一种煤矿塌陷坑的修复方法

技术领域

本发明涉及生态修复技术领域，具体涉及一种煤矿塌陷坑的修复方法。

背景技术

随着煤炭资源开采技术的进步，矿山环境问题的发生速度和规模都超出 了环境的承载能力，矿山及其周边的矿山环境问题越来越凸显。

煤炭开采改变了煤矿区原有的地质环境系统，开采沉陷问题、矿山次生 地质灾害、含(隔)水层结构破坏问题、固体废弃物问题等矿山环境地质问 题直接或间接的威胁着矿山生产安全与矿区居民生活状况。以开采沉陷问题 为例，具有明显的群发性和突发性特点，严重破坏了矿区内的景观环境，对 矿区生产安全产生极大隐患。

开采沉陷问题中，塌陷坑是一种常见的开采沉陷表现形式，该问题在井 工开采矿山普遍存在，造成大量土地资源破坏、生态环境破坏以及水资源浪 费。因此，寻求有效治理塌陷坑、修复矿山环境的方法就显得极为重要。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种煤矿塌陷 坑的修复方法，以解决现有存在的煤矿塌陷坑难易修复的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种煤矿塌陷坑的修复 方法，包括以下步骤：

S1、对煤矸石进行预处理；

S2、将预处理后的煤矸石作为回填物充填煤矿塌陷坑，然后推平，压实， 得煤矸石层；

S3、在煤矸石层上铺盖一层厚度为0.5-1m的第一基质材料；其中，第 一基质材料包括以下重量份的组分：壤土35-45份、城市污泥8-15份、粉煤 灰25-35份、果胶粉5-12份、丙烯酸1-3份和绒毛浆5-15份；

S4、在第一基质材料上面铺盖一层厚度为0.4-0.6m的第二基质材料；其 中，第二基质材料包括以下重量份的组分：壤土25-35份、城市污泥4-8份、 粉煤灰8-12份、果胶粉5-10份、丙烯酸2-6份、绒毛浆8-16份和微生物菌 肥3-8份。

S5、在第二基质材料上以行间混交的方式种植油松和刺槐，然后在植油 松和刺槐中间的空地处种植百喜草；其中，油松和刺槐的混交比例为 0.5-1.5:2-5。

本发明的有益效果为：本发明对煤矿塌陷坑的修复中体现了分层回填思 路，人工重塑了被破坏的煤矿地质环境，首先将煤矸石作为主要填充物填充 在煤矿塌陷坑中，实现了煤矸石的废物利用，然后在煤矸石层上铺盖第一基 质材料，第一基质材料中的城市污泥和粉煤灰的碱性和吸附作用可以促进煤 矸石中铁等氢氧化物的沉淀和多种重金属硫化物及碳酸盐的沉淀固定，且该 碱性条件下能够阻止嗜酸硫氧化细菌对煤矸石的催化氧化，即第一基质材料 仅邻预处理的煤矸石可以抑制煤矸石中硫化物氧化产生的酸和重金属污染， 提高了煤矿塌陷坑的修复作用。

此外，煤矸石中含有孔隙，而城市污泥具有流动性，因此，城市污泥还 可以有效填堵煤矸石中的孔隙，进一步提高了，煤矸石层的保水性能和肥力。 城市污泥和粉煤灰中含有大量的铵盐，铵盐可与果胶粉反应，来调节第一基 质材料的pH，使得第一基质材料的pH偏酸性，进而适宜油松、刺槐等植物 的生长。

在第一基质材料中加入丙烯酸和绒毛浆，可以起到保水作用，绒毛浆和 丙烯酸亲水性较好，丙烯酸吸水后，可以通过绒毛浆的疏导作用缓慢分散在 壤土中，此外，绒毛浆吸收后会膨胀，可起到保水作用，同时膨胀后的绒毛 浆会挤压壤土等成分，使其能够固定植物，防止倒伏等。

