一种矿区厚煤层开采沉陷区就地取土复垦方法 【技术领域】
本发明涉及一种采煤塌陷区复垦技术，尤其是平原高潜水位矿区厚煤层开采沉陷区的土地复垦方法，属采矿技术领域。
背景技术
煤炭开采导致的地表沉陷土地破坏面积量大面广，当沉陷后的地表高度低于地下潜水位时，就会造成地表积水，特别是中高潜水位的平原矿区，这些矿区相当一部分是粮食主产区，因采煤沉陷积水导致的耕地破坏现象尤为严重。为了保护宝贵的耕地资源，采取一定的措施复垦沉陷破坏耕地是必要的。由于矿区缺乏充填材料，现有的土地复垦技术常常因地制宜采取就地取土的方式复垦耕地，即在沉陷较深处挖取土方回填附近沉陷较浅处形成耕地。按照目前普通的复垦操作程序，往往将取土区的地表熟化土壤翻至回填区的下层，而回填区的表土则是取土区的下层生土，或者上下层土壤混合，复垦土壤质量不高，增加了后续的土壤改良难度。另外，现有的复垦技术很少关注复垦后表层土壤质地状况，不良的土壤质地(砂质或粘质)会影响到土壤质量和改良。
【发明内容】
本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种有效地提高复垦土地质量，减少了后续土壤改良成本的矿区厚煤层开采沉陷区就地取土复垦方法。
本发明所称问题是由以下技术方案解决的：
一种矿区厚煤层开采沉陷区就地取土复垦方法，其特别之处是，它按照如下步骤实施：
a.土壤剖面信息获取：对项目区积水进行排除，然后在取土区挖土壤剖面，确定表土层、心土层和底土层厚度数据，同时获取各层次土壤容重数据，步采集剖面各层土壤样品，通过土壤颗粒组成分析确定各层次土壤质地数据；
b.确定表层土壤质地调配系数t：
d1x1+td2x2d1+td2<15%d1y1+td2y2d1+td2<85%---(1-1)]]>
式中：d1、d2为表层土壤和底层土壤的容重；x1、y1分别为表层土壤的粘粒、砂粒含量；x2、y2分别为底层土壤的粘粒、砂粒含量；t为调配系数；
当表土偏粘，即x1＞15％，且底土层偏砂y2＞85％时，由式(1-1)导出调配系数t应满足如下条件：
d1d2x1-0.150.15-x2<t<0.85-y1y2-0.85d1d2---(1-2)]]>
当表土偏砂，即y1＞85％，且底土偏粘x2＞15％时，由式(1-1)导出调配系数t应满足如下条件：
d1d2y1-0.850.85-y2<t<0.15-x1x2-0.15d1d2---(1-3);]]>
c.施工区段划分：依据沉陷后地形地貌、复垦耕地所要求的潜水埋深要求，确定控制复垦标高，根据挖、填土方平衡的原则进行取土区域、回填区域的划分；根据取土区域和回填区域的大小，将取土区和回填区分别划分成n段，n是3的倍数关系，其中取土区段分别为A1-An，回填区段分别为B1-Bn；
d.分层施工：根据所划分的取土区段、回填区段，按照土壤剖面从上往下表土层、心土层和底土层三层分别挖取回填，分层施工，并根据调配系数t，完成对表土层的调配。
上述矿区厚煤层开采沉陷区就地取土复垦方法，所述d步骤中分层施工过程如下：首先，将取土区A1的表土层、心工层分别挖置一边按从下往上顺序堆积，挖取其底土层垫至回填区B1的区段作为其底土层；其次，将取土区A2的表土层挖置一边，将其心土层垫至回填区B1底土层之上作为其心土层、挖取其底土层垫至回填区B2的区段作为其底土层；接着，将取土区A3的表土层、心土层、底土层分别垫至回填区B1、B2、B3，即分别作为回填区B1、B2、B3的表土层、心土层、底土层，在将取土区A3的表土层回填至B1作为表土层的同时，根据调配系数t从取土区A1的底土层区域再挖取部分底土回填到B1的表土层；按照上述过程依次在取土区段及回填区段进行，直至取土区An的底土层为止，最后，将取土区A1置于一边的表土层和根据调配系数t挖取An-1的底土层混合回填至Bn-1上作为其表土层，将取土区A1置于一边的心土层垫至回填区Bn之上作为其心土层，A2置于一边的表土层和根据调配系数t挖取An底土混合回填至Bn之上作为表土层。
上述矿区厚煤层开采沉陷区就地取土复垦方法，控制耕地复垦设计标高≥地下潜水位标高1m。
