高潛水位采煤塌陷區矸石充填復墾技術研究

董周賓

（1.山東省魯南地質工程勘察院（山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊），山東 濟寧 272000；

2.自然資源部采煤沉陷區綜合治理工程技術創新中心，山東 濟寧 272000）

現有矸石充填復墾施工一般采用的是全厚充填法，即一次性充填矸石后覆蓋土壤，依靠覆蓋土壤層支撐農作物生長。這種“土壤層-矸石層”雙層剖面模型易對土壤質量造成一定負面環境影響[1]。本文以鄒城市中心店鎮東灘煤礦矸石充填復墾樣地為研究區，根據土壤肥力、重金屬元素測試結果，查明土壤復墾質量，對高潛水位采煤塌陷區矸石充填復墾技術及流程提出建議。

1 研究區概況

研究區為鄒城市中心店鎮東灘煤礦四采區矸石充填復墾項目區，位于東灘煤礦礦區范圍的中西部。東灘煤礦主采3 煤，煤厚約9 m，采用放頂煤開采技術，地表最大下沉量約為7 m。礦區位于高潛水位平原地區，受開采沉陷影響造成的土地損毀現象十分突出。研究區復墾標高設計為47 m，矸石充填層的上方覆蓋約1 m 表土層，矸石充填復墾標高為46 m，采用全厚充填法，將煤矸石充填至標高，平均充填厚度介于4～6 m。在矸石充填層上部進行覆土，土壤類型為潮土，煤矸石來源于東灘煤礦二疊系山西組3 煤地層[2]。

2 土壤測試分析

在研究區選取4 個土壤取樣點，其中矸石充填復墾樣地取樣3 個（編號：FKTY01、FKTY02、FKTY03）、對照耕地取樣1 個（編號：DZTY04），分別對0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 不同深度的樣品進行土壤肥力測試。另外，在土壤取樣點進行開挖剖面，直至揭露矸石充填層，對矸石上部0～10 cm 的土壤樣品進行土壤重金屬元素測試。

2.1 土壤肥力測試

研究區復墾樣地土壤有機質含量平均值為18 g/kg，介于10.0～21.4 g/kg，高出對照耕地有機質平均值5.26%；有效氮含量平均值為67.1 mg/kg，介于30.8～102 mg/kg，約為對照耕地有效氮平均值的90.68%；有效磷含量平均值為14.3 mg/kg，介于5.3～21.2 mg/kg，約為對照耕地有效磷平均值的51.25%；速效鉀含量平均值為122.4 mg/kg，介于75.7～166 mg/kg，高出對照耕地速效鉀平均值13.33%（表1）。隨著剖面深度的增加，土壤有機質、有效氮、有效磷、速效鉀含量均總體呈現降低的趨勢，均符合采煤塌陷地治理工程建設土壤質量標準，滿足農作物耕種要求（圖1 ～圖4）。

圖1 不同深度剖面層次土壤有機質柱狀圖

圖2 不同深度剖面層次土壤有效氮柱狀圖

圖3 不同深度剖面層次土壤有效磷柱狀圖

圖4 不同深度剖面層次土壤速效鉀柱狀圖

表1 研究區復墾樣地土壤肥力測試結果

2.2 土壤重金屬測試

土壤重金屬測試結果顯示，As 含量平均值為11 mg/kg，介于10.9～11.1 mg/kg，約為管控標準的36.67%；Hg 含量平均值為0.028 mg/kg，約為管控標準的5.53%；Cr 含量平均值為62.9 mg/kg，介于62.3～63.5 mg/kg，約為管控標準的41.93%；Pb含量平均值為29.7 mg/kg，介于28.7～30.4 mg/kg，約為管控標準的37.13%；Zn 含量平均值為61.6 mg/kg，介于59.4～63.2 mg/kg，約為管控標準的30.80%；Cd含量平均值為0.08 mg/kg，介于0.06～0.10 mg/kg，約為管控標準的26.67%；Cu 含量平均值為29.9 mg/kg，介于29～31 mg/kg，約為管控標準的59.80%。7 項重金屬元素含量均小于農用地土壤污染風險管控值，不存在重金屬污染風險[3]（見表2）。

