一种煤基固废协同参与废弃场地生态修复结构及方法

技术领域

本发明属于生态修复技术领域，特别涉及一种煤基固废协同参与废弃场地生态修复方法。

背景技术

当前废弃场地随着采矿活动的结束，虽然也采取了一些生态修复工作，但是从整体上还是没有改变采矿结束后造成的边帮条件，相对于初始地形，其水土保持条件恶劣，裸露部分的修复植被恢复效果随着时间的推移逐步劣化，低凹地形容易积水，潜在二次环境污染风险高，普遍存在生态环境可持续恢复难的问题。因此，急需开发具备足够厚度的人造种植土和可持续且具备自我循环功能的废弃场地生态修复方法和技术体系，实现废弃场地的可持续生态修复。

发明内容

本发明要解决的是现有技术中的废弃场地生态修复普遍存在生态环境可持续恢复难的问题。

针对上述问题，本发明采用的技术方案是：

本发明涉及一种煤基固废协同参与废弃场地生态修复结构，包括矿坑类态修复结构，矿坑类态修复结构包括设置在矿坑底部及侧面的的矿坑外部防渗层，填筑于于外部防渗层上方的矿坑一号芯层、矿坑二号芯层，设置于矿坑一号芯层、矿坑二号芯层之间的矿坑内部防渗层，设置于矿坑二号芯层上方的矿坑下凹形隔水层，设置于矿坑隔水层上方的矿坑人造贮水功能层及设置于人造贮水功能层上方的矿坑土壤层；

所述矿坑内部防渗层的一侧设置有下凹型的矿坑一号滤液收集池；矿坑一号滤液收集池上方设置有竖向布置的矿坑一号环境监测孔，矿坑一号环境监测孔下端与矿坑一号滤液收集池联通；矿坑一号环境监测孔上端从矿坑土壤层穿出；矿坑一号滤液收集池还配备有与外部层内水或地下水联通的矿坑一号导水管；

所述矿坑外部防渗层的中部还设置有下凹型的矿坑二号滤液收集池；矿坑二号滤液收集池上方设置有竖向布置下凹型的矿坑二号环境监测孔，矿坑二号环境监测孔下端与矿坑二号滤液收集池联通，矿坑二号环境监测孔上端从矿坑土壤层穿出；矿坑二号滤液收集池还配备有与外部层内水或地下水联通的矿坑二号导水管。

进一步的，所述矿坑两侧设置有矿坑排水沟，矿坑一侧设置有矿坑地下水监测孔，矿坑地下水监测孔下端与天然含水层相连通，上端穿出地表；天然含水层内设置有矿坑天然含水层导水管。

进一步的，还包括沟道类生态修复结构，沟道类生态修复结构包括设置在矿坑底部及侧面的的沟道外部防渗层，填筑于于外部防渗层上方的沟道一号芯层、沟道二号芯层，设置于沟道一号芯层、沟道二号芯层之间的沟道内部防渗层，设置于沟道二号芯层上方的下凹形沟道隔水层，设置于沟道隔水层上方的沟道人造贮水功能层及设置于人造贮水功能层上方的沟道土壤层；沟道一号芯层的底部设置有沟道一号导水层，沟道一号导水层配备有与外部层内水或地下水相连通的沟道一号导水管；沟道二号芯层的底部设置有沟道二号导水层，沟道二号导水层配备有与外部层内水或地下水相连通的沟道二号导水管，所述矿坑两侧还设置有沟道排水沟。

作为本发明的另一方，还涉及一种煤基固废协同参与废弃场地生态修复方法，包括如下步骤：

步骤1：利用煤基固废渣制备人造种植土、低渗透性防渗工程土和密实性好的填筑工程土；

步骤2：对场地进行清表整形夯实；

步骤3：在场地底部采用低渗透性防渗工程土分层填筑碾压，形成厚度不小于1米的外部防渗层(矿坑型场地外部防渗层底部高程须高于当地最高地下水位3m以上)；

步骤4：在防渗层内使用填筑密实性能良好的人造种植土分层填筑碾压构造一号芯层，在一号芯层上部使用低渗透性防渗工程土分层填筑碾压构造内部防渗层，在内部防渗层上部使用填筑密实性能良好的人造种植土分层填筑碾压构造二号芯层；

