本發(fā)明涉及采礦、土地與礦山地質(zhì)環(huán)境的修復(fù)與利用等技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種煤礦深陷盆地的修復(fù)方法。

背景技術(shù)：

煤炭資源開發(fā)為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。近年來我國礦山環(huán)境問題凸顯，資源開發(fā)與國計(jì)民生及礦山環(huán)境保護(hù)之間的矛盾逐漸激化。

自上世紀(jì)七十年代《人類環(huán)境會(huì)議》以來，礦山環(huán)境修復(fù)已成為國際上探討的重要議題。許多礦業(yè)開發(fā)較早的發(fā)達(dá)國家，經(jīng)過多年對(duì)礦山環(huán)境的摸索，逐步整理出資源開發(fā)與礦山環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，重視礦山環(huán)境管理，強(qiáng)調(diào)以“管”代“治”。我國礦山環(huán)境修復(fù)工作開展多年來受到國家高度重視，2009～2013年中央財(cái)政在礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)方面投入經(jīng)費(fèi)逾210億元。

我國礦山環(huán)境修復(fù)工作呈現(xiàn)擾動(dòng)破壞因素多、機(jī)理復(fù)雜、問題類型多、分布面積廣、修復(fù)難度大等特點(diǎn)。國內(nèi)外專家學(xué)者采用分類法、統(tǒng)計(jì)法、認(rèn)知法、管理法、地質(zhì)建模、工程數(shù)值模擬和工程類比法等方法，從動(dòng)力地質(zhì)學(xué)、采礦工程學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、環(huán)境地質(zhì)學(xué)、災(zāi)害地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)等不同領(lǐng)域?qū)ΦV山環(huán)境開展多學(xué)科研究。但是，我國目前在單項(xiàng)煤礦地質(zhì)環(huán)境修復(fù)技術(shù)系統(tǒng)集成并根據(jù)煤礦地質(zhì)環(huán)境條件形成煤礦沉陷盆地修復(fù)模式方面尚處于空白。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種煤礦深陷盆地的修復(fù)方法，以提高修復(fù)效果。

基于上述目的，本發(fā)明提供的煤礦沉陷盆地的修復(fù)方法包括以下步驟：

1)對(duì)沉陷盆地內(nèi)存在的塌陷坑、臺(tái)階狀變形、變形坡度較大的塌陷坑進(jìn)行修復(fù)，以消除塌陷坑、附加坡度以及地表裂縫，從而使修復(fù)區(qū)域的地表形態(tài)與周邊其他原有形態(tài)一致；

2)修復(fù)沉陷盆地后，利用煤礦固體廢棄物對(duì)所述修復(fù)后的沉陷盆地進(jìn)行密實(shí)充填，從而修復(fù)煤礦原有地表形態(tài)；

3)根據(jù)沉陷盆地的地理、地質(zhì)條件，確定沉陷盆地適宜種植的林、草植被，建設(shè)人工草地和林地或者灌木林地。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述修復(fù)方法還包括：

4)對(duì)土壤肥力缺乏或存有局部污染的沉陷盆地，通過向遭受污染的土壤投入污染物降解菌或接種叢枝菌根，以促進(jìn)沉陷盆地修復(fù)區(qū)域植被的修復(fù)。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述步驟1)包括：

對(duì)于深度小于等于5米的塌陷坑，將矸石回填至塌陷坑內(nèi)，對(duì)于深度大于5米的塌陷坑，從該塌陷坑外邊緣區(qū)域向坑底方向進(jìn)行推土并回填塌陷坑作業(yè)，終止作業(yè)坡度與原沉陷盆地坡度夾角小于15°；

對(duì)于變形坡度較大的塌陷坑，將塌陷坑順著變形趨勢使塌陷坑坑壁放緩，將坑壁上的土推入盆地底部進(jìn)行回填，沉陷盆地新邊界與原沉陷盆地原始邊界的夾角小于15°；