表2 研究區復墾樣地土壤重金屬測試結果

3 矸石充填復墾技術

3.1 土壤重構的關鍵

土壤重構是土地復墾質量的關鍵，是土地復墾工作的核心任務[4-5]。采用矸石充填進行復墾治理時，覆土厚度要考慮植物生長的要求，若覆土過薄，難以提供充足的水肥，會限制植物的生長；若覆土過厚，會增大復墾治理成本[6]。一般情況下，農作物根系的發育深度介于0～40 cm，集中分布于0～20 cm[1]。郭友紅等（2008）開展田間模擬試驗，選取矸石構建土壤基層，在矸石上部設置不同覆土厚度的表土，原狀耕地土為對照，在相同水肥條件下進行耕作，發現覆土厚度30 cm 和50 cm 均限制了農作物的生長與產量，而厚度為70 cm 和100 cm 與對照耕地的差異不顯著[7]。陳敏等（2017）通過測定不同覆土厚度的重構土壤層溫度變化，發現矸石層會影響0～20 cm 土壤溫度的日變幅，且隨著覆土厚度的增加，表層土壤溫度日變幅逐漸減小。當覆土厚度大于80 cm 時，土壤層的溫度變化幾乎不受矸石充填的影響[8]。

土壤重構應綜合考慮各種因素對土壤發育的影響，剔除影響植物生長發育的因素，在較短時間內形成與區域土壤相適應的耕作剖面。若采用有毒、有害物質，需采取有效的隔離措施，防止對土壤、地下水環境產生污染。

目前，國內針對矸石充填隔離的研究較少，隔離層應具有惰性、有害物質含量低、滲透系數小等特點，起到隔離和化學穩定的作用。蔡苗等（2016）針對陜西潼關金礦區的重金屬污染，采用充填隔離法，對底部礦渣進行推平壓實、中部覆蓋10 cm 三合土隔離層、上部覆蓋40 cm 凈土壓實、頂部覆蓋30 cm 耕植土層。工程證明，該措施取得較好的物理隔離效果，土壤環境得到了一定程度的改善[9]。王曦（2014）通過開展矸石對地下水的吸附試驗，發現矸石細顆粒的含量對水分上移高度具有重要影響，直徑小于1 cm 的矸石含量百分比為70%時，基質層孔隙結構、持水能力最優，充填重構土壤的水分、養分條件也最優[10]。

結合《采煤塌陷地治理規范》（DB37/T 4312-2021）及相關理論實踐，堅持客土使用量小、成本低、效果優的原則，80 cm 是矸石充填復墾較為經濟合理的覆土厚度，不僅可以增加復墾土壤的安全性并有利于提高土壤熟化程度，還可為土壤固碳或碳隔離奠定基礎。

3.2 矸石充填復墾施工技術流程

矸石充填復墾要在充分考慮開采沉陷與地表復墾措施的基礎上，優選復墾時機與技術方案，實現井下采礦與地表預復墾的時空耦合，減小積水對表土的破壞，降低復墾施工難度，進而縮短土地損毀時間。綜合施工格網尺寸、矸石充填厚度和隔離方法等，高潛水位采煤塌陷區矸石充填復墾技術流程為：結合煤礦生產接續計劃，首先進行開采沉陷預測，開展野外潛水位調查，進行地表積水分析，確定復墾設計標高；優化復墾時機，在地表沉陷產生積水之前，進行表土剝離，采用全厚充填法，將煤矸石回填至設計標高，然后進行復墾區域的整平覆土；復墾治理完成后，進行土壤改良，滿足農作物正常耕種要求。如圖5。

圖5 矸石充填復墾施工技術流程示意圖

4 結語

以鄒城市中心店鎮東灘煤礦矸石充填復墾樣地為例，土壤肥力條件、重金屬含量測試結果均符合采煤塌陷地治理工程建設土壤質量標準，可滿足農作物耕種要求。結合矸石充填復墾研究成果，開展了高潛水位采煤塌陷區矸石充填復墾技術及流程研究，建議提高開采沉陷預測精度，研發矸石充填隔離層材料，進一步優化矸石充填預復墾時機，以提高土地復墾質量，縮短土地損毀時間。