CN111448867A - 一种基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生态环境防治技术领域，公开了一种基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法，在评估计算露天煤矿可采煤层之上不同沉积岩的岩性差异及空间分布的基础上，进行错台开挖、分类剥离可采煤层之上的不同类型的岩石(废岩)，将废岩分类转运、堆积在排岩场(排土场)的不同位置，分层压实，表层堆积露天煤矿自身存在的风化煤、碳质页岩、页岩、泥岩等，代替土地复垦用的土壤，与矿山职工厨余生活垃圾混合发酵营养化、有机化，完成废岩土壤化的技术方法。本发明实现了绿色开采的废岩土壤化、废岩资源化、职工生活垃圾无害化的处理方法，创新形成了露天煤矿土地复垦无土化的土地复垦新模式，环境效应、经济效益和社会效应巨大。

Description

一种基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法

技术领域

本发明属于生态环境防治技术领域，尤其涉及一种基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法。

背景技术

目前，露天煤矿开采就是通过剥离表层植被、土壤和岩石，达到开采地下的煤炭资源的目的。一般而言，煤层之上覆盖厚度一般应小于100m，覆盖层过厚，露天采煤就不经济了，需要改为地下开采方式。露天煤矿开采需要将可采煤层之上的岩石(砂岩类、泥岩类、页岩类)剥离，剥离的岩石作为固体废弃物(废岩)堆排在距离露天矿附近的地方，即排岩场。因而露天矿开采后在矿区会形成一个数十个台阶的深大采坑和一个巨大的排岩场。前者挖损林地、草地、耕地和荒地；后者废石堆放占压林地、草地、耕地或荒地。因而自然资源部要求矿山企业对露天挖损、废渣堆积占压的土地进行土地复垦工作，减少矿产资源开采对矿区生态地质环境的负面影响。

土地复垦是指建设工程损毁的土地经过整治达到可利用状态。矿山土地复垦工作在充分调研矿山周边土地利用类型的基础上，依据矿区所在地的土地利用规划要求，因地制宜地恢复林地、草地、耕地、建设用地或旅游用地。露天矿山采坑台阶、底坑、排岩场均需要土地复垦，但排土(岩)场是露天矿最主要的土地复垦对象，最基本的要求是将废石堆压占的土地恢复其原有功能，或通过开发式治理，打造形成新土地利用类型，形成新的产业。一般情况下，土地复垦最主要的方向是恢复林地、草地、耕地。

目前露天矿排岩场恢复林地、草地或耕地通常做法：大多数矿山企业开采时，将露天煤矿开挖境界范围内的表土、拟建排岩场压占范围内的表土，在挖损、压占前的一定时间内，采用机械将这部分具有植物生存的土壤单独剥离，单独堆放在表土堆排场，或直接用于已经堆积完成的排岩场台面、台阶的土地复垦用土。复垦林地表土的有效厚度50cm，草地30cm，耕地80cm。土地复垦一般需要土壤改良，即客土土壤绿肥熟化或复合肥营养化。复垦土壤来源主要是矿山活动挖损、压占的表土，或外购客土(残坡积、黄土等)。但是，大多数情况下，矿区范围内没有表土，或土层太薄无法机械剥离，因而通常情况下露天矿山表土与岩石混合剥离(节省剥离费用)，混合堆积于排岩场。后续土地复垦需要外购客土来实现。

土壤是生态环境的最主要因子，是植物生长必需的养分之源。土壤是岩石风化的产物，但一般条件下，天然条件下岩石风化过程极其缓慢，如花岗岩风化成土壤需要上万年漫长过程。相关研究表明形成1cm厚的土壤，所耗费的时间大约在300～400年之间，因而土壤具有一定程度的不可再生性。但是部分岩石由于其岩性特征容易土壤化，如碳质页岩、风化煤、页岩等。

土壤是由固体物质(矿物质、有机质和微生物)、液体(土壤水分)和土壤孔隙中的空气构成，是土壤肥力的物质基础。土壤有机质主要来源于施用的有机肥料和残留根茬。矿物质和腐殖质是土壤的主体，约占土壤体积的50％，固体颗粒间的孔隙由气体和水分占据。

土壤中有机质含量的多少是衡量土壤肥力高低的一个重要标志，在一般耕地耕层中有机质含量只占土壤干重的0.5～2.5％。土壤有机质包括了新鲜有机质、半分解有机质和腐殖质。腐殖质一般占土壤有机质总量的85-90％以上。腐殖质既含有氮、磷、钾、硫、钙等大量营养元素，又含有各种微量元素。腐殖质具有增强土壤的吸水、保肥能力，改良土壤物理性质，提高粘重土壤的疏松度和通气性，改变砂土的松散状态。土壤具有保水、通气、养分的功能。

煤是亿万年前大量植物埋在地下、经过地壳变动、复杂生物化学作用和物理化学作用而转变成的沉积型化石能源，属于沉积型矿产。我国地质历史上有两期最主要的成煤时期：石炭二叠纪(距今约2.8～3.5亿年)和侏罗纪(距今约1.4～1.95亿年)。与煤层共生的沉积岩主要是砂砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩或碳质页岩。砂岩以其粒径大小分为粗砂岩、细砂岩和粉砂岩等。含有砾石的，称作含砾砂岩或砂砾岩。砂岩是由粒度2～0.1mm范围内的碎屑物质组成的岩石，砂含量通常大于50％，主要成份是石英、长石。粉砂岩中的0.1～0.01mm粒级的碎屑颗粒超过50％，以石英为主。泥岩是由粒度<0.0039mm粘土矿物组成的岩石，结构极细，肉眼无法辨认颗粒，是一种层理不明显的粘土岩，粘土矿物为水云母、高岭石、蒙脱石等。泥岩质地松软，具吸水、粘结、耐火等性能，可用于制砖瓦、制陶等工业。页岩具有薄页状或薄片层状的节理，由于层理分明、易剥离而称为页岩，容易风化成易成碎片、微末状。

