董周賓

（1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì)），山東 濟(jì)寧 272000；

2.自然資源部采煤沉陷區(qū)綜合治理工程技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)寧 272000）

現(xiàn)有矸石充填復(fù)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(nóng)作物生長。這種“土壤層-矸石層”雙層剖面模型易對土壤質(zhì)量造成一定負(fù)面環(huán)境影響[1]。本文以鄒城市中心店鎮(zhèn)東灘煤礦矸石充填復(fù)墾樣地為研究區(qū)，根據(jù)土壤肥力、重金屬元素測試結(jié)果，查明土壤復(fù)墾質(zhì)量，對高潛水位采煤塌陷區(qū)矸石充填復(fù)墾技術(shù)及流程提出建議。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為鄒城市中心店鎮(zhèn)東灘煤礦四采區(qū)矸石充填復(fù)墾項(xiàng)目區(qū)，位于東灘煤礦礦區(qū)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(shù)，地表最大下沉量約為7 m。礦區(qū)位于高潛水位平原地區(qū)，受開采沉陷影響造成的土地?fù)p毀現(xiàn)象十分突出。研究區(qū)復(fù)墾標(biāo)高設(shè)計(jì)為47 m，矸石充填層的上方覆蓋約1 m 表土層，矸石充填復(fù)墾標(biāo)高為46 m，采用全厚充填法，將煤矸石充填至標(biāo)高，平均充填厚度介于4～6 m。在矸石充填層上部進(jìn)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(qū)選取4 個(gè)土壤取樣點(diǎn)，其中矸石充填復(fù)墾樣地取樣3 個(gè)（編號：FKTY01、FKTY02、FKTY03）、對照耕地取樣1 個(gè)（編號：DZTY04），分別對0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 不同深度的樣品進(jìn)行土壤肥力測試。另外，在土壤取樣點(diǎn)進(jìn)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(jìn)行土壤重金屬元素測試。

2.1 土壤肥力測試

研究區(qū)復(fù)墾樣地土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)、有效氮、有效磷、速效鉀含量均總體呈現(xiàn)降低的趨勢，均符合采煤塌陷地治理工程建設(shè)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，滿足農(nóng)作物耕種要求（圖1 ～圖4）。

圖1 不同深度剖面層次土壤有機(jī)質(zhì)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(qū)復(fù)墾樣地土壤肥力測試結(jié)果

2.2 土壤重金屬測試

土壤重金屬測試結(jié)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(biāo)準(zhǔn)的36.67%；Hg 含量平均值為0.028 mg/kg，約為管控標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的59.80%。7 項(xiàng)重金屬元素含量均小于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控值，不存在重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)[3]（見表2）。

表2 研究區(qū)復(fù)墾樣地土壤重金屬測試結(jié)果

3 矸石充填復(fù)墾技術(shù)

3.1 土壤重構(gòu)的關(guān)鍵

土壤重構(gòu)是土地復(fù)墾質(zhì)量的關(guān)鍵，是土地復(fù)墾工作的核心任務(wù)[4-5]。采用矸石充填進(jìn)行復(fù)墾治理時(shí)，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(huì)限制植物的生長；若覆土過厚，會(huì)增大復(fù)墾治理成本[6]。一般情況下，農(nóng)作物根系的發(fā)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(yàn)，選取矸石構(gòu)建土壤基層，在矸石上部設(shè)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(jìn)行耕作，發(fā)現(xiàn)覆土厚度30 cm 和50 cm 均限制了農(nóng)作物的生長與產(chǎn)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(gòu)土壤層溫度變化，發(fā)現(xiàn)矸石層會(huì)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(dāng)覆土厚度大于80 cm 時(shí)，土壤層的溫度變化幾乎不受矸石充填的影響[8]。

土壤重構(gòu)應(yīng)綜合考慮各種因素對土壤發(fā)育的影響，剔除影響植物生長發(fā)育的因素，在較短時(shí)間內(nèi)形成與區(qū)域土壤相適應(yīng)的耕作剖面。若采用有毒、有害物質(zhì)，需采取有效的隔離措施，防止對土壤、地下水環(huán)境產(chǎn)生污染。

目前，國內(nèi)針對矸石充填隔離的研究較少，隔離層應(yīng)具有惰性、有害物質(zhì)含量低、滲透系數(shù)小等特點(diǎn)，起到隔離和化學(xué)穩(wěn)定的作用。蔡苗等（2016）針對陜西潼關(guān)金礦區(qū)的重金屬污染，采用充填隔離法，對底部礦渣進(jìn)行推平壓實(shí)、中部覆蓋10 cm 三合土隔離層、上部覆蓋40 cm 凈土壓實(shí)、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(huán)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(yàn)，發(fā)現(xiàn)矸石細(xì)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(shí)，基質(zhì)層孔隙結(jié)構(gòu)、持水能力最優(yōu)，充填重構(gòu)土壤的水分、養(yǎng)分條件也最優(yōu)[10]。

結(jié)合《采煤塌陷地治理規(guī)范》（DB37/T 4312-2021）及相關(guān)理論實(shí)踐，堅(jiān)持客土使用量小、成本低、效果優(yōu)的原則，80 cm 是矸石充填復(fù)墾較為經(jīng)濟(jì)合理的覆土厚度，不僅可以增加復(fù)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(chǔ)。

3.2 矸石充填復(fù)墾施工技術(shù)流程

矸石充填復(fù)墾要在充分考慮開采沉陷與地表復(fù)墾措施的基礎(chǔ)上，優(yōu)選復(fù)墾時(shí)機(jī)與技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)井下采礦與地表預(yù)復(fù)墾的時(shí)空耦合，減小積水對表土的破壞，降低復(fù)墾施工難度，進(jìn)而縮短土地?fù)p毀時(shí)間。綜合施工格網(wǎng)尺寸、矸石充填厚度和隔離方法等，高潛水位采煤塌陷區(qū)矸石充填復(fù)墾技術(shù)流程為：結(jié)合煤礦生產(chǎn)接續(xù)計(jì)劃，首先進(jìn)行開采沉陷預(yù)測，開展野外潛水位調(diào)查，進(jìn)行地表積水分析，確定復(fù)墾設(shè)計(jì)標(biāo)高；優(yōu)化復(fù)墾時(shí)機(jī)，在地表沉陷產(chǎn)生積水之前，進(jìn)行表土剝離，采用全厚充填法，將煤矸石回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后進(jìn)行復(fù)墾區(qū)域的整平覆土；復(fù)墾治理完成后，進(jìn)行土壤改良，滿足農(nóng)作物正常耕種要求。如圖5。

圖5 矸石充填復(fù)墾施工技術(shù)流程示意圖

4 結(jié)語

以鄒城市中心店鎮(zhèn)東灘煤礦矸石充填復(fù)墾樣地為例，土壤肥力條件、重金屬含量測試結(jié)果均符合采煤塌陷地治理工程建設(shè)土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可滿足農(nóng)作物耕種要求。結(jié)合矸石充填復(fù)墾研究成果，開展了高潛水位采煤塌陷區(qū)矸石充填復(fù)墾技術(shù)及流程研究，建議提高開采沉陷預(yù)測精度，研發(fā)矸石充填隔離層材料，進(jìn)一步優(yōu)化矸石充填預(yù)復(fù)墾時(shí)機(jī)，以提高土地復(fù)墾質(zhì)量，縮短土地?fù)p毀時(shí)間。