步骤5：防渗层和芯层施工到规定高程时，规定高程通过预留沉降高度+土壤层厚度+储水结构高度+储水结构防渗层厚度相加确定，使用低渗透性人造种植土分层填筑碾压，形成厚度不小于1.0m的下凹形隔水层，凹形内填筑人造贮水功能层，两者一起组成雨水收集及储存系统；

步骤6：使用人造种植土，由于土壤层要求足够孔隙，所以无需碾压，直接利用摊铺设备平整单层厚度不大于30cm人工植被土壤，分层构造设计厚度土壤层；

步骤7：构造环境监测设施，矿坑类场地：在防渗层的低凹部位设置淋滤液收集池，用于和淋滤液的收集，在淋滤液收集池对应位置设置环境观测孔，用于环境监测，同时在工程外围排水沟以内设置地下水监测孔，在淋滤液收集池内设置层间水导排管道，导排至层间水蓄水池；沟道类场地：在防渗层的上部使用卵砾石敷设导水层，在导水层内设置层间水导水管道，导排层间水至层间水蓄水池，同时在天然含水层内设置地下水导水管道(管道周围敷设滤料)，导排地下水至地下水蓄水池；

步骤8：构造护面措施，施工期构造临时截排水沟；在经历1—2个雨季后，设置永久截排水沟；利用渠道系统形成分割，达到水土保持目的，靠近边缘部位使得坡面截排水沟接入自然排水系统；收集到的地表水通过排水沟导排至地表水蓄水池；

步骤9：构造沉降余量措施，在废弃场地中部填筑厚度最大位置，利用填筑体沉降估值公式，结合填筑厚度，估算填筑体未来最大沉降量；利用分层总和法，计算地基沉降变形，两者一起组成沉降余量，为顶部高度设计做提前考虑，避免沉降造成的顶部沉陷和渠道出水不畅，具体公式如下：

S

S

式中：S

在填筑高度上提前考虑，保证顶面往两侧排泄的微地形要求，渠道泄水纵坡比降不小于3％。

进一步的，所述步骤1中人造种植土的制备方法为：利用临近煤矿和电厂弃渣磨碎制备人造种植土壤，黏粒成分不少于10％，最大粒径不超过2mm，级配良好；制备植物纤维，收集当地方便获取的植物叶、茎、根，打碎形成植物纤维；收集动物熟化堆肥；人造种植土壤、植物纤维和熟化动物堆肥重量比8.5:1.0：0.5充分搅拌，每吨掺入60g保水剂，充分搅拌形成人工制备人造种植土备用。

进一步的，所述步骤1中低渗透性防渗工程土的制备方法为：用工程煤矿和电厂弃渣磨碎制备人造种植土，黏粒成分不少于10％，最大粒径不超过20mm，大于2mm颗粒不大于总重量的25％，级配良好；人造种植土和水泥重量比9.5:0.5充分搅拌，充分搅拌形成人工制备低渗透性人造工程土备用。

进一步的，所述步骤1中密实性好的填筑工程土的制备方法为：用工程煤矿和电厂弃渣磨碎制备人造种植土，最大粒径不超过20mm，级配良好，充分搅拌形成人工制备填筑密实性能良好的人造工程土备用。

进一步的，所述步骤2中确定碾压的工艺参数的方法为：通过人造防渗工程土的室内和现场标准击实试验确定，完工后进行现场渗坑试验，检验防渗性能，渗透系数不大于10

进一步的，所述步骤4中填筑碾压的碾压工艺参数，通过人造填筑工程土的室内和现场标准击实试验确定，完工后进行现场动力触探试验或者大环刀测试密实度，检验密实性能，达到密实要求。