在第一基质材料上再铺盖第二基质材料，第二基质材料中包含了第一基 质材料中的成分，但含量有所变化，第二基质与煤矸石并没有直接接触，有 些成分不能与其反应，但各成分能够在第一基质材料基础上更进一步地进行 调节壤土酸碱性，使得更适合植物生长，同时更进一步地保水，能够为植物 提供适量的水分。此外，在第二基质材料中加入了微生物菌肥，可直接作用 于植物，为植物生长提供更多的养分，促进其生长。

在第二基质材料上种植植物，以乔木和草结合起来，再结合第二基质材 料中的微生物，使得煤矿塌陷坑形成一个多物种的生态系统，具体以行间混 交的方式种植油松和刺槐，基质材料中的成分就是为植油松和刺槐提供营养 成分和良好的生长环境，利于其更好的生长，从而对煤矿塌陷坑进行进一步 地修复，此外，在植油松和刺槐中间的空地处种植百喜草，百喜草可以充分 利用植油松和刺槐中间的空地，使得煤矿塌陷坑得到全方位的修复。

进一步地，第一基质材料包括以下重量份的组分：壤土40份、城市污 泥12份、粉煤灰30份、果胶粉8份、丙烯酸2份和绒毛浆10份。

进一步地，第二基质材料包括以下重量份的组分：壤土30份、城市污 泥6份、粉煤灰10份、果胶粉8份、丙烯酸4份、绒毛浆16份和微生物菌 肥5份。

进一步地，煤矸石进行预处理的过程具体如下：

S101、将煤矸石破碎后和磷酸三钠按照质量比为30-50:4-12混匀，室温 放置1-2天；

S102、将步骤S101所得物、月桂醇硫酸钠和乙酸按重量比为100： 15-25:5-15混匀，室温静置5-8h；

S103、将γ-巯丙基三甲氧基硅烷溶于体积分数为75-85％的乙醇溶液中， 使得γ-巯丙基三甲氧基硅烷的质量浓度为2-4％，然后调节溶液pH值为 4-4.5，在40-45℃条件下反应1-2h；

S104、将纳米纤维素和水混合，使得纳米纤维素的浓度为20-30mg/L， 然后进行超声分散，将超声分散液、步骤S102所得物和步骤S103所得物按 重量比为20-30:100:10-20混合，然后调节溶液pH值为8-9，在45-55℃条件 下反应2-3h，然后于80-90℃条件下反应6-8h，制得。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：将煤矸石填充在煤矿塌陷坑 中，作为最底层材料，其目的是防止其与过多的空气接触，发生氧化反应， 同时，对煤矸石进行预处理，即先将煤矸石破碎后和磷酸三钠混合处理，磷 酸三钠可以和煤矸石中的易氧化成分如Fe

进一步地，步骤S101中，将煤矸石破碎后和磷酸三钠按照质量比为40:8 混匀，室温放置1天。

进一步地，步骤S102中，将步骤S101所得物、月桂醇硫酸钠和乙酸按 重量比为100:20:10混匀，静置6h。

进一步地，步骤S104中，超声分散液、步骤S102所得物和步骤S103 所得物按重量比为25:100:15混合，然后调节溶液pH值为8.5，在50℃条件 下反应3h，然后于85℃条件下反应8h。

进一步地，城市污泥为污水处理厂经过脱水后得到的污泥，其有机质含 量大于40％，含水量为60％-75％。

进一步地，微生物菌肥包括以下重量份的组分：固氮菌2-6份、解磷菌 3-8份和解钾菌1-3份，其活性菌数大于1.0×10

采用上述进一步技术方案的有益效果为：固氮菌可以将壤土、城市污泥 和粉煤灰中的氮元素固定成易于植物吸收的形式，解磷菌和解钾菌可将城市 污泥以及壤土中难溶的矿质磷和钾分解出来，形成植物易于吸收的磷和钾， 利于植物生长。

