（土壤学专业论文）煤矿区土地复垦研究.pdf

甘肃农业大学硕士学位论文 摘要 当前，我国经济己由飞速发展转为持续稳定的增长，我们对经济发展的认识已由单 一的追求经济增长转变为寻求经济、环境和社会的统一协调发展。国家和社会对生态环 境质量的改善也越来越重视。煤炭作为一种能源矿产，是工农业生产和社会经济发展重 要的物质基础，是社会财富的重要源泉。煤炭资源的开发利用在给人类带来巨大经济效 益的同时，不可避免地对煤矿区生态安全产生扰动，改变原有矿区景观安全格局，最直 接的就是压占和损毁土地资源。由此引起的土地和生态环境破坏形势愈来愈严峻，因此， 开展煤矿区土地复垦规划研究工作显得异常重要，已经成为矿区开发、生产中的一项必 不可少的工作，这是保证煤矿区在有效地利用与开发煤炭资源的同时，又要兼顾保护生 态、社会环境可持续发展的重要保障。 本研究通过分析煤矿开采地对土地资源、水环境及基础设施的影响，根据区域可持 续发展对土地复垦的要求，明确指出了煤矿区土地复垦以恢复土地生产力、实现矿区生 态全面恢复为最终目标，以土地复垦和生态系统重建为主要内容，归纳总结了疏排法、 直接利用法、挖深垫浅法、煤矸石充填复垦和粉煤灰充填复垦等常用复垦技术的适用条 件、施工方法和步骤：并以恢复生态学、生态系统演替机理为重要理论基础，运用生物 复垦技术措施、植被重建工程技术等主要技术措施，进行生态系统多样性的恢复，重个 体更应重视群落的恢复，使生态系统高度协调发展：以工程措施为基础，以生物措施为 保证，同时按照待复垦土地所在地区自然地理条件、土地破坏形式、破坏程度及复垦土 地利用方向的要求，构建了集约化农业、果草林、农林渔禽、建筑用地和建材生产、水 产蔬菜和生态旅游等综合生态复垦模式，科学、合理地规划土地利用生态分区，优化土 地资源的配置，创建高产、高效的煤矿区生态系统。 最后以甘肃省华亭县东华镇殿沟煤矿土地复垦项目为实例，紧密结合以上理论方 法，根据当地的自然地理概况、土地破坏现状以及土地的适宜性评价，采用直接利用法 对项目区内沉陷地、荒草地、中低产田进行土地复垦整治，并运用了相关的生态重建技 术，进而将项目区建设成为以粮食生产为主，兼顾果林牧、水产养殖、家畜饲养为辅的 综合农业生态系统，使煤矿区生态环境通过复垦规划与工程得到重建，建立起和谐的矿 区健康生态系统。 关键词：煤矿区：土地复垦：生态重建 甘肃农业大学硕士学位论文 s u m m a r y 一 5 u m m a r y p r e s e n t l y , o u rc o u n t r ye c o n o m yr a t eo fr i s e h a sd r o p p e d ，i t s c o n t i n u i n gt h e s t a b l e g r o w t h n o ww ea r es e e k i n gf o rt h ee c o n o m i c a l ，e n v i r o n m e n ta n ds o c i e t y s c o o r d i n a t e d d e v e l o p m e n t t h ec o u n t r ya n dt h es o c i e t ya l s ot a k et o t h ei m p r o v e m e n to fe c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t t h u s a sab n do fe n e r g ym i n e r a l ，t h ec o a li st h em a t e r i a lf o u n d a t i o n o f a g r i c u l t u r a la n di n d u s t i a lp r o d u c t i o n i t i sa l s oi n s e p a r a b l em a t e r i a lf o u n d a t i o nf o rs o c i a l e c o n o m ya n da ni m p o r t a n tr e s o u r c eo fs o c i a lw e a l t h t h ed e v e l o p m e n ta n du s a g eo ft h ec o a l r e s o u r c e sh a v ec h a n g e dt h eo r i g i n a le n v i r o n m e n tv i e ws t r u c t u r ea n df o r m c o n s e q u e n t l y t h e l a n da n de c o l o g i c a li n t ot h el a n dr e s t o r a t i o ni nc o a lm i n i n ga r e a s ，w h i c hh a sb e e no n eo ft h e d i s p e n s a b l et a s k si nd e v e l o p i n gt h em i n i n ga r e a sa n de n s u r e st