进一步的，所述下凹形储水结构中部下凹，凹形体内使用2mm—20mm人造砂卵石填平，控制毛细上升高度，两侧弧形拉平，储水结构顶面高程低于当地大气影响带深度。

本发明的有益效果和特点是：

1、本发明的煤基固废协同参与废弃场地生态修复结构及方法，所制备的3类人造工程土，就地取材，生态环保性能达标，煤基固废资源充沛地区，可有效保证物源，在科学配比的基础上，实现工程性能要求和环保要求，变废为可用人造种植土，为协同修复提供物源支持。

2、本发明的煤基固废协同参与废弃场地生态修复结构及方法，所制备的3类人造种植土构建的4个功能层组成废弃场地可持续生态修复结构体系，低渗透工程土构建的中上部防渗层有效隔绝了外部雨水入渗、内部淋滤液收集池和底部及周边防渗层有效阻隔了外溢风险；级配良好的可填筑密实工程土构建的填筑体为上部土壤层、雨水收集储存系统和其他结构构造提供了强有力的支撑，自密实特点和柔性特征保证其不会产生拉裂风险；土壤层和雨水收集储存系统为顶部修复土地提供了可持续支持，保证了人造种植土壤层的自我循环功能。几部分协同作用，保证了废弃场地的可持续生态修复。

3.本发明的煤基固废协同参与废弃场地生态修复结构及方法，采用可循环利用且持续供水的储水结构，通过在人工制备人造种植土中掺和保水剂增加土壤的短期获取水的能力；通过构造人工雨水收集储存系统为上部土壤提供持续供水；地面雨水收集系统和淋滤液收集处理达标后的回水可以通过工措施持续补给储水系统，三者联合作用为植物生长或生态产出持续提供所需的水。

4.本发明的煤基固废协同参与废弃场地生态修复结构及方法，构造防渗层、密实充填层、雨水收集和存储结构、土壤层等4个功能层，组合形成没有外泄风险、水土保持性能提升、环保达标和生态功能提升的废气场地生态可持续修复方法和技术体系，防渗层有效控制了填筑体潜在淋滤外溢风险；雨水收集及储存系统为基层土壤提供短期和长期生长需水支持，足够厚度的土壤层和可循环用水为坑顶修复土地提供强有力且可持续的生态循环支持，该方法适用于各类有造土条件的废弃场地的可持续生态修复。

附图说明

图1为本发明较佳实施矿坑类场地的正剖结构示意图；

图2为本发明较佳实施沟道类场地的正剖结构示意图；

图3为本发明较佳实施沟道类场地的俯视结构示意图；

图4为本发明较佳实施沟道类场地的侧视结构示意图；

图中标号分别表示：1-矿坑外部防渗层；2-矿坑一号芯层；3-矿坑二号芯层；4-矿坑内部防渗层；5-矿坑下凹形隔水层；6-矿坑人造贮水功能层；7-矿坑土壤层；8-矿坑一号滤液收集池；9-矿坑一号环境监测孔；10-矿坑二号滤液收集池；11-矿坑二号环境监测孔；12-矿坑一号导水管；13-矿坑二号导水管；14-矿坑排水沟；15-矿坑地下水监测孔；16-矿坑天然含水层导水管；18-沟道外部防渗层；19-沟道一号芯层；20-沟道二号芯层；21-沟道内部防渗层；22-沟道下凹形隔水层；23-沟道人造贮水功能层；24-沟道土壤层；25-沟道一号导水层；26-沟道二号导水层；27-沟道一号导水管；28-沟道二号导水管；29-沟道排水沟；30-天然含水层；31-沟道天然含水层导水管；32-挡土坝；33-蓄水池。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，一种煤基固废协同参与废弃场地生态修复结构，包括矿坑类态修复结构，矿坑类态修复结构包括设置在矿坑底部及侧面的的矿坑外部防渗层1，填筑于于外部防渗层上方的矿坑一号芯层2、矿坑二号芯层3，设置于矿坑一号芯层2、矿坑二号芯层3之间的矿坑内部防渗层4，设置于矿坑二号芯层3上方的矿坑下凹形隔水层5，设置于矿坑隔水层5上方的矿坑人造贮水功能层6及设置于人造贮水功能层上方的矿坑土壤层7；