进一步地，微生物菌肥包括以下重量份的组分：固氮菌4份、解磷菌5 份和解钾菌2份。

本发明的有益效果是：

本发明中将煤矸石用于填充煤矿塌陷坑，无需将煤矸石堆进行运输，大 大降低了煤矸石的处理成本，且在煤矸石上铺设第一基质材料层和第二基质 材料层，然后再种植植物，煤矸石层、第一基质材料层和第二基质材料层之 间协同作用，为植物提供适宜的生长环境和营养成分，还能够起到保水、固 定重金属等作用，有利于植物生长，从而起到修复煤矿塌陷坑的效果。尤其 是通过对煤矸石进行特定的处理，再与各层结合，更能使得煤矿塌陷坑得到 有效修复。

具体实施方式

以下所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例 中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或 仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1：

一种煤矿塌陷坑的修复方法，包括以下步骤：

S1、对煤矸石进行预处理

S101、将煤矸石破碎成直径2-5cm的碎块，然后和磷酸三钠按照质量比 为30:4混匀，室温放置1天；

S102、将步骤S101所得物、月桂醇硫酸钠和乙酸按重量比为100:15:5 混匀，室温静置5h；

S103、将γ-巯丙基三甲氧基硅烷溶于体积分数为75％的乙醇溶液中，使 得γ-巯丙基三甲氧基硅烷的质量浓度为2％，然后调节溶液pH值为4，在 40℃条件下反应2h；

S104、将纳米纤维素和水混合，使得纳米纤维素的浓度为20mg/L，然 后进行超声分散，将超声分散液、步骤S102所得物和步骤S103所得物按重 量比为20:100:10混合，然后调节溶液pH值为8，在45℃条件下反应3h， 然后于80℃条件下反应8h，制得；

S2、将预处理后的煤矸石作为回填物充填煤矿塌陷坑，然后推平，压实， 得煤矸石层；

S3、在煤矸石层上铺盖一层厚度为0.5-1m的第一基质材料；其中，第 一基质材料包括以下重量份的组分：壤土35份、城市污泥8份、粉煤灰25 份、果胶粉5份、丙烯酸1份和绒毛浆5份；

S4、在第一基质材料上面铺盖一层厚度为0.4-0.6m的第二基质材料；其 中，第二基质材料包括以下重量份的组分：壤土25份、城市污泥4份、粉 煤灰8份、果胶粉5份、丙烯酸2份、绒毛浆8份和微生物菌肥3份。

S5、在第二基质材料上以行间混交的方式种植油松和刺槐，然后在植油 松和刺槐中间的空地处种植百喜草；其中，油松和刺槐的混交比例为0.5:2。

其中，城市污泥为污水处理厂经过脱水后得到的污泥，其有机质含量为 45％，含水量为65％；

微生物菌肥包括以下重量份的组分：固氮菌2份、解磷菌3份和解钾菌 1份，其活性菌数大于1.0×10

采用上述修复方法对煤矿塌陷坑进行修复，6个月后，观察修复结果， 并且记录植被存活率和覆盖率，然后继续观察，记录实施3年后植被覆盖率 情况。6个月时存活率为85％，覆盖率为92％，3年后覆盖率为85％。

实施例2：

一种煤矿塌陷坑的修复方法，包括以下步骤：

S1、对煤矸石进行预处理

S101、将煤矸石破碎成直径2-5cm的碎块，然后和磷酸三钠按照质量比 为50:12混匀，室温放置2天；

S102、将步骤S101所得物、月桂醇硫酸钠和乙酸按重量比为100:25:15 混匀，室温静置8h；

S103、将γ-巯丙基三甲氧基硅烷溶于体积分数为85％的乙醇溶液中，使 得γ-巯丙基三甲氧基硅烷的质量浓度为4％，然后调节溶液pH值为4.5，在 45℃条件下反应1h；

S104、将纳米纤维素和水混合，使得纳米纤维素的浓度为30mg/L，然 后进行超声分散，将超声分散液、步骤S102所得物和步骤S103所得物按重 量比为30:100:20混合，然后调节溶液pH值为9，在55℃条件下反应2h， 然后于90℃条件下反应6h，制得；

S2、将预处理后的煤矸石作为回填物充填煤矿塌陷坑，然后推平，压实， 得煤矸石层；

S3、在煤矸石层上铺盖一层厚度为0.5-1m的第一基质材料；其中，第 一基质材料包括以下重量份的组分：壤土45份、城市污泥15份、粉煤灰35 份、果胶粉12份、丙烯酸3份和绒毛浆15份；

