高潜水位采煤塌陷区矸石充填复垦技术研究

董周宾

（1.山东省鲁南地质工程勘察院（山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队），山东 济宁 272000；

2.自然资源部采煤沉陷区综合治理工程技术创新中心，山东 济宁 272000）

现有矸石充填复垦施工一般采用的是全厚充填法，即一次性充填矸石后覆盖土壤，依靠覆盖土壤层支撑农作物生长。这种“土壤层-矸石层”双层剖面模型易对土壤质量造成一定负面环境影响[1]。本文以邹城市中心店镇东滩煤矿矸石充填复垦样地为研究区，根据土壤肥力、重金属元素测试结果，查明土壤复垦质量，对高潜水位采煤塌陷区矸石充填复垦技术及流程提出建议。

1 研究区概况

研究区为邹城市中心店镇东滩煤矿四采区矸石充填复垦项目区，位于东滩煤矿矿区范围的中西部。东滩煤矿主采3 煤，煤厚约9 m，采用放顶煤开采技术，地表最大下沉量约为7 m。矿区位于高潜水位平原地区，受开采沉陷影响造成的土地损毁现象十分突出。研究区复垦标高设计为47 m，矸石充填层的上方覆盖约1 m 表土层，矸石充填复垦标高为46 m，采用全厚充填法，将煤矸石充填至标高，平均充填厚度介于4～6 m。在矸石充填层上部进行覆土，土壤类型为潮土，煤矸石来源于东滩煤矿二叠系山西组3 煤地层[2]。

2 土壤测试分析

在研究区选取4 个土壤取样点，其中矸石充填复垦样地取样3 个（编号：FKTY01、FKTY02、FKTY03）、对照耕地取样1 个（编号：DZTY04），分别对0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 不同深度的样品进行土壤肥力测试。另外，在土壤取样点进行开挖剖面，直至揭露矸石充填层，对矸石上部0～10 cm 的土壤样品进行土壤重金属元素测试。

2.1 土壤肥力测试

研究区复垦样地土壤有机质含量平均值为18 g/kg，介于10.0～21.4 g/kg，高出对照耕地有机质平均值5.26%；有效氮含量平均值为67.1 mg/kg，介于30.8～102 mg/kg，约为对照耕地有效氮平均值的90.68%；有效磷含量平均值为14.3 mg/kg，介于5.3～21.2 mg/kg，约为对照耕地有效磷平均值的51.25%；速效钾含量平均值为122.4 mg/kg，介于75.7～166 mg/kg，高出对照耕地速效钾平均值13.33%（表1）。随着剖面深度的增加，土壤有机质、有效氮、有效磷、速效钾含量均总体呈现降低的趋势，均符合采煤塌陷地治理工程建设土壤质量标准，满足农作物耕种要求（图1 ～图4）。

图1 不同深度剖面层次土壤有机质柱状图

图2 不同深度剖面层次土壤有效氮柱状图

图3 不同深度剖面层次土壤有效磷柱状图

图4 不同深度剖面层次土壤速效钾柱状图

表1 研究区复垦样地土壤肥力测试结果

2.2 土壤重金属测试

土壤重金属测试结果显示，As 含量平均值为11 mg/kg，介于10.9～11.1 mg/kg，约为管控标准的36.67%；Hg 含量平均值为0.028 mg/kg，约为管控标准的5.53%；Cr 含量平均值为62.9 mg/kg，介于62.3～63.5 mg/kg，约为管控标准的41.93%；Pb含量平均值为29.7 mg/kg，介于28.7～30.4 mg/kg，约为管控标准的37.13%；Zn 含量平均值为61.6 mg/kg，介于59.4～63.2 mg/kg，约为管控标准的30.80%；Cd含量平均值为0.08 mg/kg，介于0.06～0.10 mg/kg，约为管控标准的26.67%；Cu 含量平均值为29.9 mg/kg，介于29～31 mg/kg，约为管控标准的59.80%。7 项重金属元素含量均小于农用地土壤污染风险管控值，不存在重金属污染风险[3]（见表2）。