所述矿坑内部防渗层4的一侧设置有下凹型的矿坑一号滤液收集池8；矿坑一号滤液收集池8上方设置有竖向布置的矿坑一号环境监测孔9，矿坑一号环境监测孔9下端与矿坑一号滤液收集池8联通；矿坑一号环境监测孔9上端从矿坑土壤层7穿出；矿坑一号滤液收集池8还配备有与外部层内水或地下水联通的矿坑一号导水管12；

所述矿坑外部防渗层1的中部还设置有下凹型的矿坑二号滤液收集池10；矿坑二号滤液收集池10上方设置有竖向布置下凹型的矿坑二号环境监测孔11，矿坑二号环境监测孔11下端与矿坑二号滤液收集池10联通，矿坑二号环境监测孔11上端从矿坑土壤层7穿出；矿坑二号滤液收集池10还配备有与外部层内水或地下水联通的矿坑二号导水管13。

作为优选的方案，为进一步加强排水能力和监测能力，所述矿坑两侧设置有矿坑排水沟14，矿坑一侧设置有矿坑地下水监测孔15，矿坑地下水监测孔15下端与天然含水层30相连通，上端穿出地表；天然含水层30内设置有矿坑天然含水层导水管16。

请参考图2-图4，另一方面，还包括沟道类生态修复结构，沟道类生态修复结构包括设置在矿坑底部及侧面的的沟道外部防渗层18，填筑于于外部防渗层上方的沟道一号芯层19、沟道二号芯层20，设置于沟道一号芯层19、沟道二号芯层20之间的沟道内部防渗层21，设置于沟道二号芯层20上方的下凹形沟道隔水层22，设置于沟道隔水层22上方的沟道人造贮水功能层23及设置于人造贮水功能层上方的沟道土壤层24；沟道一号芯层19的底部设置有沟道一号导水层25，沟道一号导水层25配备有与外部层内水或地下水相连通的沟道一号导水管27；沟道二号芯层20的底部设置有沟道二号导水层26，沟道二号导水层26配备有与外部层内水或地下水相连通的沟道二号导水管28，所述矿坑两侧还设置有沟道排水沟29。

作为本发明的另一发明，还涉及一种煤基固废协同参与废弃场地生态修复方法，包括如下步骤：

步骤1：利用煤基固废渣制备人造种植土、低渗透性防渗工程土和密实性好的填筑工程土；具体的，人造种植土的制备方法为：利用临近煤矿和电厂弃渣磨碎制备人造种植土壤，黏粒成分不少于10％，最大粒径不超过2mm，级配良好；制备植物纤维，收集当地方便获取的植物叶、茎、根，打碎形成植物纤维；收集动物熟化堆肥；人造种植土壤、植物纤维和熟化动物堆肥重量比8.5:1.0：0.5充分搅拌，每吨掺入60g保水剂，充分搅拌形成人工制备人造种植土备用；低渗透性防渗工程土的制备方法为：用工程煤矿和电厂弃渣磨碎制备人造种植土，黏粒成分不少于10％，最大粒径不超过20mm，大于2mm颗粒不大于总重量的25％，级配良好；人造种植土和水泥重量比9.5:0.5充分搅拌，充分搅拌形成人工制备低渗透性人造工程土备用。