本发明方法基于现有开采沉陷区耕地复垦技术复垦土壤质量不高、增加后续土壤改良难度等问题，提出一种有利于提高复垦后土壤质地的方法。该方法的核心是土壤原有剖面层次的保护和表层土壤质地的改良。本发明方法与现有土地复垦技术相比，显示了如下优点：有效的保持了原有的土壤剖面结构层次，保护了肥沃的表土资源，维持了土壤生态环境，复垦土壤质量较高；对表层土壤质地不良(砂质或粘质)的耕地，能够利用不同剖面层次土壤质地互补性，在施工中通过合理调配达到改善表层土壤质地的作用，提高了土壤质量，减少了后续的土壤改良难度。
【附图说明】
图1是本发明方法施工区段划分示意图；
图2是本发明挖填区剖面示意图；
图3是本发明实施例施工区段划分示意图。
图中标号表示如下：1-表土层；2-心土层；3-底土层；4-潜水位线；5-沉陷后地表；6-取土区；7-回填区。
【具体实施方式】
本发明从保护土壤层次结构和改良复垦耕地表层土壤质地的角度，提供一种适用于平原矿区厚煤层开采沉陷地土地复垦的方法，该方法使复垦后地耕地在保持原有的土壤层次结构基础上，对不良质地的表土进行质地改良，达到提高复垦质量的目的。
本发明方法通过如下步骤实现：
a土壤剖面信息获取：首先对项目区积水进行排除，然后在取土区挖土壤剖面，土壤剖面深度要求不低于项目施工的取土深度，确定表土层、心土层和底土层厚度数据；同时获取各层次土壤容重数据；同步采集剖面各层土壤样品，通过土壤颗粒组成分析确定各层次土壤质地数据。耕作土壤剖面结构从上往下分为表土层、心土层、底土层三个层次。表土层位于地表，是农业活动的主要层次，也是农作物根系的主要活动层，厚度一般在20～40cm范围内；心土层位于表土层之下，此层受上部土体的压力而较紧密，受气候和地表植物生长的影响较弱，厚度一般约为20～30cm；底土层位于心土层之下，不受耕作影响，保持着母质或原母土淀积层的原来的面貌。
b表层土壤质地调配系数t的确定：根据上升的土壤剖面土壤质地状况等信息确定最终的复垦施工方案。从土壤质地的层次分异来说，表土层和心土层层次相近，且层次厚度不大，层次间质地分异一般不明显，底土层与表土层距离较远，受气候和耕作影响差异较大，层次间土壤质地往往差异较大，因此，本发明在复垦过程中利用底层土对表层土进行质地改良。如果表层土壤质地存在偏砂(砂粒含量大于85％)或偏粘(表土粘粒含量大于15％)的不良性状，且剖面底层土壤质地有互补性，可通过表层土和底层土的合理调配使复垦后表土符合壤质土标准(即表土的粘粒含量小于15％、砂粒含量小于85％)，因此，根据下面公式计算表土调配系数t(调配系数t即底层土壤体积与表层土壤体积之比)。
d1x1+td2x2d1+td2<15%d1y1+td2y2d1+td2<85%---(1-1)]]>
式中：d1、d2为表层土壤和底层土壤的容重；x1、y1分别为表层土壤的粘粒、砂粒含量；x2、y2分别为底层土壤的粘粒、砂粒含量；t为调配系数，即表层土壤体积∶底层土壤体积为1∶t。
当表土偏粘，即x1＞15％，且底土层偏砂y2＞85％时，由式(1-1)导出调配系数t应满足如下条件：
d1d2x1-0.150.15-x2<t<0.85-y1y2-0.85d1d2---(1-2)]]>
当表土偏砂，即y1＞85％，且底土偏粘x2＞15％时，由式(1-1)导出调配系数t应满足如下条件：
d1d2y1-0.850.85-y2<t<0.15-x1x2-0.15d1d2---(1-3)]]>
根据(1-2)或(1-3)的计算，调配系数t的取值是一个取值区间，t值的选取在综合考虑调配土源和表土保护的原则下进行合理选取。
当表层土壤质地属于壤质土壤范围(即x1＜15％、y1＜85％)，则调配系数t取值为0，即不需要对表土进行土壤质地改良措施。
当不同剖面层次土壤质地不存在互补性时，则本方法不适用。
c施工区段划分：依据沉陷后地形地貌、复垦耕地设计标高≥地下潜水位标高1m的要求，确定控制复垦标高，根据挖、填土方平衡的原则进行取土区域、回填区域的划分；参看图1，根据取土区域和回填区域的大小，将取土区和回填区分别划分成n段，n是3的倍数关系，其中取土区段分别为A1-An，回填区段分别为B1-Bn。