當(dāng)此類地裂縫有明顯豎向位移或垂直錯(cuò)動(dòng)時(shí)，采用水泥漿充填的方法修復(fù)地裂縫，或者從垂直錯(cuò)動(dòng)的臺(tái)階變形地裂縫的外邊緣向地裂縫方向進(jìn)行推土，使土被推入縫隙中，終止作業(yè)坡度與原沉陷盆地坡度夾角小于15°。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述步驟2)包括：

剝離沉陷盆地修復(fù)區(qū)域內(nèi)的表土，并向沉陷盆地的外邊緣外延15～20m；

根據(jù)變形深度與盆地最大弦長比的不同將沉陷盆地分為I類為變形深度與盆地最大弦長比≥0.6、II類為變形深度與盆地最大弦長比0.1～0.6、III類變形深度與盆地最大弦長比＜0.1，I類沉陷盆地需3層及以上地表回填，II類沉陷盆地需2層及以上地表回填，III類沉陷盆地需1層以上地表回填；

使用水泥漿或者高水材料注入沉陷盆地邊緣的裂縫以及回填矸石后的沉陷盆地邊緣處的裂隙，充填至裂隙內(nèi)可見充填材料液面；

在頂層回填層上進(jìn)行表土重覆。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述表土剝離深度為100～800mm。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述剝離后的表土堆積存放，每周向表土堆放區(qū)域噴水不少于3次，單位面積噴灑時(shí)間不少于20秒，噴水量為4～6平方米表土/立方米水。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述煤礦固體廢棄物選自矸石、粉煤灰中的至少一種，其中所述矸石選自灰褐色矸石與紅色矸石，其黑色矸石成分低于5％。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述I類沉陷盆地至少分3層回填，底層回填矸石，厚度為總回填高度65％～70％，壓實(shí)度85％～90％；中間層回填矸石與砂土的混合物，其中砂石含量28～35％，厚度為總回填高度15％～18％，壓實(shí)度90％～93％；上層回填矸石、粘土的混合物，其中粘土含量50％～55％，厚度為總回填高度12％～15％，壓實(shí)度80％～83％；

所述II類沉陷盆地至少分2層回填，底層回填矸石，厚度約為總回填高度72％～75％，壓實(shí)度85％～88％；第二層回填矸石、砂土與粘土的混合物，厚度為總回填高度25％～28％，其中矸石含量50％～55％，壓實(shí)度90％～92％；

所述III類沉陷盆地回填矸石、砂土與粘土的混合物，其中矸石含量70％～75％，壓實(shí)度90％～92％。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，對(duì)于尖滅式裂縫，直接注漿；對(duì)于貫通式裂縫，先使用矸石作為縫隙骨架充填，矸石直徑不大于5cm，然后對(duì)矸石縫隙注漿至地表有穩(wěn)定的漿液液面為止。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述表土重覆步驟包括：

在頂層回填層上鋪覆表層土壤重覆層，回填前剝離的表土需要多次分層重覆，至少3層重覆完成，總重覆厚度為200～400mm，沉陷盆地周邊區(qū)域重覆表土逐漸變薄，直至與周圍原始表土重合。

從上面所述可以看出，本發(fā)明提供的煤礦沉陷盆地的修復(fù)方法利用煤礦自身固廢重塑并修復(fù)沉陷盆地修復(fù)區(qū)域礦山地質(zhì)環(huán)境，與現(xiàn)有單項(xiàng)沉陷盆地修復(fù)技術(shù)相比，本發(fā)明顯示了如下優(yōu)點(diǎn)：有效修復(fù)煤礦沉陷盆地環(huán)境地質(zhì)問題，有效改善煤礦生態(tài)環(huán)境；對(duì)表土層充分保護(hù)與利用，極大可能的修復(fù)原有地質(zhì)環(huán)境；對(duì)沉陷盆地破壞土地的修復(fù)中體現(xiàn)了分層回填思路，人工重塑了被破壞的煤礦地質(zhì)環(huán)境；能夠有效的與后期煤礦生態(tài)修復(fù)構(gòu)建“橋梁”，為后期生態(tài)修復(fù)提供保障。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的煤礦沉陷盆地的Q類塌陷坑回填的剖視圖；

圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的煤礦沉陷盆地的S類塌陷坑回填的剖視圖；

圖3為本發(fā)明的實(shí)施例的煤礦沉陷盆地的坡度放緩前后的剖視圖；

圖4為本發(fā)明的實(shí)施例的煤礦沉陷盆地的修復(fù)臺(tái)階變形地裂縫的剖視圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的煤礦沉陷盆地回填后的剖視圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例的煤礦沉陷盆地的坡度放緩后回填的剖視圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例的地裂縫矸石空隙修復(fù)的剖視圖。

圖中標(biāo)號(hào)表述如下：1-底層回填層，2-中間回填層，3-頂層回填層，4-表層土壤重覆層；5-塌陷坑坑壁及塌陷坑坑底裂縫，6-塌陷坑回填部位，7-新舊地表界面的夾角，8-新地表界面，9-原沉陷盆地地表界面，10-臺(tái)階變形地裂縫。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，以大雁二礦沉陷盆地的修復(fù)為例，大雁二礦(以下簡稱“二礦”)位于內(nèi)蒙東北部鄂溫克族自治旗境內(nèi)，屬寒溫帶大陸性半干旱氣候。該礦含煤地層為中生界白堊系下統(tǒng)伊敏組和下部大磨拐河組，主采煤層埋深70～290m，頂板巖性為細(xì)砂巖、粉砂巖。該煤礦目前開采方式為機(jī)械化綜放回采，頂板管理方式為全陷落法。二礦于上世紀(jì)八十年代開始開采、已于2011年閉坑。二礦主要存在的礦山環(huán)境地質(zhì)問題為沉陷盆地、排矸場堆放占地。二礦沉陷盆地下沉量約1.0～1.9m，按照豎向變形與盆地最大弦長比分類屬I類。二礦沉陷盆地周邊草場遭破壞，原起伏狀地表形態(tài)嚴(yán)重破壞，301國道等主要交通干線破壞嚴(yán)重；二礦礦閉坑前主要廢棄物類型為煤矸石，固廢年產(chǎn)量約3萬噸，電廠和磚廠每年利用約1萬噸，剩余堆存于二礦排矸場，占地面積約0.39km²。

根據(jù)大雁二礦地質(zhì)環(huán)境背景、礦產(chǎn)資源種類、開采方式及頂?shù)装骞芾矸绞郊伴_采沉陷類型，考慮到二礦已經(jīng)閉坑且目前沉陷盆地已趨于穩(wěn)沉狀態(tài)，原有地表形態(tài)為低山丘陵，可采用本發(fā)明提供的煤礦沉陷盆地的修復(fù)方法進(jìn)行修復(fù)，具體地，所述煤礦沉陷盆地的修復(fù)方法包括以下步驟：

1)對(duì)沉陷盆地內(nèi)存在的塌陷坑、臺(tái)階狀變形、變形坡度較大的塌陷坑等 區(qū)域進(jìn)行地形修整，以消除塌陷坑、附加坡度、地表裂縫，從而使修復(fù)區(qū)域的地表形態(tài)與周邊其他原有形態(tài)一致，同時(shí)達(dá)到利于機(jī)械化施工的目的。

①塌陷坑回填

參見圖1，對(duì)于沉陷盆地發(fā)生區(qū)域內(nèi)伴生的深度小于等于5米的塌陷坑(Q類塌陷坑)，可以利用小型運(yùn)輸機(jī)械(如卡車、小型拖拉機(jī)等)將矸石回填至塌陷坑內(nèi)。最好采用分層夯實(shí)回填，回填至地表土底部的高程即可。最大單層回填厚度為50cm。如圖1所示，5為塌陷坑坑壁及塌陷坑坑底裂縫，6為塌陷坑回填部位。