密实性好的填筑工程土的制备方法为：用工程煤矿和电厂弃渣磨碎制备人造种植土，最大粒径不超过20mm，级配良好，充分搅拌形成人工制备填筑密实性能良好的人造工程土备用。

步骤2：对场地进行清表整形夯实；

步骤3：在场地底部采用低渗透性防渗工程土分层填筑碾压，形成厚度不小于1米的外部防渗层(矿坑型场地外部防渗层底部高程须高于当地最高地下水位3m以上)；

步骤4：在防渗层内使用填筑密实性能良好的人造种植土分层填筑碾压构造一号芯层，在一号芯层上部使用低渗透性防渗工程土分层填筑碾压构造内部防渗层，在内部防渗层上部使用填筑密实性能良好的人造种植土分层填筑碾压构造二号芯层；

步骤5：防渗层和芯层施工到规定高程时，规定高程通过预留沉降高度+土壤层厚度+储水结构高度+储水结构防渗层厚度相加确定，使用低渗透性人造种植土分层填筑碾压，形成厚度不小于1.0m的下凹形隔水层，凹形内填筑人造贮水功能层，两者一起组成雨水收集及储存系统；

步骤6：使用人造种植土，由于土壤层要求足够孔隙，所以无需碾压，直接利用摊铺设备平整单层厚度不大于30cm人工植被土壤，分层构造设计厚度土壤层；

步骤7：构造环境监测设施，矿坑类场地：在防渗层的低凹部位设置淋滤液收集池，用于和淋滤液的收集，在淋滤液收集池对应位置设置环境观测孔，用于环境监测，同时在工程外围排水沟以内设置地下水监测孔，在淋滤液收集池内设置层间水导排管道，导排至层间水蓄水池；沟道类场地：在防渗层的上部使用卵砾石敷设导水层，在导水层内设置层间水导水管道，导排层间水至层间水蓄水池，同时在天然含水层内设置地下水导水管道(管道周围敷设滤料)，导排地下水至地下水蓄水池；

步骤8：构造护面措施，施工期构造临时截排水沟；在经历1—2个雨季后，设置永久截排水沟；利用渠道系统形成分割，达到水土保持目的，靠近边缘部位使得坡面截排水沟接入自然排水系统；收集到的地表水通过排水沟导排至地表水蓄水池；

步骤9：构造沉降余量措施，在废弃场地中部填筑厚度最大位置，利用填筑体沉降估值公式，结合填筑厚度，估算填筑体未来最大沉降量；利用分层总和法，计算地基沉降变形，两者一起组成沉降余量，为顶部高度设计做提前考虑，避免沉降造成的顶部沉陷和渠道出水不畅，具体公式如下：

S

S

式中：S

在填筑高度上提前考虑，保证顶面往两侧排泄的微地形要求，渠道泄水纵坡比降不小于3％。

作为优选的方案，所述步骤3中确定碾压的工艺参数的方法为：通过人造防渗工程土的室内和现场标准击实试验确定，完工后进行现场渗坑试验，检验防渗性能，渗透系数不大于10

作为优选的方案，所述步骤4中填筑碾压的碾压工艺参数，通过人造填筑工程土的室内和现场标准击实试验确定，完工后进行现场动力触探试验或者大环刀测试密实度，检验密实性能，达到密实要求。

所述下凹形储水结构中部下凹1.0m，凹形体内使用2mm—20mm人造砂卵石填平，控制毛细上升高度，两侧弧形拉平，储水结构顶面高程低于当地大气影响带深度。

生态环保难题的解决，本发明首先恢复地形，解决场地与周边地形的协调统一；然后通过工程措施防止其潜在二次环境污染，地形找平后，汇水量急剧减小，处置后，淋滤污染得到就地控制，外溢风险消除；人工造地，不但厚度足够，而且还有雨水收集系统的可持续供水，可有效持续修复，形成自我循环，达到和高于周边自然土壤的生态效能。最终实现废弃场地的生态修复目标。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。