所述护水槽，其一端固定在所述隔水树脂硬板上。

本发明所述的大型矿山生态恢复与保持的智能系统，其中，所述第三隔水层的数量为多个，沿所述堆土场的四周边坡均匀设置，处于同一个侧面的多个所述第三隔水层平行设置，相邻两个所述第三隔水层之间具有一定间隔，每隔4～5个在所述第三隔水层上设置有3个第三土壤湿度传感器，分别固定在最上部、中间和最下部的所述护水槽上。

本发明所述的大型矿山生态恢复与保持的智能系统，其中，所述隔水树脂硬板为以下两种中的一种：

(i)环氧玻璃纤维板；

(ii)所述隔水树脂硬板由如下方法制备得到：将对苯二甲酸二甲酯100g、甲基苯乙烯80g、三碱式硫酸铅10g和轻质碳酸钙各10g在惰性气体保护下搅拌，搅拌时温度维持在120℃，充分搅拌后加入硬脂酸1.5g、硬脂酸钡1.5g和催化剂5g，最后放常温成模。

本发明所述的大型矿山生态恢复与保持的智能系统，其中，所述根系较长的植物为以下一种或几种的组合：果树、红薯、大豆、马铃薯、花生、毛豆；所述根系较短的植物为以下一种或几种的组合：百喜草、高羊茅、早熟禾、天鹅绒草、百枝莲、鸡冠花、枯叶菊、栀子花、苏铁、橘子、含笑。

本发明所述的大型矿山生态恢复与保持的智能系统，其中，所述隔水层一距离所述堆土场的上表面之间的距离为1m，每条边距离所述堆土场的侧面之间的水平距离为1.2m；所述竖直阻水板的高度和两个相邻的所述竖直阻水板之间的距离均为300mm，所述水平阻水板的厚度为15mm，所述隔水树脂软板层的厚度为7mm，所述防滑板的厚度为10mm，宽度为200mm，长度与所述阻水槽的长度一致，相邻两个所述防滑板之间的间距为450mm，所述防滑板与水平面之间的角度为30°，所述防滑板的顶端处于靠近所述隔水树脂软板层中心的位置；

所述第二隔水层的长和宽均为2m，高为0.15m，相邻两个所述第二隔水层之间的距离为2m，所述大水槽的长宽高分别为1800mm、1800mm和150mm，所述第一小水槽的长宽高分别为100mm、2000mm和150mm，所述第二小水槽的长宽高分别为1800mm、100mm和150mm；

相邻两个所述第一土壤湿度传感器之间、相邻两个所述第二土壤湿度传感器之间的距离为50m；

所述隔水树脂硬板长为5m，宽为2m，厚度为10mm，相邻两块所述隔水树脂硬板之间的间隔为2.5m；所述护水槽为船型，深度为100mm，下部宽度为150mm，长度为2m，上部宽度为200mm，长度为2m，竖直方向上相邻两个所述护水槽之间的间距为0.5m。

本发明所述的大型矿山生态恢复与保持的智能系统的建造及使用方法，包括如下步骤：

(a)根据煤矿设计图纸，找到工作面区域，根据开采方向，在开始阶段，清除工作面推采方向上800m的区域上表层腐殖土，一般表层腐殖土厚200-400mm，剥离当地的表层腐殖土运送到某个区域，采用洒水，恒温保存；

(b)工作面开始作业以后，以500m为极值，即当工作面推进超过300m时，开始继续剥离工作面区域未剥离的表层腐殖土，剥离距离为0-300m，保证工作面上方有500-800m的区域为腐殖土剥离区；

(c)将工作面中煤层以上的砂土剥离开，运送到堆土场；

(d)在距离堆土场表面还有1m时，铺设第一隔水层，确保不漏水，并保证此时所述第一隔水层周围与所述堆土场侧面的水平距离为0.5m，在所述第一隔水层上纵横间距为50m布设第一土壤湿度传感器，粘贴在所述第一隔水层上，继续在上方堆土；

(e)距离所述堆土场表面还有0.3m时，铺设第二隔水层，纵横间距为2m；在所述第二隔水层上设置第二土壤湿度传感器；

(f)在所述堆土场已经达到最高堆土的区域，在其后侧和两侧分别铺设第三隔水层，间距为2.5m，并从所述第三隔水层间隔处缓慢往下倾倒砂土，并人工抹匀，保证倾斜面沿水平方向往外增加了0.7m；在所述第三隔水层上设置第三土壤湿度传感器；