參見圖2，對(duì)于深度大于5米的塌陷坑(S類塌陷坑)，可以利用推土機(jī)械(如鏟車、挖車等)從該塌陷坑外邊緣區(qū)域向坑底方向進(jìn)行推土并回填塌陷坑作業(yè)，終止作業(yè)坡度與原沉陷盆地坡度夾角小于15°。如圖2所示，6為塌陷坑回填部位，8為經(jīng)推土后的新地表界面，9為原沉陷盆地地表界面，7為新舊地表界面的夾角?？蛇x地，從該塌陷坑外邊緣至推土最遠(yuǎn)的距離為該塌陷坑直徑的2.5-3倍。

②放緩沉陷盆地的坡度

針對(duì)沉陷盆地內(nèi)變形坡度較大的塌陷坑，可以將塌陷坑順著變形趨勢使塌陷坑坑壁放緩，參見圖3，沉陷盆地新邊界即為放緩后的坑壁?？梢灾苯訉⒖颖谏系耐镣迫肱璧氐撞窟M(jìn)行回填。較佳地，沉陷盆地新邊界與原沉陷盆地原始邊界的夾角小于15°。需要說明的是，變形坡度較大的塌陷坑是指該沉陷盆地的坡度較陡峭，機(jī)器設(shè)備等不便于直接進(jìn)入該沉陷盆地進(jìn)行作業(yè)，因此，需要放緩該沉陷盆地的坡度。

③修復(fù)臺(tái)階變形地裂縫

參見圖4，沉陷盆地周邊發(fā)育地裂縫，該處地裂縫多呈線狀或環(huán)狀，當(dāng)此類地裂縫有明顯豎向位移或垂直錯(cuò)動(dòng)(即形成臺(tái)階變形地裂縫10)時(shí)，可以采用水泥漿充填的方法修復(fù)地裂縫10，也可以利用推土機(jī)械(如鏟車、挖車等)從垂直錯(cuò)動(dòng)的臺(tái)階變形地裂縫10的外邊緣向地裂縫10方向進(jìn)行推土(終止作業(yè)坡度與原沉陷盆地坡度夾角小于15°)，使土被推入縫隙10中，達(dá)到修復(fù)地裂縫10的目的，以利于工程修復(fù)后生態(tài)修復(fù)工作開展。

2)修復(fù)沉陷盆地后，利用煤礦固體廢棄物對(duì)所述修復(fù)后的沉陷盆地進(jìn)行密實(shí)充填，從而修復(fù)煤礦原有地表形態(tài)。

具體地，該步驟2)可以進(jìn)一步包括：

①沉陷盆地修復(fù)區(qū)域固體廢棄物清運(yùn)

沉陷盆地修復(fù)區(qū)域內(nèi)若分布有因人類工程活動(dòng)堆積殘留的固體廢棄物等，則需在地質(zhì)環(huán)境修復(fù)工程主體開始前全部清運(yùn)至設(shè)計(jì)堆放地區(qū)，設(shè)計(jì)堆放區(qū)域面積最大為原堆積面積1/3，清運(yùn)過程中以及二次堆積場地需防止環(huán)境破壞。

②沉陷盆地修復(fù)區(qū)域表土剝離

剝離沉陷盆地修復(fù)區(qū)域內(nèi)的表土，并向沉陷盆地的外邊緣外延15～20m，表土剝離深度以100～600mm為宜，若表土厚度大于1000mm區(qū)域可剝離800mm。表土剝離后可堆積存放，每周向表土堆放區(qū)域噴水不少于3次，單位面積噴灑時(shí)間不少于20s。此步驟的效果在于減少修復(fù)區(qū)域表層土壤擾動(dòng)后營養(yǎng)成分的破壞與喪失。可選地，噴水量為5平方米表土/立方米水?？蛇x地，噴水量為5.5平方米表土/立方米水?？蛇x地，噴水量為6平方米表土/立方米水。