h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f t h es o c i a le n v i r o n m e n t ，t h a ti s ，w h i c hg u a r a n t e e st h ee f f e c t i v ee x p l o r a t i o no ft h ec o a lr e s o u r c e s a n dt h ee c o l o g i c a l p r o t e c t i o n a c c o r d i n gt o t h ed e m a n do ft h er e g i o n a ls u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ，t h et h e s i sa n a l y z e s t h ei n f l e n c e so ft h ec o a lm i n i n ga r e a so nt h el a n d r e s o u r c e s ，w a t e r - e n v i r o n m e n ta n di n f r a s t r y c t u r e s ，p o i n to u t t h a n tl a n dr e s t o r a t i o ni nt h ec o a l m i n i n ga r e a ss h o u l da i m a tt h er e s t o r a t i o no ft h el a n dp r o d u c t i v i t ya n dt h ec o m p l e t e r e s t o r a t i o no fe c o s y s t e mi nm i n i n ga r e a s ，g e n e r a l i z e st h ea p p l i e dc o n d i t i o n ，c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e sa n dc o n s t r u c t i o np r o c e s s o ft h e l a n dr e s t o r a t i o nt e c h n i q u e ss u c ha sp u m p d r a i n ，d i r e c tu s i n g ，d e e p e n i n ga n ds t a c k i n g ，f i l l i n gc o n s o l i d a t i o nb yc o a lg a n g u e ，a n dl i l l i n g c o n s o l i d a t i o nb yf l ya s h ，i ta d v o c a t e sv a r i c a t e sv a r i a b l er e s t o r a t i o no fe c o s y s t e me s p e c i a l l yo f t h ec l u s t e r st op r o m o t et h ec o o r d i n a t e dg r o w t hb yr e s h a p i n gp h y s i o g n o m y , s o i lr e s t r u t i n ga n d v e g e t a t i o nr e c o v e r i n ga n ds oo n a tt h es a m et i m e ，i tp r o p o s e sas c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l e p r o g r a m m i n gf o re c o l o g yz o n i n g ，t h eo p t i m i z a t i o n o fl a n dr e s o u r c e sa l l o c a t i o na n dt h e c o n s t r u c t i o no fp r o d u c t i v ea n de f f e c t i v e a g r i c u l t u r a le c o s y s t e m b a s e d o n e n g i n e e r i n g m e a s u r e s ，b i o l o g ym e a s u r e s ，p h y s i c a lg e o g r a p h yc o n d i t i o n ，t h ef o r ma n dd e g r e eo ft h el a n d d e s t r u c t i o n ，i tc o n s t r u c t st h em o d e lo fc o m p r e h e n s i v ee c o l o g i c a ll a n dr e s t o r a t i o ns u c ha st h e m o d e lo fi n t e n s