新汶矿区矿区废弃地充填复垦材料及技术研究

新汶矿区矿区废弃地充填复垦材料及技术研究

矿区土地恢复一直是矿区环境和土壤改良的研究热点。目前，国内外对采井（井工程开采）、露天开采（露天开采）、废物（磨损和灰烬）等破坏和沉积土地的恢复技术相对成熟。在这项工作中，我们研究了新樊矿区协庄煤矿露头的矿渣，包括采矿、砂井和防水煤柱。以实现全面处理协庄煤矿采区的废物，为其他矿区解决类似问题提供理论和技术方法。1协庄煤矿采矿工业发展现状协庄煤矿位于山东省新汶煤田西部,地理坐标东经170°30′,北纬35°54′.井田内有河流4条,小汶河贯穿井田中部,是矿区内主要河流.该区年最高气温42.5℃,最低气温-19.2℃;年平均降雨量931.38mm.协庄煤矿井田面积42.5km2,1962年投产,设计生产能力120万t/a,1989年改扩建后为180万t/a,实际最高产量1996年达229万t;截止2000年底,矿井尚有工业储量1.31亿t,可采储量0.78亿t.协庄煤矿井田水文地质复杂,小汶河与古河床相连覆盖整个煤系地层,小汶河为一季节性河流,每年7～8月雨季来临时河水猛涨.为防止地表洪水对矿井的威胁,协庄煤矿在二、四、七、十一层煤留设了矿井防水煤柱.但自1981年以来,附近村民沿岸大量取土、采沙,将煤层上部覆盖层破坏,致使浅层煤裸露,继而盗采防水煤柱.特别是1996年末至1997年初,盗采盗挖活动十分严重,在走向3km,宽1km范围内共有盗采坑105个.其中,二层煤盗采长度达200m,盗采坑16个;四层煤盗采长度达700m,盗采坑49个;十一层煤盗采长度达950m,盗采坑40个.这些盗采坑垂直深度一般为3～5m,最深的达10m以上,严重破坏了矿井防水煤柱.由于盗采坑都分布在小汶河河床内及河流北岸,而小汶河历史洪水位标高为+158～+162m,盗采坑全部位于洪水位线以下,雨季洪水淹没盗采坑,构成了地表水泄入矿井的通道,对协庄煤矿井下安全生产造成了严重威胁.此外,取土、采沙和盗采还严重破坏了地表生态环境,特别是大量耕地被毁,雨季到来时水土流失严重.2煤石充填复垦的必要性协庄煤矿地表采掘废弃地是由于取土、采沙以及盗采防水煤柱而形成的,废弃地标高低于周围土地正常地貌标高.因此,对这类废弃地只能采取充填复垦的措施,使复垦后的土地地表标高达到正常地貌的水平,从而既防止雨季积水对井下采煤的影响,又恢复了破坏土地的利用价值.充填复垦首先考虑的是充填材料问题,协庄煤矿自投产以来,已累计排放煤矸石1000多万t,若能利用煤矸石作为废弃地的充填材料,则既复垦治理了废弃地,又解决了矸石山压占土地的问题.但煤矸石作充填复垦材料的前提必须是其风化后有利于形成土壤,且无毒性.2.1矿物化学组成该矿煤矸石的颗粒构成,粒径大至数10cm的块石,小至粘粒乃至粉粒;在物质成分构成上,软硬岩混杂,残留一定煤,其原生矿物成分有石英、长石、白云母及石灰石等碳酸盐类矿物及黄铁矿等.矿物质是构成土壤的“骨架”和植物养分的重要来源,部分原生矿物经风化和成土作用后形成次生矿物,如蒙脱石、高岭石等铝硅酸盐矿物,是土壤中最活跃的部分.协庄煤矿风化煤矸石与矿区黄土的矿物化学组成的测定结果如表1所示.从表1可见,协庄煤矿风化煤矸石的矿物化学组成与矿区黄土相近,这说明用煤矸石充填废弃地,其风化后有利于向土壤形成方向发展.2.2煤石成分分析煤矸石中有毒元素含量若超标,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.因此,用煤矸石作为充填复垦材料的重要条件必须是其有毒元素含量不超标.协庄煤矿10a以上自燃后的红色煤矸石及新排放的黑色煤矸石的有毒元素汞Hg、镉Cd、铅Pb、砷As、氟F的分析结果如表2所示.表3为我国土壤中汞、镉、铅、砷、氟含量的环境分级标准.可见,协庄煤矿新、老煤矸石中的汞、镉、铅、砷含量均符合我国土壤的理想水平,氟含量处于理想水平与可接受之间。