③沉陷盆地區(qū)域勘查與分區(qū)

沉陷盆地區(qū)域通過勘查工作查明變形深度、變形坡度、變形區(qū)最大邊長或弦長，在勘查工作利用白灰標(biāo)記沉陷范圍并在中心位置樹立明顯標(biāo)志物。根據(jù)變形深度與盆地最大弦長比的不同將沉陷盆地分為：I類(≥0.6)、II類(0.1～0.6)、III類(＜0.1)。參見圖5和圖6，在本實(shí)施例中，I類沉陷盆地需3層及以上地表回填，即由底至頂依次回填底層回填層1、中間回填層2和頂層回填層3，II類沉陷盆地需2層及以上地表回填，即由底至頂依次回填中間回填層2和頂層回填層3，III類沉陷盆地需1層以上地表回填，即回填頂層回填層3。

可選地，所述煤礦固體廢棄物選自矸石、粉煤灰中的至少一種。矸石篩分，回填矸石：矸石需分選、篩分后使用，優(yōu)選灰褐色矸石與紅色矸石，其中黑色矸石成分低于5％(質(zhì)量百分比)。

I類沉陷盆地至少分3層回填，底層回填矸石，厚度為總回填高度65％～70％，壓實(shí)度85％～90％；中間層回填矸石與砂土的混合物，其中砂石含量28～35％，厚度為總回填高度15％～18％，壓實(shí)度90％～93％；上層回填矸石、粘土的混合物，其中粘土含量50％～55％，厚度為總回填高度12％～15％，壓實(shí)度80％～83％。均以質(zhì)量百分比計(jì)。

II類沉陷盆地至少分2層回填，底層回填矸石，厚度約為總回填高度 72％～75％，壓實(shí)度85％～88％；第二層回填矸石、砂土與粘土的混合物，厚度約為總回填高度25％～28％，其中矸石含量50％～55％，壓實(shí)度90％～92％。均以質(zhì)量百分比計(jì)。

III類沉陷盆地回填矸石、砂土與粘土的混合物，其中矸石含量70％～75％，壓實(shí)度90％～92％。均以質(zhì)量百分比計(jì)。

此步驟的效果在于重塑地質(zhì)環(huán)境結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)修復(fù)區(qū)域地表水環(huán)境的修復(fù)，保障后期生態(tài)修復(fù)能有效實(shí)現(xiàn)。

④水泥漿或高水材料注入地裂縫矸石空隙

使用強(qiáng)度等級(jí)為M7.5的水泥砂漿或水泥混合砂漿或者高水材料(或者超高水材料)充填沉陷盆地邊緣的裂縫以及回填矸石后的沉陷盆地邊緣處的裂隙，充填至裂隙內(nèi)可見穩(wěn)定充填材料液面。

參見圖7，充填裂縫分為尖滅式裂縫(A類裂縫)與貫通式裂縫(B類裂縫)兩種，A類裂縫影響深度未達(dá)到采煤巷道頂板，對(duì)采煤作業(yè)不構(gòu)成安全影響，A類裂縫修復(fù)可直接注漿，注漿至地表可見穩(wěn)定的漿液頁面為止。B類裂縫影響深度至采煤巷道頂板，B類裂縫注漿前使用矸石作為縫隙骨架充填，矸石直徑不大于5cm，注漿至地表有穩(wěn)定的漿液液面為止。

⑤表土重覆

參見圖5和圖6，沉陷盆地修復(fù)區(qū)域需重新鋪覆表土，即在頂層回填層3上鋪覆表層土壤重覆層4，回填前剝離的表土要多次分層重覆，至少3層重覆完成，總重覆厚度為300mm左右，沉陷盆地周邊區(qū)域重覆表土可逐漸變薄，直至與周圍原始表土完全重合。