i v i s ma g r i c u l t u r e ，t h em o d e lo fo r c h a r d 、m e a d o wa n df o r e s t r y , t h em o d e lo f a g r i c u l t u r e 、f o r e s t r y 、f i s h e r ya n dl i v e s t o c kb r e e d i n g ，t h em o d e lo fc o n s t r u c t i o n a ll a n da n d a r c h i t e c t u r a lm a t e r i a lp r o d u c i n g ，a n dt h em o d e lo fa q u a c u l t u r e 、v e g e t a b l ea n de c o l o g i c a lt o u r o nt h ea n a l y s i so ft h es u u n ka r e a si nd i a n g o ui ng a n s up r o v i n c eh u a t i n gc o u n t y d o n g h u at o w n ，i tp u t s t h et h e o r e t i c a lm e t h o d si n t o p r a c t i c eb yl a n dr e s t o r a t i o na n d c o n s o l i d a t i o no ft h es u n ka r e a s ，b a r r e np a s t u r ea n db a r r e na r a b l el a n da n da d o p t sas e r i e so f i t 甘肃农业大学硕士学位论文s u m m a r y s o i lo m p r o v e m e n tm e a s u r e s s e t su pt h eh a r m o n i o u sh e a l t h ye c o s y s t e mi nt h ec o a lm i n i n ga le s b yl a n dr e s t o r a t i o na n de n g i n e e r i n gm e a s u r e s k e y w o r s ：c o a lm i n i n ga r e a s ；l a n dr e s t o r a t i o n ；e c o l o g i c a lr e c l a m a t i o n i i i 甘肃农业大学硕士学位论文关于学位论文使用授权的说明 关于学位论文使用授权的说明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属甘肃农业 大学。本人完全了解甘肃农业大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保 存或向国家有关部门或机构送交论文得纸质版或电子版，允许论文被查阅和借 阅；本人授权甘肃农业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使 用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍为甘肃农 业大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：导师签名：日期： 5 9 甘肃农业大学 学位论文版权认定和使用授权书 研究生姓名：瑟置 所在学院：逡遂皇坯撞堂瞳 学位级别：亟学科专业：夔堂 学位论文题目：堪砬匡丝复垦硒究 本人于2 q q 2 年 1 2月2 5 日至 2 q q 里年上月 1 2同在导师登鸱堂! 趔堂丞指导下，从事堪贮区丝复垦 的研究。 现认定以下条款： l 、本人毕业后发表与研究内容有关的文章，作者第一署名单位为甘肃农业大学。 2 、学位论文中包含的研究成果的知识产权归苴袁壅些太堂 。 未经指导教师和苴虚壅些太堂同意，本人不得私自从事与课题有关的任何开发 和盈利性活动。 3 、本人完全了解甘肃农业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关 部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借用。本人授权甘肃农业大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字同期：加。7 年i 月吁同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址：私牵南绎础州弓 导师躲了胛宝夸 签字日期：二罗年月尹同 电 话：3 绑洱7 罗刀 邮 编：拈和纱c ， 甘肃农业大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 国内外研究现状 1 1 1 土地复垦的概念 土地复垦是指人们通过采取工程措施或生物措施，将人为和自然灾害因素造成破 坏废弃的各类土地重新恢复到所期望可供利用状态，并加以利用的一种活动。 