[发明专利]一种煤基固废用于采煤塌陷区土壤重构的方法

权利要求书

1.一种煤基固废用于采煤塌陷区土壤重构的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)进行各阶段下沉值预测：

基于地表沉陷的一般规律，根据Logistic时间序列函数式(1)，对开采时的地表沉陷值采用式(2)进行动态预测，得到的模型预测参数能够灵活体现地表沉陷的时空分布特征；

W_t＝[1-1/(1+(t/x₀)^P)]W_m                             (2)

式中：为时间函数，W_t为该点t时刻预测下沉值，x₀为地表下沉速度阻尼系数，一般取x₀＝160，p为下沉速度增长因子，一般取p＝3.1，W_m为实测地表某点的最大下沉值；

(2)构建基于坐标变换的地表沉陷预测模型：

对于煤层采出空间近似设定为矩形，根据式(3)和(4)可沿工作面走向或倾斜主断面分别构建基于坐标变换的沉陷预测模型，其中坐标原点位于采空区边界的正上方；

式中：

W⁰(x)、W⁰(y)分别为走向和倾向主断面地表下沉量；

U⁰(x)和U⁰(y)分别为走向和倾向主断面水平移动量；

W₀＝mqcosα为地表最大下沉值，其中m为开采厚度，q为下沉系数，α为煤层倾角；

H₁、H₂分别为下山和上山方向的采深，b、b₁、b₂分别为走向、下山和上山方向的水平移动系数；

r、r₁、r₂分别为走向、下山和上山方向的主要影响半径，r＝H/tanβ，r₁＝H₁/tanβ₁，

r₂＝H₂/tanβ₂；

H为走向方向采深，tanβ、tanβ₁和tanβ₂分别为走向、下山和上山方向主要影响角正切值；

s₃、s₄、s₁、s₂分别为走向左、右、下山、上山方向的拐点偏移距；

D₁、D₃分别为倾向和走向工作面开采宽度，θ₀为开采影响传播角；

(3)构建地表沉陷动态预测模型：

基于Logistic时间函数的地表沉陷动态预测模型可通过任意点的地表下沉模型乘以时间函数来确定，在具体计算时，按时间序列将回采区域划分为n个独立开采单元，首先计算每个单元开采产生的地表下沉量，再将所有单元开采产生的地表下沉量进行叠加即可得到地表产生的总下沉量；

若工作面开采速度v恒定，则每个单元回采历时均为Δt，则在t时刻地表倾向主断面动态下沉预计公式可表示为式(5)，Δt可通过工作面周期来压步距与回采速度v之比来确定，将式(1)和(2)代入式(5)，可得倾向主断面动态下沉函数模型，同理，可得走向主断面和任意点的动态下沉预测模型，当t→+∞时计算结果为地表终态的移动和变形；

(4)煤基固废筛选：对用于采煤塌陷区土壤重构的煤基固废进行化学成分测定，其重金属含量需要满足GB15618-2018中规定的分险管制值，对于重金属含量超标的煤基固废进行筛除；

(5)煤基固废堆场环境风险等级评估：重点评估煤基固废堆场对地下水、地表水及周边土壤的环境污染风险，确保环境风险可以接受，充填或回填活动结束后，应根据风险评估结果对可能受到影响的土壤、地表水及地下水开展长期监测，监测频次至少每年1次；

(6)机械剥离原始土壤后回填：通过机械方式剥离采空区原始土壤就近堆积，将煤基固废按照设定比例加入土壤改良剂和堆肥等辅助材料充分混合后，最后按照设定分层高度比例依次按照防重金属污染层、第1充填层、夹心土层、第2充填层、心土层、表土层和阻隔层顺序进行分层回填；

(7)回填作业完成后在地表铺设给水系统，同时种植优良牧草、乡土植被植物，形成优势种群植物分布，符合土地复垦质量控制标准要求——行业标准TD/T1036-2013，达到土壤重构目的；

所述第1充填层充填煤基固废，质量比例分别为煤矸石15％、粉煤灰10％、炉底渣10％、气化渣5％、脱硫石膏5％；所述夹心土层充填原始土壤；所述第2充填层充填煤基固废，质量比例分别为煤矸石15％、粉煤灰20％、炉底渣5％、气化渣10％、脱硫石膏5％；所述心土层充填煤基固废和原始土壤，质量比例分别为粉煤灰25％、炉底渣25％、气化渣20％、脱硫石膏10％、原始土壤20％；所述表土层充填原始土壤85％、土壤调节剂1％、动物粪便4％、堆肥10％；

利用防渗阻隔技术，在所述第1充填层底部铺设防重金属污染层，所述防重金属污染层以活性炭为载体，设置上下两层，上层含有还原剂、螯合剂、吸附剂其中至少一种，下层布置防渗材料；在表土层上方覆盖0.3m的阻隔层，所述阻隔层需要先覆盖0.15m厚的黏土层，然后铺设HDPE膜，最后在HDPE膜上覆盖0.15m黏土层；同时，回填塌陷区应该在回填作业后立即实施土地复垦。