d分层施工：施工过程根据所划分的取土区段、回填区段，按照土壤剖面从上往下表土层、心土层和底土层三层分别挖取回填，分层施工，并根据调配系数t，完成对表土层的调配。施工过程如下：首先，将取土区A1的表土层、心土层分别挖置一边按从下往上顺序堆积，挖取其底土层垫至回填区B1的区段作为其底土层；其次，将取土区A2的表土层挖置一边，将其心土层垫至回填区B1底土层之上作为其心土层、挖取其底土层垫至回填区B2的区段作为其底土层；接着，将取土区A3的表土层、心土层、底土层分别垫至回填区B1、B2、B3，即分别作为回填区B1、B2、B3的表土层、心土层、底土层，为了改良表层土壤质地，在将取土区A3的表土层回填至B1作为表土层的同时，根据调配系数t从取土区A1的底土层区域再挖取部分底土回填到B1的表土层。按照上述过程依次对回填区B的段进行分成回填，直至取土区An的底土层为止，最后，将取土区A1置于一边的表土层和根据调配系数t挖取An-1的底土混合回填至Bn-1上作为其表土层，将取土区A1置于一边的心土层垫至回填区Bn之上作为其心土层，A2置于一边的表土层和相应比列的An的底土混合回填至Bn之上作为表土层。至此，整个就地取土回填复垦工作结束。复垦后土壤剖面基本维持了原有的土壤剖面结构。参看图2，这是挖填区剖面示意图，从取土区6取出的土回填到回填区7，回填区7自下而上为底土层1、心土层2、表土层3。回填前沉陷后地表如5所示，地下潜水位线如4所示。
下面给出几个具体的实施例：
实施例一：华东平原某高潜水位矿区，该区潜水位标高+39.5m，地面下沉前标高+41.0m，煤层开采地表沉陷深度在4m左右，平均积水深度在2.5m左右。项目区沉陷前为耕地，耕地以旱作为主。
土壤剖面信息获取：首先挖沟排除复垦区积水，待积水排除后挖取约2m深的土壤剖面，确定表土层厚度为0.40m，心土层厚度约0.20m，往下均为底土层。各层次土壤容重分别为1.33g/cm3、1.43g/cm3和1.54g/cm3。土壤剖面各层次颗粒组成见表1：
表1土壤机械组成分析结果
土壤层次 X 粘粒百分含量％ (＜0.002mm) Y 砂粒百分含量％ (＞0.05mm) 粉砂粒百分含量％ (0.002-0.05mm) 质地名称 表土层 1.35 91.25 7.40 砂质土
土壤层次 X 粘粒百分含量％ (＜0.002mm) Y 砂粒百分含量％ (＞0.05mm) 粉砂粒百分含量％ (0.002-0.05mm) 质地名称 心土层 6.25 76.53 17.22 壤质土 底土层 21.52 55.48 23.00 粘质土
调配系数确定：根据本项目区土壤剖面层次，表层土壤颗粒组成中砂粒含量y1＝91.25％＞85％，土壤质地属于砂土，存在质地不良性状；底土层土壤颗粒组成中粘土含量x2＝21.52％＞15％，土壤质地属于粘土；因此，在构建表土层时可利用底土层土壤质地的互补性来进行表土土壤质地的改良。由于表土层土壤质地为砂质，利用公式(1-3)计算调配系数t值。
0.9125-0.850.85-0.5548×1.331.54<t<0.15-0.01350.2152-0.15×1.331.54]]>即0.18＜t＜1.81
为了提高表土养分含量，进行表土保护，在选取t值时尽量提高表土在调配土中的比重，一般t值取较小值，因此，调配系数t确定为0.2，即5份表土与1份底土混合构建复垦耕地的表土层。
施工田块划分：项目区地下潜水位标高为+39.5m，根据旱作农作物对地下潜水埋深的要求，耕地标高应高于地下潜水位1m以上，为了节约回填土方量和施工成本，确定耕地回填设计标高为+40.5m。根据耕地复垦标高、挖深区养殖鱼塘标高以及土方平衡原则划分挖填区域，确定平均挖填土方厚度为1.5m。挖填区域长700～750m、宽40～50m，将长边按45～55m为间隔划分成15段，形成15个长45～55m、宽40～50m的施工区段，且满足3的倍数关系。