1 1 2 国外研究现状 国外早在上世纪初就开始对矿区土地进行复垦，但大规模、有计划、有目的的复 垦研究工作也不过2 0 多年历史，由于各国的自然条件不同、经济状况不同、土地状 况各异，故各国有各国的复垦特色：德国对煤矿土地复垦、保持农林面积、恢复生态 平衡、防止环境污染等问题十分重视。德国政府和威斯特伦政府法令规定“露天矿采 空后要恢复原有的农、林经济和自然景色 等条文，保证了复垦工作顺利开展。 英国政府于1 9 6 9 年颁布矿山采矿场法，提出复垦和管理工作，明确按农业或 林业标准进行。如果复垦不好，则禁止或停止开采。同时，英地方政府拨复垦费，用 于购地、复垦和种植科研费。拨款数额根据当地政府的经济状况而定，经济发达地区 给5 0 ，贫困中等经济水平地区拨给全部复垦费的7 5 。复垦资金除国家拨款外地方 政府也承担部分复垦费，恢复的土地归属地方政府或由地方政府出租、出售，以弥补 复垦费用不足。 前苏联土地复垦界认为土地复垦是在受工业影响的土地上，采取旨在有计划的创 建和加速形成具有高生产力、高经济价值、最佳人工景观的采矿、生物、工程、土壤 改良及生态学综合技术措施来恢复土地其土地复垦整个过程分成工程技术复垦和生 物复垦两个基本阶段。农业复垦和煤矿区土地复垦在前苏联是最普遍的，而作为被破 坏土地开发最经济、最可靠的林业土地复垦愈来愈得到广泛运用。尤其是在那些耕地 开发需求不高且土壤贫瘠地区，林业复垦则成为主要方式。与其它土地复垦方式相比， 林业复垦对需恢复的土壤要求不很严格，仅需较小的投资。 美国对土地复垦也十分重视，如在露天开采控制和复垦法令中规定开采破坏 的土地必须恢复到原来的形态，原农田恢复到农田状态，原森林要恢复到森林状态。 2 甘肃农业大学硕士学位论文绪论 由于国家法令的强制作用以及科研工作的进展，美国矿区环境保护和治理成绩显著 【2 】 o 澳大利亚将矿山复垦作为一个涉及各专业各部门的系统工程，复垦的工程设计不 仅限于合理安排土地恢复功能，而且注重防止矿山废弃物的浸滤对地下水系的影响。 在复垦工程的排水系统设计上，除必须防止对地表水系的污染外，还强调排水系统要 “构成一个合理排水模式”，“最终排泄径流的位置是依适宜于矿山周围具体水系状况 而定”。恢复动植物栖息地、恢复生态，也是复垦工程中精心设计的内容，矿山的复 垦实现了土地、环境和生态的综合恢复，克服了单项治理带来的弊端脚“3 。 1 1 3 国内研究现状 目前我国复垦利用的土地还不到被破坏土地的1 ，复垦率极低。2 0 世纪5 0 、6 0 年代有个别矿山自发地进行一些土地复垦工作，矿区土地复垦主要采用填埋、剥离、 覆土等工程措施将废弃地改造成可耕种土地，实现矿区土地农业耕种目标口1 。而欧洲、 北美等发展中国家矿山土地复垦率已超过5 0 。在国外，矿山复垦是采矿业的一部分， 采矿结束，复垦完毕，才能闭坑。而我国于1 9 8 9 年才颁布土地复垦规定开始要 求把露天煤矿土地复垦纳入矿山工程设计中。 2 0 世纪8 0 年代，土地复垦才被真正得到重视，从自发、分散状态转变为有组织 的复垦阶段，1 9 8 9 年1 月1 日生效实施的国务院土地复垦规定标志着我国土地 复垦开始走上法制轨道。在矿区土地复垦上更多地强调生态学方面的观点，是以植被 复原与生物多样性保护为目标的生态复垦，选用适宜的表土、植物和肥料改良土壤， 利用生物工程恢复生态格局，控制重金属的迁移，利用煤炭垃圾或粉煤灰回填或促进 植物生长，在生态复垦中更加强调景观美化、可持续性发展、人与自然的和谐等问题。 土地复垦是当今世界采矿业发展的必然要求，是世界各国环境与发展中必然涉及 的重要课题。以前土地复垦研究重点是复垦法规与管理办法制定、采煤沉陷地复垦、 矿山固体废弃物复垦等方面，随着全球性的环境、土地、人口问题的日益严重，特别 是“可持续发展”己成为当今世界的共同主题，土地复垦己越来越受到世界各国的普 遍重视。在我国，注重复垦生态环境效益，拓宽和向纵深发展复垦技术，走“可持续 发展”的道路是今后露天煤矿土地复垦发展的必然趋势。 1 1 3 1 煤矿区土地复垦的生态系统分析 不同的开采工艺导致对土地破坏形式的不同，从总体而言煤矿开采对土地的破坏 甘肃农业大学硕上学位论文绪论 不同的开采工艺导致对土地破坏形式的不同，从总体而言煤矿开采对土地的破坏 主要表现在沉陷、压占、挖损等方面。采煤沉陷地一般多在开采急倾斜煤层时出现， 开采缓倾斜煤层时，只是在某些特殊的地质条件下才有可能出现，地表沉陷使地表腐 殖土溃入井下或流失，破坏了土壤的物理特性和化学特性，同时周围地表往往出现裂 缝，地表裂缝破坏了土地的连续性，给土地耕种带来了困难。据统计，露天开采由于 其作业的需要，必须直接剥离大量的地表岩土以及其上生长的大量植被，对土地的破 坏是毁灭性的。目前，我国露天开采煤炭产量约为8 0 0 0 万t ，占煤炭开采总产量的6 。 根据调查与资料统计，对于露天开采，每采万t 煤炭就有0 0 6 0 1 3 h m 2 的土地挖损，平 均为0 0 8 h m 2 ，我国大部分露天矿目前均采用外排土场方式开采。露天开采外排土压占 的土地约是挖掘土地量的1 5 2 5 倍，平均为2 倍陆1 。露天矿正常生产后，每采万t 煤排土场压占土地0 0 4 - 0 3 3 h m 2 ，平均为0 1 6 h m 2 。 