(g)土场堆积完之后，在上表面和侧面均铺设300mm厚的表层腐殖土，表层腐殖土为原来表面收集的，洒水，适当洒一些肥料；在所述第二隔水层正上方种植以前种植的植物中根系较短、耐旱的物种，如果没有或者很难再种植则选择以下几种中的一种或几种的组合：百喜草、高羊茅、早熟禾、天鹅绒草、百枝莲、鸡冠花、枯叶菊、栀子花、苏铁、橘子、含笑；种植位置为在所述第二隔水层正上方，种植面积为2×2m；

在所述堆土场其他区域种植以前本地区种植的植物中根系较长并耐旱的植物，如果没有或者很难再种植则选择以下几种中的一种或几种的组合：果树、红薯、大豆、马铃薯、花生、毛豆；在侧面种植以前本地区种植的植物中根系较短、耐旱的物种，如果没有或者很难再种植则选择以下几种中的一种或几种的组合：香根草、百喜草、早熟禾；

(h)将所述第一土壤湿度传感器、所述第二土壤湿度传感器和所述第三土壤湿度传感器的监测结果，直接传输到喷水装置，当浓度低于阈值时，喷水装置自动喷水，保证洒水的智能化、精细化，充分保护环境和节约水资源。

本发明大型矿山生态恢复与保持的智能系统与现有技术不同之处在于：本发明大型矿山生态恢复与保持的智能系统根据煤矿开采的规律，通过设计其开采和堆土形式，增加保水装置，搭配合适的植被物种，达到智能化在线监测，实现型矿山生态恢复与保持的智能化。

优选方案中：

因为排土场高且大，疏水性强，因此大气降水和人工洒水很快就吸收沉降到堆土场下方，第一隔水层有效的保护了堆土场上方宝贵的水资源，同时第一隔水层距离所述堆土场的上表面之间的距离为1m，因为植物的根系长度一般都在200-900mm左右，所以1m的距离既能保证植物的充分生长又能保证水资源的最大利用，特别对于根系较长的植物，对于表土层的固沙保水有很好的效果，距离所述堆土场的上表面之间的距离过长则虽保水却无用的境界，距离过短不利于表面植物的生长，且植物根系的生长也会对第一隔水层造成一定破坏，因此第一隔水层的设计合理有效，同时两端多个平行设置的防滑板，保证了上覆表土层的安全，不会产生滑移的危险；其上固定有多个第一土壤湿度传感器，对于植物的生长环境提供了实时的科学数据支撑。

因为排土场高且大，疏水性强，设置了第一隔水层，但是表土层土壤资源宝贵且疏水性强，因此表土层及以下0.3m水资源相对较少，因此在距离地表0.3m时设置多个第二隔水层，在第二隔水层上方表土层种植根系较短的植物，这样与第一隔水层就形成了根系长度合理分配，充分利用了表土层的宝贵土壤资源，且此区域是包气带水的赋存区域。

第三隔水层即保存了边坡的水资源，同时间隔设计和防滑设计加强了边坡安全，同时植物的充分有效生长更加稳固了边坡的安全性能，如此形成良性循环。

三个隔水层的联合使用，既充分保水，促进植物的生长的同时又反过来加强了堆土场的稳固。

依据三个隔水层，土壤湿度传感器均匀分布在堆土场各个区域，充分保证了植物生长环境的科学分析。

下面结合附图对本发明的大型矿山生态恢复与保持的智能系统作进一步说明。

附图说明

图1为本发明大型矿山生态恢复与保持的智能系统的剖面结构示意图；

图2为本发明大型矿山生态恢复与保持的智能系统中第一隔水层的俯视结构示意图；

图3为本发明中第一隔水层的侧视剖面结构示意图；

图4为本发明中第二隔水层的俯视结构示意图；

图5为本发明中第二隔水层的侧视剖面结构示意图；

图6为本发明中第一隔水层和多个第二隔水层的整体结构示意图；

图7为本发明中第三隔水层的侧视结构示意图；

图8为本发明中多个第三隔水层的整体结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1～图8所示，一种大型矿山生态恢复与保持的智能系统，大型矿山包括堆土场1，智能系统包括设置在堆土场1内部的第一隔水层2、第二隔水层3和第三隔水层4；第一隔水层2为长方形，水平设置在堆土场1内部，第二隔水层3为正方形水槽，数量为多个，均匀设置在第一隔水层2的上部，第三隔水层4设置在靠近堆土场1四周边坡的位置。

以下方案均为优选方案：

第一隔水层2包括长方形的隔水树脂软板层201和与其四周连接的防滑阻水装置，防滑阻水装置包括水平阻水板202、多个平行设置的竖直阻水板203和多个平行设置的防滑板204，水平阻水板202连接在多个竖直阻水板203的底端，形成多个阻水槽205，防滑板204为倾斜设置，其上端与水平阻水板202的底部相连。