分层施工：参看图3，A1～A15表示取土区划分区段，B1～B15表示回填区划分区段，满足15是3的倍数、挖填区段相同的条件。其挖、垫顺序表述为：首先，将A1的0.40m的表土层、0.20m的心土层分别挖置一边，将其0.82m厚(为了保证设计标高，在底土挖取时已扣除调配底土厚度)的底土层垫至B1作为其底土层；其次，将A2的0.40m表土层挖置一边，将其0.20m的心土层垫至B1底土层之上作为其心土层、0.82m的底土层垫至B2作为其底土层；接着，将A3区段的0.4m厚的表土层和A1区段的0.08m厚(满足表土底土调配系数为0.2)的底土层混合垫至B1区段作为其表土层、0.20m的心土层垫至B2作为其心土层、0.82m的底土层垫至B3作为其底土层。如此循环往复，直至A15的底土层垫至B15作为其底土层、A1置于一边的表土层和满足调配系数为0.2的A14底土层混合垫至B14上作为其表土层。将A1置于一边的心土层垫至回填区B15之上作为其心土层，A2置于一边的表土层和满足调配系数为0.2的A15混合垫至B15之上作为表土层。至此，整个就地取土工作结束。复垦后土壤剖面基本维持了原有的土壤剖面结构。
实施例二：华东平原某高潜水位矿区，该矿区地下潜水位标高+39.8m，地面下沉前标高+41.5m，煤层开采地表沉陷深度一般在4m左右，平均积水深度一般在2.3m左右。项目区沉陷前旱作耕地。复垦技术方案如下：
土壤剖面信息获取：首先挖沟排除复垦区积水，待积水排除后挖取约2m深的土壤剖面，确定表土层厚度为0.20m，心土层厚度约0.30m，往下均为底土层。各层次土壤容重分别为1.31g/cm3、1.40g/cm3和1.53g/cm3。土壤剖面各层次颗粒组成见表2：
表2土壤机械组成分析结果
土壤层次 X 粘粒百分含量％ (＜0.002mm) Y 砂粒百分含量％ (＞0.05mm) 粉砂粒百分含量％ (0.002-0.05mm) 质地名称 表土层 5.30 88.55 6.15 砂质土 心土层 8.75 71.97 19.28 壤质土 底土层 25.38 50.07 24.55 粘质土
调配系数确定：根据本项目区土壤剖面层次，表层土壤颗粒组成中砂粒含量y1＝88.55％＞85％，土壤质地属于砂土，存在质地不良性状；底土层土壤颗粒组成中粘土含量x2＝25.38％＞15％，土壤质地属于粘土；因此，在构建表土层时可利用底土层土壤质地的互补性来进行表土土壤质地的改良。由于表土层土壤质地为砂质，可利用公式(1-3)计算调配系数t值。
0.8855-0.850.85-0.5007×1.321.55<t<0.15-0.530.2538-0.15×1.321.55]]>即0.09＜t＜0.80
为了提高表土养分含量，进行表土保护，在选取t值时尽量提高表土在调配土中的比重，一般t值取较小值，因此，本次调配系数t确定为0.1，即10份表土与1份底土混合构建复垦耕地的表土层。
施工田块划分：由于项目区地下潜水位埋标高为+39.8m，根据旱作农作物对地下潜水埋深的要求，耕地标高应高于地下潜水位1m以上，为了节约回填土方量和施工成本，确定耕地回填设计标高为+40.8m。根据耕地复垦标高、挖深区养殖鱼塘标高以及土方平衡原则划分挖填区域，确定平均挖填土方厚度为1.5m。由于挖填区域长600～660m、宽35～50m，将长边按40～45m为间隔划分成15段，形成15个长40～45m、宽35～50m的施工区段，且满足3的倍数关系。
分层施工：参看图3，A1～A15表示取土区划分区段，B1～B15表示回填区划分区段，满足15是3的倍数、挖填区段相同的条件。其挖、垫顺序表述为：首先，将A1的0.20m的表土层、0.30m的心土层分别挖置一边，将其0.98m厚(为了保证设计标高，在底土挖取时已扣除调配底土厚度)的底土层垫至B1作为其底土层；其次，将A2的0.20m表土层挖置一边，将其0.30m的心土层垫至B1底土层之上作为其心土层、0.98m的底土层垫至B2作为其底土层；接着，将A3区段的0.20m厚的表土层和A1区段的0.02m厚(满足表土底土调配系数为0.1)的底土层混合垫至B1区段作为其表土层、0.30m的心土层垫至B2作为其心土层、0.98m的底土层垫至B3作为其底土层。如此循环往复，直至A15的底土层垫至B15作为其底土层、A1置于一边的表土层和满足调配系数为0.1的A14底土层混合垫至B14上作为其表土层。将A1置于一边的心土层垫至回填区B15之上作为其心土层，A2置于一边的表土层和满足调配系数为0.1的A15混合垫至B15之上作为表土层。至此，整个就地取土工作结束。复垦后土壤剖面基本维持了原有的土壤剖面结构。