据统计，我国煤矿现有矸石山1 5 0 0 万座，堆积量约3 0 亿t ，占地约5 8 0 0 h m 2 。目前 每年矸石产生量约为1 5 1 0 l - 2 o 1 0 9 t ，约占地3 0 0 - - 4 0 0 h m 2 。重要的是，若不采取 积极的措施，部分矸石山还会因自燃污染大气环境。资料表明，我国现有1 3 0 多座煤矸 石山正在自燃。占煤矸石山总量的1 3 ，另外，矸石山淋溶水会呈现较强酸性、碱性或 有毒有害元素，会污染周围土壤、地面及地下水体，产生环境危害。土壤环境污染具有 隐蔽性和潜伏性、不可逆性和长期性两大特点，因此土壤环境污染的防治更加困难， 需要给予特别重视。 随着西部开发战略的实施，煤炭资源开发向西部转移的形势下，露天开采量会进 一步增大，对于西部珍贵的土地资源及脆弱的生态环境的影响将日趋严重。 1 1 3 2 对区域水环境的污染与扰动 所谓水环境就是水在入渗、运移、排泄、转化过程中受到周围地质环境的影响和 在水平、垂直方向上的分布及动态变化规律。鉴于不同的采煤工程规模、采煤技术条 件、区域地下水位条件、煤矿的排水能力和自身恢复性能，煤矿开采不仅对煤矿区内 的地下水资源造成严重污染，而且对采场以外相当远的范围内的区域水环境均会产生 一定的不良影响：l 、常年的疏干排水造成地下水位的下降、水资源枯竭。2 、矿坑水 一般f 、f e 、m n 等重金属含量较高，有毒有害物质较多，排出的矿坑水造成地表水的 污染。3 、积水是矿区采煤沉陷引起的重要破坏类型，主要发生在矿区下沉量大且地 下潜水位高的区域，原有的陆地生态环境系统转变为水生生态环境系统，致使传统的 高产旱作农业退变为低产乃至绝产水田，严重影响了耕地资源利用的永续性肺3 。 4 甘肃农业大学硕士学位论文 绪论 在煤炭开采过程中，产生了大量的有毒有害的气体和粉尘，使矿区的空气环境质 量不断下降，矿区空气污染指数严重超标，其中遍布于矿区的煤矸石就是一重要的大 气污染源。煤矸石自燃产生大量的c o 、s o ：、n o x 、h ：s 等有毒有害气体，同时伴有大 量的烟尘，给矿区大气造成长期的严重污染。由于露天煤炭开采影响了开采区及周围 地域的土壤、水、大气，使该区域的生物群落与生物群落环境遭到破坏。如果不尽快 恢复和重建该区域的生态系统，长久下去，势必引发沙尘暴、泥石流、水土流失等自 然灾害口儿引。 1 1 3 3 区域社会可持续发展对煤矿区土地复垦的要求 在一切自然资源中，土地是最基本的资源，是人类生存发展的根本条件，人类生 产、生活的一切物质需要均来源于土地。我国是一个人地矛盾非常突出的国家，就煤 矿区而言，开采者为了获得更多的利益，不惜以破坏大量的农业用地为代价，因此煤 矿区人地矛盾、工农业之间争地矛盾尤为突出，并且导致一些违法乱纪现象层出不穷， 区域社会可持续发展对煤矿区土地复垦的基本要求是咸缓人地矛盾和工农业之间的 用地矛盾。评价煤矿区土地复垦是否满足区域社会可持续发展力要求，可用煤炭采出 量、煤矿开采面积和固体废弃物排放量、土地破坏与占用量、土地复垦率和年土地复 垦总量及复垦后的各类用地比例等指标来衡量。如果年土地复垦面积大于土地破坏面 积，或者人均土地占有量或人均耕地占有量处于逐年增长趋势，即可认为煤矿区土地 复垦是可持续发展的。 1 1 3 4 区域经济可持续发展对煤矿区土地复垦的要求 土地复垦是对土地的一种投入并获得产出的经济行为。在土地破坏严重的煤矿 区，农业发展受到严重影响，农业产值急剧下降，而通过进行煤矿区土地复垦，使被 破坏的土地恢复其原有的生产能力，这是矿区农业经济新的增长点。因此可以选用矿 区的农业总产值在复垦前后的变化情况来评价土地复垦是否满足区域经济可持续发 展的要求。假设土地未沉陷时矿区农业总产值为，沉陷后未治理时的农业总产值为 a ，复垦治理后的农业总产值为a ：，则 z = 尘刍z ：= 丝 鱼 a oa o z 。为农业总产值受土地破坏影响的下降率，z ：为农业总产值因复垦治理的增长 甘肃农业大学硕士学位论文 绪论 率。z ，越大，说明采煤对农业生产影响越严重，z ：越大说明复垦治理效果越好：若z ： z 。， 即增长率高于下降率，则说明复垦工作可行，矿区农业经济发展表现为可持续发展。 1 1 3 5 区域资源与环境的利用与保护对土地复垦和生态重建的要求 区域资源与环境的利用与保护包括土地资源、土壤资源、水资源及大气环境、水 环境和社区环境的合理利用与保护。 土地资源与土壤资源除总量控制外，还应具有持续生产能力，因此可用土地退化 率表示，设采矿与复垦发生土地退化面积为s ”总土地面积为s 。，则土地退化率为 t t ： = 妾 这里需要对土地退化作一解释，凡是在采矿与复垦后，因坡度的改变、土壤侵蚀 作用及复垦措施不当和水资源供应缺乏等原因造成的土地生产力下降均归为土地退 化范畴。水资源的利用与保护包括地下水位及水量变化、地表水和地下水水质变化等。 对水质而言，若采矿与复垦引起的水质变化不影响人类生产和生活，即饮用水水质符 合饮用水水质标准，灌溉水源符合灌溉水水质标准，养殖水源符合渔业水质标准，可 认为满足可持续发展要求。对水位与水量变化而言，若开采与复垦后与复垦前相比， 居民生活与工农业生产水资源供给率不下降且具备持续供水能力、地下水位能得到稳 定，则认为满足可持续发展要求。