在隔水树脂软板层201上固定有多个第一土壤湿度传感器206，在第一隔水层2上种植根系较长的植物；隔水树脂软板层201、水平阻水板202、竖直阻水板203和防滑板204均由隔水树脂软板构成，其中，隔水树脂软板层201由隔水树脂软板拼接而成；隔水树脂软板为以下两种中的一种：

(i)聚氯乙烯透明软板，为市售产品；

(ii)隔水树脂软板由如下方法制备得到：将对苯二甲酸二甲酯100g、甲基苯乙烯80g、三碱式硫酸铅10g和轻质碳酸钙各10g在惰性气体保护下搅拌，搅拌时温度维持在120℃，充分搅拌后加入软脂酸1.5g、软脂酸钡1.5g和催化剂5g，最后放常温成模。

自己配比制作的材料可以不用考虑透明度，因为市售产品多考虑透明度等功能，本发明使用场合为埋于地下，因此透明度和浊度无需考虑，成本更低；其次，自己配比的产品相同厚度下比市售产品耐磨性能更佳，可以提高使用年限，通过rca纸带耐磨试验机进行耐磨试验，荷重175g卷动未涂油胶带与试样磨擦，市售聚氯乙烯漆经历340圈见底材，自制产品经历420圈见底材，耐磨效果后者更强，可以提高使用年限。

第二隔水层3包括大水槽301、连接在大水槽301左右两侧的第一小水槽302、连接在大水槽301前后的第二小水槽303；在部分第二隔水层3上固定有第二土壤湿度传感器304，第二隔水层3上种植有根系较短的植物。

第三隔水层4包括隔水树脂硬板401和均匀固定在其上的多个护水槽402，隔水树脂硬板401为倾斜设置，与堆土场1的边坡平行，在堆土场1边坡和隔水树脂硬板401之间水平设置有多个船型的护水槽402，其一端固定在隔水树脂硬板401上。

第三隔水层4的数量为多个，沿堆土场1的四周边坡均匀设置，处于同一个侧面的多个第三隔水层4平行设置，相邻两个第三隔水层4之间具有一定间隔，每隔4～5个第三隔水层4的第三隔水层4上设置有3个第三土壤湿度传感器403，分别固定在最上部、中间和最下部的护水槽402上，由此可见，并不是所有的第三隔水层4上都安装有第三土壤湿度传感器403，而是少量的第三隔水层4上的部分护水槽402上才安装，这样既达到了优良的监测效果又节约了成本。

隔水树脂硬板401为以下两种中的一种：

(i)环氧玻璃纤维板，为市售产品；

(ii)隔水树脂硬板由如下方法制备得到：将对苯二甲酸二甲酯100g、甲基苯乙烯80g、三碱式硫酸铅10g和轻质碳酸钙各10g在惰性气体保护下搅拌，搅拌时温度维持在120℃，充分搅拌后加入硬脂酸1.5g、硬脂酸钡1.5g和催化剂5g，最后放常温成模。

自己配比制作的材料可以不用考虑透明度，因为市售产品多考虑透明度等功能，本发明使用场合为埋于地下，因此透明度和浊度无需考虑，成本更低；其次，自己配比的产品相同厚度下比市售产品耐磨性能更佳，可以提高使用年限，通过rca纸带耐磨试验机进行耐磨试验，荷重175g卷动未涂油胶带与试样磨擦，市售聚氯乙烯漆经历340圈见底材，自制隔水树脂硬板漆经历470圈见底材，耐磨效果后者更强，可以提高使用年限。

根系较长的植物为以下一种或几种的组合：果树、红薯、大豆、马铃薯、花生、毛豆；根系较短的植物为以下一种或几种的组合：百喜草、高羊茅、早熟禾、天鹅绒草、百枝莲、鸡冠花、枯叶菊、栀子花、苏铁、橘子、含笑。

第一隔水层2距离堆土场1的上表面之间的距离为1m，每条边距离堆土场1的侧面之间的水平距离为1.2m；竖直阻水板203的高度和两个相邻的竖直阻水板203之间的距离均为300mm，水平阻水板202的厚度为15mm，隔水树脂软板层201的厚度为7mm，防滑板204的厚度为10mm，宽度为200mm，长度与阻水槽205的长度一致，相邻两个防滑板204之间的间距为450mm，防滑板204与水平面之间的角度为30°，防滑板204的顶端处于朝向隔水树脂软板层201中心的位置，即呈现由中心向四周辐射的结构；