S4、在第一基质材料上面铺盖一层厚度为0.4-0.6m的第二基质材料；其 中，第二基质材料包括以下重量份的组分：壤土35份、城市污泥8份、粉 煤灰12份、果胶粉10份、丙烯酸6份、绒毛浆16份和微生物菌肥8份。

S5、在第二基质材料上以行间混交的方式种植油松和刺槐，其中，油松 和刺槐的混交比例为1:5。

其中，城市污泥为污水处理厂经过脱水后得到的污泥，其有机质含量为 45％，含水量为65％；

微生物菌肥包括以下重量份的组分：固氮菌6份、解磷菌8份和解钾菌 3份，其活性菌数大于1.0×10

采用上述修复方法对煤矿塌陷坑进行修复，6个月后，观察修复结果， 并且记录植被存活率和覆盖率，然后继续观察，记录实施3年后植被覆盖率 情况。6个月时存活率为86％，覆盖率为94％，3年后覆盖率为86％。

实施例3：

一种煤矿塌陷坑的修复方法，包括以下步骤：

S1、对煤矸石进行预处理

S101、将煤矸石破碎成直径2-5cm的碎块，然后和磷酸三钠按照质量比 为40:8混匀，室温放置1天；

S102、将步骤S101所得物、月桂醇硫酸钠和乙酸按重量比为100:20:10 混匀，室温静置6h；

S103、将γ-巯丙基三甲氧基硅烷溶于体积分数为75％的乙醇溶液中，使 得γ-巯丙基三甲氧基硅烷的质量浓度为3％，然后调节溶液pH值为4.5，在 45℃条件下反应1h；

S104、将纳米纤维素和水混合，使得纳米纤维素的浓度为30mg/L，然 后进行超声分散，将超声分散液、步骤S102所得物和步骤S103所得物按重 量比为25:100:15混合，然后调节溶液pH值为8.5，在50℃条件下反应3h， 然后于85℃条件下反应8h，制得；

S2、将预处理后的煤矸石作为回填物充填煤矿塌陷坑，然后推平，压实， 得煤矸石层；

S3、在煤矸石层上铺盖一层厚度为0.5-1m的第一基质材料；其中，第 一基质材料包括以下重量份的组分：壤土40份、城市污泥12份、粉煤灰30 份、果胶粉8份、丙烯酸2份和绒毛浆10份；

S4、在第一基质材料上面铺盖一层厚度为0.4-0.6m的第二基质材料；其 中，第二基质材料包括以下重量份的组分：壤土30份、城市污泥6份、粉 煤灰10份、果胶粉8份、丙烯酸4份、绒毛浆16份和微生物菌肥5份。

S5、在第二基质材料上以行间混交的方式种植油松和刺槐，然后在植油 松和刺槐中间的空地处种植百喜草；其中，油松和刺槐的混交比例为1:3。

其中，城市污泥为污水处理厂经过脱水后得到的污泥，其有机质含量为 45％，含水量为65％；

微生物菌肥包括以下重量份的组分：固氮菌4份、解磷菌5份和解钾菌 2份，其活性菌数大于1.0×10

采用上述修复方法对煤矿塌陷坑进行修复，6个月后，观察修复结果， 并且记录植被存活率和覆盖率，然后继续观察，记录实施3年后植被覆盖率 情况。6个月时存活率为88％，覆盖率为95％，3年后覆盖率为89％。

对比例1：

对比例1与实施例3相比，其不同之处在于：对煤矸石的预处理仅仅是 将煤矸石破碎成直径2-5cm的碎块，其余均与实施例3相同。

采用上述修复方法对煤矿塌陷坑进行修复，6个月后，观察修复结果， 并且记录植被存活率和覆盖率，然后继续观察，记录实施3年后植被覆盖率 情况。6个月时存活率为80％，覆盖率为85％，3年后覆盖率为70％。