社会环境亦可用有关大气环境质量标准来衡量，即 有毒有害气体与粉尘的排放量及其在大气环境中的浓度不超标，即可认为满足可持续 发展要求。社区环境质量或人居环境质量是衡量矿区持续发展的一个重要方面。矿产 资源的开采给区域环境带来了很大影响，其中矿山集镇的形成是主要影响形式之一。 矿山集镇通常是伴随矿山开采而产生的，随矿山资源的衰竭，矿山集镇将成为永久集 镇，由于起初矿山集镇是服务于矿山的，因此其功能有限，在矿山开采结束后，矿山 集镇功能完善与否将会严重影响社区环境质量，如就业机会少、服务点不健全等，还 会给居民生活带来诸多不便。因此矿区生态重建时，需要对矿山集镇进行很好的规划 和设计，才能保证社区环境质量满足可持续发展的要求 1 1 3 6 煤矿区的土地复垦技术 疏排法：针对常年积水，水域面积大，积水较深的沉陷地，可以根据沉陷区实际 情况，开挖排水渠道，采用自排方式或者设置泵站强行排水方式将积水排至外围承泄 6 甘肃农业大学硕士学位论文 绪论 区，不仅可使沉陷积水区恢复土地生产能力，而且还可以保证矿区内建筑物、构筑物 及村庄周边不再积水，避免了不必要的损失，同时起到了土地复垦与保护生态“双赢” 的目的。 ( 1 ) 适用范围 煤矿开采沉陷引起地表排水不畅，形成较深的积水而影响作物种植，沉陷区积水 通常分为沉陷后地面标高低于矿区外河流洪水位和沉陷后地面标高高于河流洪水位 两种情况。对于第一种情况，沉陷区积水量较大，不易采取充填法复垦，因为沉陷后 地面标高低于矿区外河流洪水位，因此要在沉陷区内布设泵站，采用强排法排除沉陷 坑积水或采用挖深垫浅法抬高部分土地的标高，以便用于农业生产：对于第二种情况， 鉴于沉陷后地面标高高于河流洪水位，可通过布置合理的排水沟，通过自排方式排除 地表积水，同时开挖适当的降渍沟用来降低地下水位，防止土地盐渍化，继而可以保 证作物的正常生长。由此可知，疏排法既可通过自排方式又可通过强排方式排除沉陷 区积水，此法既可用于高潜水位矿区亦可用于中低潜水位矿区的土地复垦。 2 ) 技术实施措施 对沉陷积水区进行土地复垦主要是排除常年积水，同时沉陷区也面临着干旱的威 胁，因此在复垦排水的同时要注重排水与灌概相结合，合理的排灌系统既可消除积水 的危害，也能保证农作物生长期需水量的要求，而且适宜的灌溉措施还可压盐，改善 土壤理化性质，防止土壤盐碱化。 排水沟设计 排水沟一般采取梯形、土质沟( 见下图) ，通常使用明沟排水，为了满足沉陷区 排水流畅和降渍工程的要求，需要科学合理的计算排水沟底宽和深度。具体步骤是： 第一，结合沉陷区的土质情况确定边坡系数m 、排水沟比降i 、糙率n 等基本数据， 依据公式3 - i 确定排水沟的设计流量q ：第二，根据断面设计公式3 2 ，确定排水沟的 过水断面面积a ：第三，考虑到排水沟兼起到降渍沟的功效，利用公式3 3 计算排水 沟的深度h ，至此可以推算出排水沟底宽天，为沉陷区排水系统的设计提供有利依据。 公式3 1 ： q = q s 式中：q 一排水沟设计流量( m 3 s ) ；q 一排水模数( m 3 s k m 2 ) s 一排水面积( k m 2 ) 公式3 2 ： 7 甘肃农业大学硕上学位论文 绪论 q = a c o r i 式中：卜设计流量( m 3 s ) ；a 一过水断面面积( m 2 ) ；r - 水力半径； i 一比降 公式3 3 ： h = h + h l + h 2 式中：卜排水沟深度( m ) ： 卜排水沟水深( m ) ； h l 一作物要求的地下水埋深( m ) ： h 2 一两沟间的中点地下水位降至h 深度( m ) 地下水位与排水沟水位之差( 其大小取决于排水沟间距和水质，一般不小于( 0 2 川3 m ) 沉陷区排水系统的设计要根据该区的地形、积水深度、外围承泄区水位及地 面建( 构) 筑物的分布等特点，通过高水高排，尽量减少强排面积，提高排水效益：采 取自排方式与强排方式相结合，尽量利用自排方式排除积水，减少不必要的复垦费用。 灌渠设计 农田灌溉系统按照灌溉控制面积和作用分为于、支、斗、农渠四级固定渠道。灌 渠一般采取土质渠或混凝土渠道，通常使用明渠灌水，灌渠的断面设计既要满足农作 物生长期水量的需要，又要满足压盐的需求。确定渠道断面的步骤与排水沟断面设计 有类似之处：第一，结合沉陷区的土质情况确定边坡系数m 、渠道比降i 、糙率n 等基 本数据，依据公式3 - 4 确定渠道的设计流量q ：第二，根据断面设计公式3 2 ，确定渠 道的断面面积a ；第三，在充分考虑不冲不淤的前提下，根据流量、比降、糙率确定 渠道水深，并计算渠道的上底、下底宽度。沉陷区在合理布置灌溉渠系的同时，要采 取科学的灌溉措施，达到合理灌水、排盐洗碱的目的。 公式3 叫 q ：丝 8 6 4 0 0 t q 卜设计流量( m 3 s ) i t r 灌水定额( m 3 h m 2 ，视各种作物的需水量而定) 卜灌溉面积( h m 2 ) ； t 一灌水周期( 天) ： r 1 一灌溉水有效利用系数( ) 疏排法工程量小，投入资金少，尤其是选用自排方式排水，可以大大降低工程成 8 甘肃农业大学硕士学位论文 绪论 本，而且平这种复垦方法己被平原地区的煤矿普遍认可。 直接利用法：对于沉陷区地表起伏不大、区域内不易积水的地块，其间土地破坏 程度轻，表现为高低起伏不大的缓丘，可以运用土地平整技术，采用人工或机械的方 法整平土地，并建立完善的田间配套设施，直接用来进行农作物的种植1 。 ( 1 ) 适用范围 本方法适用于中低潜水位沉陷地的非充填复垦，主要是消除地表凹凸不平的小土 丘及地表裂缝。此种复垦可区分为两种情况，若沉陷地属土质肥沃的高产、中产田， 则首先将耕层表土剥离堆积，然后将起伏不平的地表就势推平，最后将原熟土层回复 即可。若沉陷地为土质差、肥力低的低产田，为降低复垦费用，可直接将起伏的地表 整平而免于剥离表土。 ( 2 ) 土地平整计算 土地平整是以地形图为工作底图，通过地形测量，补测沉陷区内一些重要的地面 高程，并通过内插法对等高线进行加密，根据地形图的比例尺、土方量计算精度要求， 一般采用2 0 m x2 0 m 、5 0 m x5 0 m 的方格求算土方量n 叫。 用方格网法的计算公式求算田面高程： n o - - 竺塑三竺望三竺塑兰竺 4 n h o 一格田田面平均高程 h 角一方格网各角点高程之和( m ) h 媳一方格网各边点高程之和( m ) h 拐一方格网各拐点高程之和( m ) h 中一方格网各中点高程之和( m ) 求出各方格顶点的设计高程和填挖数以平均高程作为对称图形中心点的设计 高程，然后从此中心点开始，推算上下各网点设计高程，逆坡逐点递增一个方格边长 的高差值，顺坡逐点递减一个高差值。各网点设计高程算出后，可按下式计算各点填 挖数：填挖数二地面高程一设计高程。 按下列公式计算各方格总挖方量： v = ( 进- i - 选t - 坠+ y h 由) m 424一。 式中卜方格总挖( 填) 方量( 亩) h 角一各角点挖深( 填高) 之和( m ) 9 甘肃农业大学硕士学位论文 绪论 h 广各边点挖深( 填高) 之和( m ) h 厂各拐点挖深( 填高) 之和( m ) h 中一各中点挖深( 填高) 之和( m ) m _ 方格面积( m 2 ) 实际填挖数的计算： 由于在填挖方过程中，实方变成虚方，故填方要加膨胀数，一般粘土加1 5 、沙 土加1 0 。根据实践可以采用这样方法，把总挖方量的1 0 的上平铺在整个地面上， 平铺的土层厚： 峙笔篙 然后在每个挖深角点减去这个h 均值：每个填高角点加上这个h 均值，即为挖填 方过程中土壤膨胀后的实际填挖数。 计算零位线： 耻蔫 式中：x 。挖填零点距方格端点的水平距离( m ) h 。，h 2 - 分别为方格相邻两个端点的挖深和填高数( m ) ，均取绝对值 天一方格边长( m ) 计算填挖土方量： 根据上述调整后方格网点的填挖数，分别计算各方格的填挖方量，然后求其总和。 考虑土方平衡搬运的调度方案，最后算出总土方工程量。 ( 3 ) 工程施工从总体上讲，土地平整应尽量满足复垦区内自流灌溉、自流排水的 要求，结合地形和田块布置，进分块行平整：从细部看，土地平整应符合农作物耕种 的需要，同时注意因地制宜，每个格田的内部高差在允许范围之内。土地平整一般采 用人工和机械相结合的方法，施工技术的正确与否直接影响到复垦质量和复垦费用的 高低。通常采用条带法整平土地，即将沉陷区待平整土地分成2 5 m 宽的若干条带， 依次间隔条带剥离堆放表土，根据设计标高整平底部生土，然后将剥离的熟土平铺在 生土上。施工过程中要避免重复填挖，尽量减少填挖方工程量，对沉陷区内待平整土 地分块、分区整平，提倡短距离的土方运输，节省运土费用：同时最大限度地避免因 机械碾压造成的土壤板结或者运用相应的措施，如犁耕平整后的土地用以疏松土壤 l o 甘肃农业大学硕士学位论文绪论 直接利用法工艺简单，操作方便，并且工程量不大，资金投入少，见效快，因此 不失是一种值得推广的土地复垦方法，针对沉陷较浅，对土地利用影响不严重的煤矿 区普遍采用此法。 挖深垫浅法：对沉陷深度为2 4 m ，常年积水的区域，可以根据实际情况，用机 械手段将沉陷深的区域再挖深，形成水( 鱼) 塘、莲藕塘，挖出土方垫在沉陷部分高处， 可发展农、果、林业，形成水、田相间的景观，达到水产养殖和农业种植并举的目的。 若积水面积很大，可根据实际的地形地貌等自然条件，因地制宜，运用地形优势兴建 人工湖、钓鱼池等，发展旅游业。挖深垫浅常常运用人工挖土和机械挖土相结合的方 法对沉陷积水区进行复垦整治，现行挖深垫浅复垦技术通常包含以下工作步骤n 2 1 ： ( 1 ) 表土剥离 根据沉陷区地形特点，对于比较零碎、推土机无法工作的地块人为用铁锹等农具 将沉陷区表剥离堆放，其他情况下均用推土机剥离表土。推土机作业一旦开始，就要 集中全力“人歇机不歇 的作业，“地面平坦”是沉陷区推土作业的一项重要要求， 由于沉陷复垦区地形变化复杂，推土机开始不可以“一次铲清 ，推土机工作时要首 先铲除凸起的土包，然后推平洼坑，使铲、运、卸土和空返的行驶面平整，才能保证 推土机推土多、速度快，机车磨损小，同时推土工作质量比较高：若不论高低“一次 铲清 势必造成高低不平，低处是积水陷车，高处土包绵绵，造成车辆行驶面不平整， 影响推土工作正常进行，致使车开不稳，土铲不满，并且残方多、费车、推土质量又 差。因此推土机在煤矿沉陷区施工时，一定要使工作地面平坦，推土机行驶速度要稳 定，保证推土工作质量高、效益好，杜绝返工。 ( 2 ) 机械挖深 除沙土的土壤需要用人工或推土机进行挖深工作外，其他土壤均适宜采用泥浆泵 挖土复垦造地。