3)根據(jù)修復(fù)區(qū)域氣象、水文、立地條件以及土壤等地理、地質(zhì)條件，確定沉陷盆地修復(fù)區(qū)域適宜種植的林、草植被，建設(shè)人工草地和林地或者灌木林地。

植被修復(fù)要符合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)規(guī)律，以內(nèi)蒙地區(qū)及東北局部地區(qū)為例，隨著經(jīng)度變化，自東向西可以選擇性種植：黑樺、榛灌叢、蒙古櫟、大針茅、羊草、克氏針茅、小針茅、短花針茅、沙生針茅、蒿類、錦雞兒類、珍珠柴、綿刺、紅砂、梭梭、霸王等。

表1內(nèi)蒙及東北局部地區(qū)沉陷盆地生態(tài)修復(fù)一覽表

4)對(duì)土壤肥力缺乏或?qū)ν寥婪柿θ狈虼嬗芯植课廴镜某料菖璧兀顼L(fēng)積沙或者地下水嚴(yán)重破壞且降雨量小于50mm地區(qū)，可利用生物修復(fù)技術(shù)改良土壤。通過向遭受污染的土壤投入污染物降解菌(主要選用AM真菌)或接種叢枝菌根促進(jìn)沉陷盆地修復(fù)區(qū)域植被的修復(fù)。

大雁二礦選用本發(fā)明提供的煤礦沉陷盆地的修復(fù)方法，旨在修復(fù)礦山及周邊區(qū)域原有地表形態(tài)，有效利用煤矸石，減少固廢堆積。二礦已閉坑多年，沉陷盆地已趨于穩(wěn)定，地表形態(tài)修復(fù)工程后與原有地形比照，修整地形但保持塌陷后丘陵形態(tài)，基本看不出沉陷盆地的范圍。

如上所述，本發(fā)明提供的煤礦沉陷盆地的修復(fù)方法具有以下有益效果：

(1)局部塌陷坑、地裂縫回填：二礦局部塌陷坑發(fā)育，利用二礦矸石按分區(qū)結(jié)果分層回填塌陷坑和地裂縫，局部地段塌陷坑用矸石回填后夯實(shí)，基本修復(fù)二礦原有地表形態(tài)。

(2)部分沉陷盆地修整：二礦地處高緯度地區(qū)，年降雨量較大，原始植被以草為主，對(duì)修復(fù)區(qū)域坡度和表土重覆厚度等根據(jù)破壞土地已有地表形態(tài)適當(dāng)修復(fù)。對(duì)地面沉陷坡度較大的地帶，在不改變?cè)兄饕乇硇螒B(tài)的前提下，用矸石回填及外運(yùn)土方放緩地形，對(duì)坑洼地帶回填平整；對(duì)不利植被生長地段土壤改良，如缺乏重覆表土的矸石回填塌陷坑以及不利于播種牧草或種植樹木等營養(yǎng)匱乏土地用熟土重覆。

(3)林、草地修復(fù)：利用林草混合種植法修復(fù)土地，保證礦區(qū)植被群落豐富和生態(tài)修復(fù)效果。

(4)形成一種集多種沉陷盆地修復(fù)技術(shù)于一體的煤礦沉陷盆地修復(fù)模式，其描述形式為“局部塌陷坑、地裂縫回填+沉陷盆地回填+土地平整修復(fù)+沉陷盆地區(qū)域生態(tài)修復(fù)”，可應(yīng)用于類似的煤礦沉陷盆地修復(fù)。

所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：以上任何實(shí)施例的討論僅為示例性的，并非旨在暗示本公開的范圍(包括權(quán)利要求)被限于這些例子；在本發(fā)明的思路下，以上實(shí)施例或者不同實(shí)施例中的技術(shù)特征之間也可以進(jìn)行組合，并存在如上所述的本發(fā)明的不同方面的許多其它變化，為了簡明它們沒有在細(xì)節(jié)中提供。因此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何省略、修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。