实施例三：华东平原某高潜水位矿区，该区潜水位标高+39.3m，地面下沉前标高+40.8m，煤层开采地表沉陷深度一般在3.5m左右，平均积水深度一般在2.0m左右。项目区沉陷前旱作耕地。复垦技术方案如下：
土壤剖面信息获取：首先挖沟排除复垦区积水，待积水排除后挖取约2m深的土壤剖面，确定表土层厚度为0.32m，心土层厚度约0.25m，往下均为底土层。各层次土壤容重分别为1.38g/cm3、1.42g/cm3和1.50g/cm3。土壤剖面各层次颗粒组成见表3：
表3土壤机械组成分析结果
土壤层次 X 粘粒百分含量％ (＜0.002mm) Y 砂粒百分含量％ (＞0.05mm) 粉砂粒百分含量％ (0.002-0.05mm) 质地名称 表土层 18.50 52.78 28.72 粘质土 心土层 10.75 73.25 16.00 壤质土 底土层 1.39 88.85 9.76 砂质土
调配系数确定：根据本项目区土壤剖面层次，表层土壤颗粒组成中粘粒含量x1＝18.50％＞15％，土壤质地属于粘土，存在质地不良性状；底土层土壤颗粒组成中砂粒含量y2＝88.85％＞85％，土壤质地属于砂土；因此，在构建表土层时可利用底土层土壤质地的互补性来进行表土土壤质地的改良。由于表土层土壤质地为粘质，可利用公式(1-2)计算调配系数t值。
0.185-0.150.15-0.139×1.381.50<t<0.85-0.52780.8885-0.85×1.381.50]]>即0.24＜t＜7.70
为了提高表土养分含量，进行表土保护，在选取t值时尽量提高表土在调配土中的比重，一般t值取较小值，因此，本次调配系数t确定为0.25，即4份表土与1份底土混合构建复垦耕地的表土层。
施工田块划分：由于项目区地下潜水位埋标高为+39.3m，根据旱作农作物对地下潜水埋深的要求，耕地标高应高于地下潜水位1m以上，为了节约回填土方量和施工成本，确定耕地回填设计标高为+40.3m。根据耕地复垦标高、挖深区养殖鱼塘标高以及土方平衡原则划分挖填区域，确定平均挖填土方厚度为1.6m。由于挖填区域长650～720m、宽38～56m，将长边按43～48m为间隔划分成15段，形成15个长43～48m、宽38～56m的施工区段，且满足3的倍数关系。
分层施工：参看图3，A1～A15表示取土区划分区段，B1～B15表示回填区划分区段，满足15是3的倍数、挖填区段相同的条件。其挖、垫顺序表述为：首先，将A1的0.32m的表土层、0.25m的心土层分别挖置一边，将其0.95m厚(为了保证设计标高，在底土挖取时已扣除调配底土厚度)的底土层垫至B1作为其底土层；其次，将A2的0.32m表土层挖置一边，将其0.25m的心土层垫至B1底土层之上作为其心土层、0.95m的底土层垫至B2作为其底土层；接着，将A3区段的0.32m厚的表土层和A1区段的0.08m厚(满足表土底土调配系数为0.25)的底土层混合垫至B1区段作为其表土层、0.25m的心土层垫至B2作为其心土层、0.95m的底土层垫至B3作为其底土层。如此循环往复，直至A15的底土层垫至B15作为其底土层、A1置于一边的表土层和满足调配系数为0.1的A14底土层混合垫至B14上作为其表土层。将A1置于一边的心土层垫至回填区B15之上作为其心土层，A2置于一边的表土层和满足调配系数为0.25的A15混合垫至B15之上作为表土层。至此，整个就地取土工作结束。复垦后土壤剖面基本维持了原有的土壤剖面结构。