泥浆泵造地复垦方法就是采用水力冲刷原理，利用泥浆泵这一组机械， 把机电动力转化成水力而对沉陷较深的区域再挖深，由高压水泵产生的高压水，通过 水枪喷出一股密实的高压高速水柱，将原泥土割切、粉碎，形成泥浆混合液，再由泥 浆泵管道输送到沉陷区较浅的区域上。现行泥浆泵复垦的工艺流程：由吸水泵从临近 集水池中吸水后经过高压水泵产生高压水，要求产生的高压水速为5 0 m 3 h 以上：高压 水通过水枪喷出，冲刷沉陷区待挖深的土壤，形成泥浆并经过泥浆泵输送管道输送至 待垫浅的区域泥，浆充填在待复垦的土地上：待以上工程完毕后，应该立即挖掘排水 沟，经数月( 一般在5 个月以上) 的充分沉淀，使多余的水分流入排水沟，以便于回填 甘肃农业大学硕士学位论文 绪论 表土和平整土地。 ( 3 ) 覆土回填 由泥浆泵复垦的土壤有机质含量低，难于熟化，质量低。泥桨泵复垦土壤经过数 月的沉淀后，应用人工或推土机将剥离的表土平铺在复垦土壤上，并在进行土地平整 后，立即植草或种植豆科类植物以培肥和防止表土流失。复田后要配备完善的排灌设 施，通过科学施肥与合理的田间管理，给沉陷区的复垦土地注入新的生产力n 3 1 。经过 以上分析，可以发现挖深垫浅法设备简单、操作方便，人工与机械方式有效结合，所 需人力、物力小，投资少，成本低，并且工程质量好，可以同时集剥离、挖、装、运、 卸、填等工序于一体，不仅缓解了矿区的人地矛盾，同时美化了生态环境，增加了农 民的经济收入。 煤矸石充填复垦法：在煤矿沉陷区利用煤砰石充填复垦，既能使受到破坏的土地、 水域等经过治理作为合格的自然资源再度具有生态经济价值：又能使开采活动产生的 废弃矸石重新得到利用，消除了矸石山压占土地和对生态环境的污染。根据充填煤矸 石的来源不同，矸石复垦分为新排矸石造地和老矸石山推平造地n 们：根据复垦后土地 利用方向，沉陷区复垦可以分为煤矸石充填建设复垦和充填农业复垦两大类，其中充 镇的煤矸石可以是新矸石也可以是老矸石。 ( 1 ) 适用条件 该法适用于沉陷深度大、面积较小的废弃地，并且该区域水源条件较差，附近有 矸石山或者交通便利有丰富的矸石来源的煤矿区沉陷地。在复垦之前要对预选用的 煤矸石进行化学成分分析，确保所用充填材料有毒元素含量不超标，若煤矸石中汞、 锡、铅、砷等有毒元素含量超标，经过风化及大气降水的长期淋溶作用，各种有毒元 素会逐渐离析出而渗入地下，导致土壤、地表水体及浅层地下水污染n 引。 ( 2 ) 煤矸石充填农业复垦 这种方法是将煤矸石一次性的回填至沉陷区，回填至设计标高时填土、整平，为 农业提供生产用地。沉陷区充填复垦时，要根据沉陷深度合理安排回填物的结构，首 先把对植物生长不利的回填物置于下面，再回填煤矸石，把块头较大、不易风化的煤 矸石填在下面，石块较小且容易风化降解的矸石充填在离地面较近的空问，回填区的 边缘不得有煤矸石外露，随后用推土机推平、压路机压实，提高矸石层的密封性能， 以免透气造成煤矸石自燃和覆土后由于降水下渗而形成漏斗或表土流失：然后在煤矸 石上填土，覆土层要比正常区域厚，一般要达到1 5 m ，最后将贮存的表土覆盖于最 1 2 甘肃农业大学硕上学位论文 绪论 上部，厚度约3 卜5 0 c m ：为防止炉渣引燃煤矸石，禁止将未充分冷却的炉渣倒入排矸 场地，避免自燃现象的发生，并严禁将有毒、有害的废物混入复垦场地，防止对地下 水和土壤造成污染。在对沉陷区土地复垦过程中，要与土地平整技术相结合，同时修 建有效的水利设施，因地制宜，合理选择适宜沉陷区种植的农作物，充分发挥复垦土 地在矿区农业发展中的作用n 引。 ( 3 ) 煤矸石充填建设复垦 煤矸石充填建设复垦是为了达到预期的充填复垦效果，采用分层充填、分层压实 逐步将沉陷区回填至设计标高，以满足复垦土地用作建筑用地的要求。采用分层法将 煤矸石充填到沉陷地，即每次充填一定厚度的矸石，分层厚度与矸石的颗粒级配、矸 石含水量、施工机械、压实趟次等要素有关，应该具体情况具体分析，选择合理的分 层厚度：一般选用振动式压路机逐层充分压实，充分压实后再在该层上面充填第2 层， 第2 层充分压实后再在上面充填第3 层，如此逐层用煤矸石充填压实至设计标高：同 时压实后要进行现场测试，如果复垦后的土地符合建筑用地的要求，要采用抗变形保 护设计，建设平房或低层建筑，解决矿区居民和当地农民的住房需求。利用煤矸石充 填复垦，不但给矿区排矸创造了良好的条件，不用花费资金购置排矸场地，保证了生 产及洗选系统的正常运行：同时防止积水流到井下，避免影响矿井安全、正常生产： 还可以避免由于沉陷造成的生态环境破坏和土地生态退化n7 | 。沉陷区回填煤矸石复垦 土地，使农民得到切身的好处和利益，起到了双重的经济、社会、生态效益。 粉煤灰充填复垦法：利用粉煤灰充填复垦造田既可解决贮灰场大量占地和粉煤灰 扬尘所带来的危害，又为沉陷区复垦造地提供了充沛的充填材料，可形成采煤一发电 一充填复垦沉陷地的良性循环系统n 引。 ( 1 ) 适用条件 利用电厂粉煤灰作为充填材料对采煤沉陷地进行复垦，主要适用于电厂周边及距 离电厂l o k m 左右的采煤沉陷区。粉煤灰是燃煤电厂生产的固体废料，电厂每1 1 0 4 k w 装机容量，每年排灰约1 1 0 4 m 3 ，由于其产量大，需大量地征用耕地建设灰场存放且 严重污染环境，目前许多电厂结合地方经济发展需求，将粉煤灰作为沉陷地充填复垦 材料，从而变废为宝，一举多得。 ( 2 ) 充填复垦造田过程 粉煤灰是