黃河泥沙復墾采煤沉陷地交替多層多次充填土壤重構方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于礦山環境保護技術領域，特別涉及高潛水位平原礦區黃河泥沙復墾采煤沉陷地交替多層多次充填土壤重構方法。
技術背景
[0002]在中國東部高潛水位平原礦區，采煤沉陷后積水嚴重，有些地區的地面積水面積達到沉陷面積的50%以上，積水超過20m(肖武，采區地表動態沉陷模擬與復墾耕地率分析，2013)。此類地區土地復墾問題一直是中國多方學者的研究重點，中國土地復墾自20世紀80年代起步以來，發展十分迅速，針對此類地區提出了挖深墊淺、煤矸石充填、粉煤灰充填等許多實用的復墾技術，但該類地區人多地少的矛盾并沒有得到很好的解決。其中，挖深墊淺復墾技術，恢復的耕地面積較少；煤矸石或粉煤灰充填復墾需要大量的充填材料，充填后可能引起二次污染，并且隨著礦區煤矸石和粉煤灰等資源化利用，并不能提供足夠的充填材料。中國部分礦區近年來對于湖泥充填采煤沉陷地進行了一些嘗試，取得了一些成果，但其使用范圍有限，僅限于有湖泥資源的礦區，且使用該技術復墾后的土地底部淤泥層厚，容易形成沼澤，排水固結時間也比較長，充填復墾后兩三年才能耕種。中國對于黃河下游淤背固堤的研究已經有50多年的歷史，國內學者對于引黃灌區沉沙池泥沙覆淤還耕模式、泥沙農田化處理技術等方面進行了相關研究。利用部分采煤沉陷地靠近黃河的優勢，利用黃河泥沙充填采煤沉陷地是一種行之有效的方法，其不僅能最大限度的恢復耕地，緩解中國東部高潛水位平原礦區人多地少的矛盾，還能有效地利用黃河水沙資源，有利于降低黃河河床尚程，提尚防洪效益。
[0003]黃河泥沙充填采煤沉陷地以恢復耕地為最終目的，其核心內容是土壤重構，而土壤重構的關鍵內容是土壤剖面重構(胡振琪，礦山復墾土壤重構的概念與方法，2005)，其對水分運行及其他肥力因素都有影響，是檢驗復墾成敗的主要標準，因此重構優良的土壤剖面至為重要。土壤剖面重構的關鍵問題是土壤和泥沙測分布層次，其直接與重填工藝相關。我國部分礦區對黃河泥沙充填復墾采煤沉陷地進行了一些嘗試，但是直接充填覆土形成了典型的“上粘下砂”型剖面，充填的砂土層易于漏水漏肥，后期對作物水分和養分供應不足，造成農作物發育不良，產量較差；并且部分區域由于覆蓋土壤不足，造成后期耕作過程中黃河泥沙上移，與原有土壤進行混合，加劇了該區域的不保水保肥性。
[0004]針對黃河泥沙充填復墾采煤沉陷地復耕方法，本申請人提出過“黃河泥沙復墾采煤沉陷地的充填復耕方法”專利(CN 103283335 B)，但其僅適用于充分長的條帶，以保證黃河泥沙具有足夠的路徑進行沉淀，并不適用于精細充填的短條帶。“黃河泥沙復墾采煤沉陷地的充填復耕方法””專利(CN 103283335 B)采用連續充填方式，黃河泥沙一次充填完成，形成的是“上粘下砂”型剖面，并不利于農作物耕種和形成高產良田。“黃河泥沙復墾采煤沉陷地的充填復耕方法”專利(CN 103283335 B)排水后采用土工布阻擋措施，在連續充填過程中持續排水，起到了一定阻隔黃河泥沙排走清水的目的，但是還是有部分黃河泥沙中自帶的粘粒和粉粒被排走。
[0005]總體來看，現有的近距離引黃河泥沙充填復墾采煤沉陷地的技術還存在以下不足:(I)僅適用于充分長的充填條帶，當充填條帶較短時，黃河泥沙沒有足夠長的沉淀路徑，造成排水中黃河泥沙增多，增加了排水出口土工布等擋沙措施的負擔；(2)現有的黃河泥沙直接充填覆土工藝，形成了典型的“上粘下砂”型剖面，保水保肥性差，不利于作物生長；(3)現有的黃河泥沙直接充填覆土工藝，采用連續充填過程中持續排水方式，流失了黃河泥沙中自帶的部分粘粒和粉粒；(4)現有的黃河泥沙直接充填覆土工藝，造成黃河泥沙充填層過厚，排水固結時間過長，黃河泥沙充填層中深層的水分遲遲不能排走，延長了復墾時間。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是為解決上述難題，提出了一種黃河泥沙復墾采煤沉陷地交替多層多次充填土壤重構方法，通過交替充填工藝，構造出更科學的多層結構的土壤剖面。