也就是说,该矿煤矸石作为废弃地充填复垦材料,其有毒元素含量对环境无毒性影响.2.3土壤养分含量借鉴文献的研究方法,确定协庄煤矿煤矸石中有机质、氮、磷、钾及阳离子交换量等测定项目,并采用适合的测定方法(表4),测定结果见表5.表5最后为我国土壤养分5级和6级水平标准.可见,协庄煤矿煤矸石中氮、磷养分平均含量较低,除全氮养分含量属于土壤5级水平外,其余指标均为土壤6级水平;煤矸石中钾和有机质含量属于5级偏上水平.土壤阳离子交换量标志土壤保肥能力的大小,阳离子交换量在0.2mol/kg以上为保肥能力较强的土壤,0.1～0.2mol/kg为保肥能力中等的土壤,小于0.1mol/kg为保肥能力较弱的土壤.从分析结果看,该矿煤矸石具有一定的保肥能力,相当于保肥能力中等的土壤.总体看来,协庄煤矿煤矸石具有一定的可供植物吸收的养分,但含量较低,仅相当于5～6级土壤的营养元素含量,属很贫瘠的土壤养分范畴.但老矸石的速效养分比新矸石高.因此,在复垦时应尽量将老矸石充填在复垦地表层上,而且复垦后若以风化矸石直接作为耕作层土壤时,应增施速效氮、磷肥和有机肥.3地表开采废弃地充填复垦的施工工作协庄煤矿地表采掘废弃地的破坏特征主要是煤柱盗采坑位于取土、采沙坑底部基岩面,坑口呈圆锥形,为防止复垦后地表水沿基岩面煤柱盗采坑渗入井下,在用煤矸石进行充填复垦之前,必须先将煤柱盗采坑堵实、封严.因此,地表采掘废弃地充填复垦实际上包括两部分工作,即煤柱盗采坑充填复垦和取土、采沙坑充填复垦.3.1煤柱盗采坑充填回填先采用爆破法使盗采坑内岩石充分冒落,然后向盗采坑内填入毛石,压实后在坑口覆以厚0.5m的毛石混凝土,混凝土四周应与基岩面相接,以防止地表水携带泥砂进入盗采坑,造成地表因抽冒形成塌陷.煤柱盗采坑的充填复垦结构和工艺流程如图1所示.3.2地下水开采沙坑充填的复垦结构和工艺流程先用煤矸石充填沙坑底部,并填平压实,然后,有取土条件的上部覆盖黄土,没有取土条件的上部则覆盖风化的老矸石,充填后地面最低标高不低于附近自然地貌标高,以利于雨季自然流水.取土、采沙坑的充填复垦结构和工艺流程分别如图2,3所示.4煤石充填复垦地的利用方案协庄煤矿地表采掘废弃地充填复垦工业性试验共包括1#和2#2个区域.1#区位于刘官庄村东,协庄煤矿七采区风井以南,面积3.0hm2,有煤柱盗采坑84个;2#区位于小协砖厂东侧,面积0.5hm2,有煤柱盗采坑21个.其中,1#区表面覆盖风化老矸石,2#区表面覆盖黄土,覆盖层厚度均为52cm.用煤矸石充填废弃地,采用分层充填法,即每次充填一定厚度,(用机械)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.为保证煤矸石充填复垦的质量,在协庄煤矿废弃地1#和2#区的工程实施中,按设计每层充填厚度0.5m为分层标准;压实用振动式压路机逐层充分压实.取矸石时将风化老矸石分开,以便最后充填至1#区复垦地上部,作为该区复垦土壤的覆盖层.整个复垦工程于1997年4月开工,到1998年6月结束.根据保护耕地和复垦地优先用于农业的原则确定该复垦地的利用方向.将复垦地表面覆盖黄土的2#区作为种植庄稼用地;复垦地表面覆盖老矸石的1#区因开始几年矸石颗粒较粗不宜种植庄稼,则作为畜禽养殖场用地.经1998～2000年雨季考验后,复垦地地表未出现塌陷坑和漏水现象,同时,由于地表无积水坑,入渗减少,现矿井漏水量减少至0.9m3/min.经测算,由于复垦减少漏水量1.0m3/min,矿井(平均)每年减少排水费用107万元.此外,通过复垦使废弃地恢复农田利用价值,解决了矸石山压占土地的问题.5研究建立了地表开采废弃地充填复合膜技术1)协庄煤矿煤矸石可作为矿区地表采掘废弃地的充填复垦材料,风化煤矸石的矿物化学组成与矿区黄土相近,煤矸石中汞、镉、铅、砷、氟等有毒元素的含量均符合我国土壤的理想水平或