第二隔水层3的长和宽均为2m，高为0.15m，相邻两个第二隔水层3之间的距离为2m，大水槽301的长宽高分别为1800mm、1800mm和150mm，第一小水槽302的长宽高分别为100mm、2000mm和150mm，第二小水槽303的长宽高分别为1800mm、100mm和150mm；

相邻两个第一土壤湿度传感器206之间、相邻两个第二土壤湿度传感器304之间的距离为50m；由此可见，并不是每一个第二隔水层3上都安装有第二土壤湿度传感器304，而是部分有，这样既达到了目的，又节约了成本。

隔水树脂硬板401长为5m，宽为2m，厚度为10mm，相邻两块隔水树脂硬板401之间的间隔为2.5m；护水槽402为船型，深度为100mm，下部宽度为150mm，长度为2m，上部宽度为200mm，长度为2m，竖直方向上相邻两个护水槽402之间的间距为0.5m。

护水槽402的尺寸和结构的设计保证整个土场侧面区域既能满足蓄水要求又不会因为第三隔水层4降低堆土场1侧面的摩擦力，保证边坡的稳定。第一隔水层2的尺寸和结构的设计既能保证阻隔住上方的水渗入下方也能保证堆土场1靠近侧面的区域抗剪强度更大，更稳固。

本发明的大型矿山生态恢复与保持的智能系统的建造及使用方法，包括如下步骤：

(a)根据煤矿设计图纸，找到工作面区域，根据开采方向，在开始阶段，清除工作面推采方向上800m的区域上表层腐殖土，一般表层腐殖土厚200-400mm，剥离当地的表层腐殖土运送到某个区域，采用洒水，恒温保存；

(b)工作面开始作业以后，以500m为极值，即当工作面推进超过300m时，开始继续剥离工作面区域未剥离的表层腐殖土，剥离距离为0-300m，保证工作面上方有500-800m的区域为腐殖土剥离区；500m最低值保证有一定的空间作业，且表土层腐殖土不受本工作面开采的煤灰等污染，800m最大值保证作业区域植被覆盖面大，破坏环境的程度最小化；

(c)将工作面中煤层以上的砂土剥离开，运送到堆土场1；堆土场尺寸设计采用excel计算，埋深，工作面长，计算堆土场高度和宽度；

(d)在距离堆土场1表面还有1m时，铺设第一隔水层2，确保不漏水，并保证此时第一隔水层2周围与堆土场1侧面的水平距离为0.5m，在第一隔水层2上纵横间距为50m布设第一土壤湿度传感器206，粘贴在第一隔水层2上，继续在上方堆土，在这个过程中注意不要损坏第一隔水层2；

(e)距离堆土场1表面还有0.3m时，铺设第二隔水层3，纵横间距为2m；在第二隔水层3上设置第二土壤湿度传感器304；

(f)在堆土场1已经达到最高堆土的区域，在其后侧和两侧分别铺设第三隔水层4，间距为2.5m，并从第三隔水层4间隔处缓慢往下倾倒砂土，并人工抹匀，保证倾斜面沿水平方向往外增加了0.7m；在第三隔水层4上设置第三土壤湿度传感器403；

(g)土场堆积完之后，在上表面和侧面均铺设300mm厚的表层腐殖土，表层腐殖土为原来表面收集的，洒水，适当洒一些肥料；在第二隔水层3正上方种植以前种植的植物中根系较短、耐旱的物种，如果没有或者很难再种植则选择以下几种中的一种或几种的组合：百喜草、高羊茅、早熟禾、天鹅绒草、百枝莲、鸡冠花、枯叶菊、栀子花、苏铁、橘子、含笑；种植位置为在第二隔水层正上方，种植面积为2×2m；

在堆土场1其他区域种植以前本地区种植的植物中根系较长并耐旱的植物，如果没有或者很难再种植则选择以下几种中的一种或几种的组合：果树、红薯、大豆、马铃薯、花生、毛豆；在侧面种植以前本地区种植的植物中根系较短、耐旱的物种，如果没有或者很难再种植则选择以下几种中的一种或几种的组合：香根草、百喜草、早熟禾；深根性与浅根混种，配合人工保水装置造成的不同高低水位，充分利用地下空间及水分和养分的作用，保护堆土场表面的生态环境。

(h)将第一土壤湿度传感器206、第二土壤湿度传感器304和第三土壤湿度传感器403的监测结果，直接传输到喷水装置，当浓度低于阈值时，喷水装置自动喷水，保证洒水的智能化、精细化，充分保护环境和节约水资源。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。