对比例2：

对比例2与实施例3相比，其不同之处在于：对煤矸石的预处理中缺少 煤矸石和磷酸三钠的反应过程，其余均与实施例3相同。

采用上述修复方法对煤矿塌陷坑进行修复，6个月后，观察修复结果， 并且记录植被存活率和覆盖率，然后继续观察，记录实施3年后植被覆盖率 情况。6个月时存活率为83％，覆盖率为88％，3年后覆盖率为83％。

对比例3：

对比例3与实施例3相比，其不同之处在于：对煤矸石的预处理中缺少 步骤S102，其余均与实施例3相同。

采用上述修复方法对煤矿塌陷坑进行修复，6个月后，观察修复结果， 并且记录植被存活率和覆盖率，然后继续观察，记录实施3年后植被覆盖率 情况。6个月时存活率为82％，覆盖率为86％，3年后覆盖率为80％。

对比例4：

对比例4与实施例3相比，其不同之处在于：对煤矸石的预处理中缺少 步骤S103和S104，直接将步骤102所得物在85℃条件下反应8h制得，其 余均与实施例3相同。

采用上述修复方法对煤矿塌陷坑进行修复，6个月后，观察修复结果， 并且记录植被存活率和覆盖率，然后继续观察，记录实施3年后植被覆盖率 情况。6个月时存活率为82％，覆盖率为85％，3年后覆盖率为75％。

对比例5：

对比例5与实施例3相比，其不同之处在于：对煤矸石的预处理中缺少 纳米纤维素的处理过程，其余均与实施例3相同。

采用上述修复方法对煤矿塌陷坑进行修复，6个月后，观察修复结果， 并且记录植被存活率和覆盖率，然后继续观察，记录实施3年后植被覆盖率 情况。6个月时存活率为83％，覆盖率为86％，3年后覆盖率为79％。

对比例6：

对比例6与实施例3相比，其不同之处在于：对煤矸石的预处理中将超 声分散液、步骤S102所得物和步骤S103所得物按重量比为15:100:25混合， 其余均与实施例3相同。

采用上述修复方法对煤矿塌陷坑进行修复，6个月后，观察修复结果， 并且记录植被存活率和覆盖率，然后继续观察，记录实施3年后植被覆盖率 情况。6个月时存活率为83％，覆盖率为90％，3年后覆盖率为85％。

对比例7：

对比例7与实施例3相比，其不同之处在于：将第一基质材料和第二基 质材料中的丙烯酸和绒毛浆替换为聚丙烯酰胺，其聚丙烯酰胺用量为丙烯酸 和绒毛浆的用量之和，其余均与实施例3相同。

采用上述修复方法对煤矿塌陷坑进行修复，6个月后，观察修复结果， 并且记录植被存活率和覆盖率，然后继续观察，记录实施3年后植被覆盖率 情况。6个月时存活率为85％，覆盖率为93％，3年后覆盖率为76％。

对比例8：

对比例8与实施例3相比，其不同之处在于：第一基质材料和第二基质 材料中均缺少果胶粉，其余均与实施例3相同。

采用上述修复方法对煤矿塌陷坑进行修复，6个月后，观察修复结果， 并且记录植被存活率和覆盖率，然后继续观察，记录实施3年后植被覆盖率 情况。6个月时存活率为86％，覆盖率为96％，3年后覆盖率为76％。

对比例9：

对比例9与实施例3相比，其不同之处在于：将第一基质材料和第二基 质材料成分和含量互换，即对比例9中的第一基质材料实际为实施例3中的 第二基质材料，对比例9中的第二基质材料实际为实施例3中的第一基质材 料，其余均与实施例3相同。

采用上述修复方法对煤矿塌陷坑进行修复，6个月后，观察修复结果， 并且记录植被存活率和覆盖率，然后继续观察，记录实施3年后植被覆盖率 情况。6个月时存活率为80％，覆盖率为78％，3年后覆盖率为70％。