[0007]本發明提出的黃河泥沙復墾采煤沉陷地的充填復耕方法，其特征在于:
[0008](I)確定待充填區域土壤剝離厚度、劃分充填條帶:根據采煤沉陷地的沉陷深度和設計的待復墾標高，確定待充填土壤厚度:根據待充填土壤厚度和采煤沉陷地最大土壤剝離厚度，確定采煤沉陷地的土壤剝離厚度，采煤沉陷地的土壤剝離厚度為0.5?lm，其中表土剝離厚度為0.2?0.5m，心土剝離厚度為O?0.8m ;根據沉陷地的耕種、排灌實際地貌特征，以及土壤剝離機械條件和采煤沉陷地的土壤剝離厚度，將采煤沉陷地劃分為規則的長方形充填條帶，充填條帶尺寸為寬25-35m，長50?150m，并將條帶按1，2，3,4……，η進行編號；
[0009](2)確定充填土壤重構剖面、泥沙充填次數及厚度:根據待充填土壤厚度、土壤剝離厚度以及通過盆栽試驗確定的復墾適宜夾心土的土壤結構，確定充填土壤重構剖面特征從下到上為:泥沙層-心土層-泥沙層……心土層-表土層；各類層厚度為:表土層厚0.2?0.5m,每一心土層厚度0.15?0.4m，每一泥沙層厚度0.2?lm，泥沙層k為2?4層，其中充填泥沙層的層數為k ;
[0010](3)確定充填條帶的順序和同步交替充填條帶的個數:采用隔帶充填的方式，先充填奇數編號的充填條帶，再充填偶數編號的充填條帶，或相反；選擇k+Ι個充填條帶作為一組同步交替充填條帶；
[0011](4)確定土壤剝離堆放區:將一組同步交替充填條帶的鄰近非本組充填條帶作為該組同步交替充填條帶的土壤剝離堆放區，堆放區由中部表土堆放子區，兩側心土堆放子區組成；表土堆放子區高度為I?2.5m，心土堆放子區高度為2?4m構成心土壩；在鄰近非本組充填條帶的心土堆放子區堆放心土前，心土堆放子區的表土也一并剝離堆放在本充填條帶的表土堆放子區中；若一組同步交替充填條帶的鄰近非本組充填條帶為已充填復墾條帶，其條帶兩側在表土回填施工過程中，空出未覆蓋表土的區域作為該組同步交替充填條帶的心土堆放子區，其條帶中間覆蓋表土的區域作為該組同步交替充填條帶的表土堆放子區；
[0012](5)同步交替充填條帶的土壤分層剝離:對每一組同步交替充填條帶進行表土、心土的分層剝離:首先，將該組同步交替充填條帶表土剝離，剝離厚度為0.2?0.5m，并將剝離的表土堆放在鄰近非本組編號加I或減I的充填條帶中間的表土堆放子區上，并將該鄰近非本組充填條帶心土堆放子區的表土也一并剝離堆放在其表土堆放子區上，采取保土措施覆蓋和種植肥土的草；然后將同步交替充填條帶的心土剝離堆放在鄰近非本組充填條帶的心土堆放子區，構成心土壩，用于后續的回填覆蓋；
[0013](6)對每組同步交替充填條帶進行交替多層依次充填泥沙層-排水-覆蓋心土層:對每一組同步交替充填條帶進行交替充填，先從第一個同步交替充填條帶開始充填泥沙層，當達到設定的泥沙層厚度0.2?Im后，開始充填第二個同步交替充填條帶，當達到設定的泥沙層厚度0.2?Im后，再進行下一個同步交替充填條帶，如此進行，一直進行到第k+1個同步交替充填條帶；每一個同步交替充填條帶充填完一層泥沙層后，保持I?3天的泥沙沉淀時間，然后采用深排水溝加土工布的方式排水；充填的泥沙層排水干燥后，從鄰近非本組充填條帶的心土堆放子區取土，按設計的心土層厚度覆蓋心土，心土層厚度為0.15?0.4m ;每一個同步交替充填條帶充填覆蓋心土層完成后，再按相同方式進行下一層泥沙層的充填，直到該組同步交替充填條帶的每個充填條帶交替充填完成；
[0014](7)表土的回填:完成所有泥沙層和心土層的構造后，從鄰近非本組充填條帶的表土堆放子區，運回表土進行回填覆蓋和平整；待采煤沉陷地全部充填條帶完成充填后，一并平整。
[0015]本發明優點和積極效果
[0016](I)可形成利于作物生長的多層次剖面:交替多層多次充填土壤重構方法，構成的充填土壤重構剖面不再是“上粘下砂”型