表2 研究区复垦样地土壤重金属测试结果

3 矸石充填复垦技术

3.1 土壤重构的关键

土壤重构是土地复垦质量的关键，是土地复垦工作的核心任务[4-5]。采用矸石充填进行复垦治理时，覆土厚度要考虑植物生长的要求，若覆土过薄，难以提供充足的水肥，会限制植物的生长；若覆土过厚，会增大复垦治理成本[6]。一般情况下，农作物根系的发育深度介于0～40 cm，集中分布于0～20 cm[1]。郭友红等（2008）开展田间模拟试验，选取矸石构建土壤基层，在矸石上部设置不同覆土厚度的表土，原状耕地土为对照，在相同水肥条件下进行耕作，发现覆土厚度30 cm 和50 cm 均限制了农作物的生长与产量，而厚度为70 cm 和100 cm 与对照耕地的差异不显著[7]。陈敏等（2017）通过测定不同覆土厚度的重构土壤层温度变化，发现矸石层会影响0～20 cm 土壤温度的日变幅，且随着覆土厚度的增加，表层土壤温度日变幅逐渐减小。当覆土厚度大于80 cm 时，土壤层的温度变化几乎不受矸石充填的影响[8]。

土壤重构应综合考虑各种因素对土壤发育的影响，剔除影响植物生长发育的因素，在较短时间内形成与区域土壤相适应的耕作剖面。若采用有毒、有害物质，需采取有效的隔离措施，防止对土壤、地下水环境产生污染。

目前，国内针对矸石充填隔离的研究较少，隔离层应具有惰性、有害物质含量低、渗透系数小等特点，起到隔离和化学稳定的作用。蔡苗等（2016）针对陕西潼关金矿区的重金属污染，采用充填隔离法，对底部矿渣进行推平压实、中部覆盖10 cm 三合土隔离层、上部覆盖40 cm 净土压实、顶部覆盖30 cm 耕植土层。工程证明，该措施取得较好的物理隔离效果，土壤环境得到了一定程度的改善[9]。王曦（2014）通过开展矸石对地下水的吸附试验，发现矸石细颗粒的含量对水分上移高度具有重要影响，直径小于1 cm 的矸石含量百分比为70%时，基质层孔隙结构、持水能力最优，充填重构土壤的水分、养分条件也最优[10]。

结合《采煤塌陷地治理规范》（DB37/T 4312-2021）及相关理论实践，坚持客土使用量小、成本低、效果优的原则，80 cm 是矸石充填复垦较为经济合理的覆土厚度，不仅可以增加复垦土壤的安全性并有利于提高土壤熟化程度，还可为土壤固碳或碳隔离奠定基础。

3.2 矸石充填复垦施工技术流程

矸石充填复垦要在充分考虑开采沉陷与地表复垦措施的基础上，优选复垦时机与技术方案，实现井下采矿与地表预复垦的时空耦合，减小积水对表土的破坏，降低复垦施工难度，进而缩短土地损毁时间。综合施工格网尺寸、矸石充填厚度和隔离方法等，高潜水位采煤塌陷区矸石充填复垦技术流程为：结合煤矿生产接续计划，首先进行开采沉陷预测，开展野外潜水位调查，进行地表积水分析，确定复垦设计标高；优化复垦时机，在地表沉陷产生积水之前，进行表土剥离，采用全厚充填法，将煤矸石回填至设计标高，然后进行复垦区域的整平覆土；复垦治理完成后，进行土壤改良，满足农作物正常耕种要求。如图5。

图5 矸石充填复垦施工技术流程示意图

4 结语

以邹城市中心店镇东滩煤矿矸石充填复垦样地为例，土壤肥力条件、重金属含量测试结果均符合采煤塌陷地治理工程建设土壤质量标准，可满足农作物耕种要求。结合矸石充填复垦研究成果，开展了高潜水位采煤塌陷区矸石充填复垦技术及流程研究，建议提高开采沉陷预测精度，研发矸石充填隔离层材料，进一步优化矸石充填预复垦时机，以提高土地复垦质量，缩短土地损毁时间。