对比例10：

对比例10与实施例3相比，其不同之处在于：第一基质材料包括60wt％ 的城市污泥、30wt％的煤矸石以及10wt％的粉煤灰，其余均与实施例3相同。

采用上述修复方法对煤矿塌陷坑进行修复，6个月后，观察修复结果， 并且记录植被存活率和覆盖率，然后继续观察，记录实施3年后植被覆盖率 情况。6个月时存活率为70％，覆盖率为69％，3年后覆盖率为62％。

由上述修复结果可知，对于煤矸石的处理过程发生变化，其对土壤的pH 有所影响，进而影响植物的生长环境，但这些变化对植物的影响不是特别大， 但土壤遭受浸淋后，会产生不利于环境的一些污染源，因此，在改善过程中 还是要对煤矸石进行特定处理，在提升修复效果的同时也改善对环境的影 响。若仅仅对煤矸石进行粉碎处理后便直接使用，短期内不会对植物产生影 响，但长期还是会影响土壤pH，对植物生长环境产生不利影响。当对比例7 中丙烯酸和绒毛浆替换为聚丙烯酰胺时，虽然同为保水剂，在短期内均能够 起到很好的保水作用，为植物生长提高水分，但长期，聚丙烯酰胺的保水效 果还是不如本发明中的丙烯酸和绒毛浆协同保水效果。果胶粉对修复的影响 体现在虽然在短期内使得土壤偏酸性，会影响植物的生长，但是长期条件下， 煤矸石中pH有所上升，再结合果胶粉的作用使得土壤中环境适应植物生长， 提高覆盖率，因此，当对比例8中缺少果胶粉后，虽然前期对植物生长没有 什么影响，但长期条件下会影响覆盖率。当对比例9中将第一基质材料和第 二基质材料发生替换时，其各基质材料中组分发挥作用的方式便会发生变 化，如微生物菌肥处于上层，更易于被植物所吸收，而当将其处于中间层时， 其与植物根接触面积大大降低，其作用不能很好的传递给植物，就会影响植 物的生长。当第一基质材料中成分发生变化时，没有对煤矸石进行处理，不 包括壤土，城市污泥和粉煤灰的含量也发生了变化，导致城市污泥对煤矸石 孔隙填补过于密集，便会影响整个环境的空气流通，基质材料中因没有壤土， 肥力会发生一定变化，最终导致植物不能很好的存活和生长。

试验例1

采集实施例1-3和对比例1-6预处理后的煤矸石，将其风干，粉碎过2mm 尼龙筛。分别称取粉碎后的样品50g，装于塑料瓶中，然后向每个塑料瓶中 按固液质量比为1:10添加自来水，每组实验设置3个平行，分别于0天和 360天时测定样品中覆水样的pH值和硫酸根的变化。

对比例1仅仅是将煤矸石破碎，并未做其他方面的处理，可以作为对照， 其他样品跟该对比例1样品进行对比，结果如下：

上面是各样品pH的增加幅度(％)和硫酸根的降低幅度(％)，由上 表可知，实施例1-3中处理过程中所用成分比例有些变化，但在一定范围内， 对pH的增幅和硫酸根的降幅没有实质性的影响，但当缺少煤矸石和磷酸三 钠的反应过程或者缺少步骤S102时，对结果影响还是比较大，会影响煤矸 石的氧化过程，进而影响其pH变化，尤其是当缺少步骤S103和S104时， 即在煤矸石表面不能进一步地形成更稳定的膜，无法更好的避免煤矸石与外界的反应，也就易被氧化，但当仅仅缺少纳米纤维素的处理过程，虽然缺少 了其与γ-巯丙基三甲氧基硅烷的协同作用，但γ-巯丙基三甲氧基硅烷还是能 够形成一定的Si-O-Si键，可在煤矸石表面形成一定的保护膜，所以其结果 相对同时缺少γ-巯丙基三甲氧基硅烷和纳米纤维素的协同作用而言，会有所 提升。此外，当超声分散液、步骤S102所得物和步骤S103所得物的比例发 生变化，也就是说γ-巯丙基三甲氧基硅烷和纳米纤维素含量发生变化时，即 协同作用时主次发生变化，也会使得效果降低。

由上述结果可知，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本 发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。