碳质页岩：是页岩的一种，具有页状或薄片状层理且含有大量已碳化的有机质而成名，常见于煤系地层的顶板、底板。挖掘机开挖时容易裂成碎块，与水易软化，有机质含量达3～10％。部分矿山煤系地层中，还存在风化煤。

风化煤：是出露于地表或埋藏于浅部的煤层，风化后，其化学和物理性质都发生了极为明显的改变，实际上已经不是煤了。风化煤质地较软、易捻碎，碎后呈黑褐色。因很有较高的腐植酸，能直接氨化制成腐植酸铵肥料。风化煤一般水分为25～40％，有机质40～80％，其中相当一部分有机质是腐植酸。因而风化煤可用来生产腐植酸钠、腐植酸钾、腐植酸尿素、黄腐酸、腐植酸有机无机复混肥料、水溶肥料，也可以生产石油钻井液处理剂、陶瓷添加剂。当然了也是很好的土地复垦代替土。

露天煤矿可采煤层(可能是一层煤，也可能是多层煤)之上的煤系地层，其岩石通常由泥岩或页岩/碳质页岩+煤层+砂岩+粉砂岩+泥岩或页岩构成，在垂向上构成了不同岩石构成的叠置关系(附图2、附图3)。而各种砂岩岩层主要由长石、石英矿物构成，岩石较为坚硬，开采后多成块状，不容易风化成细小的粉末，几乎没有有机质，因而土壤化过程艰难，时间漫长，不能用作复垦的表层土，只能堆积在排岩场的底部或用于构建挡墙。

由于泥岩、页岩、碳质页岩、风化煤具有易分化、易碎裂、有机质含量较高、粘土矿物丰富的特点，具有与土壤类似含量的粘土矿物以及土壤特点，因此上述岩性是露天矿天然存在的可用于排岩场土地复垦代替土壤的宝贵资源，其代替土壤的优劣条件排序为风化煤、炭质页岩、页岩、泥岩。

我国许多山地矿山地表缺乏土壤或少土壤，戈壁地区缺土壤，草原地区表土有限，因而缺土和无土成为制约露天煤矿排岩场土地复垦的关键因子。查阅文献，目前我国上百家露天矿中的80％矿山剥离的表土，不足以用于排岩场的土地复垦用土量，因而必须通过外购土源解决用土的问题。外购土源需要花费大约土地复垦总费用的2/3强。同时客土法也是一种拆东墙补西墙不科学的做法。在全面实施生态环境保护的今天，客土法受到了巨大的限制。因而土壤成为矿山土地复垦的关键问题。

通过上述分析，目前我国露天煤矿土地复垦技术方法是：

(1)目前大多数矿山企业，将露天煤矿可采煤层之上的表土、岩石单独剥离，表土用于土地复垦。但是部分矿山由于表土薄，单独剥离不经济，与岩石混合剥离、混合堆积。目前绝大多数矿山可采煤层之上岩石属于混合剥离，没有依据沉积岩岩性差异，实施分类剥离、分类运输、分类堆积的技术方法。

(2)排岩场土地复垦还林、种草或恢复耕地，土壤来源一是矿山剥离的表土，二是外购土源的土地复垦方式(拆东墙、补西墙的土地复垦方法)。没有利用矿山自身存在的、具有能够改造成土壤的岩石用于土地复垦。

(3)目前排岩场覆盖土壤改良，通常是绿肥、复合肥的方法。没有采用矿山职工厨余生活垃圾、厕所粪便与碳质页岩类混合土壤有机化的方法。

解决以上问题及缺陷的难度为：

(1)土地复垦代替传统土壤的物质，应具有数量大、类似土壤基本性质，才能解决制约露天煤矿排岩场土地复垦土壤不足的关键问题；

(2)代替传统土壤的物质应当具有经济可行性，具有推广价值，其费用应当低于外购土壤费用的优点。

(3)代替传统土壤的物质获取相对容易，做好是的矿山剥离的废物，其资源化利用，减少开采费用。

解决以上问题及缺陷的意义：

(1)废弃岩石土壤化、资源化利用：露天矿开采剥离排放的废石，是矿山的固废，充分利用矿山废弃的岩石：风化煤、碳质页岩、页岩、泥岩等代替土壤，岩石土壤化、废石景观资源化，减少外购土壤用量同时，还减少了废渣堆放带来的占地环境问题。

(2)构建土地复垦用土新模式：本发明基于露天煤矿可采煤层之上风化煤、碳质页岩、页岩、泥岩废岩，不仅仅用于露天煤矿排岩场土地复垦用土，还可广泛用于具有风化煤、碳质页岩、页岩、泥岩废岩的金属露天矿山，公路铁路建设工程场地，未利用地等的土地复垦，大大扩展了土地复垦土壤的来源。

(3)综合效益显著

1)环境效益：采用矿山排放的废石，实现不同岩石类型分类剥离，分类堆放的科学有序采矿活动，实现废岩土壤化功能，减少了异地挖土造成地形地貌景观、植被生态破坏的挖东墙补西墙的不科学行为，减少了生态环境破坏。

2)社会效益：充分利用矿山自身岩石性质和特点，通过科学有序的剥离、排放、堆放，岩石土壤化，实现了固废的资源化利用、减量化排放、无害化处理的新技术、新方法，创新形成了露天煤矿绿色开采的新模式，促进了矿产资源开发与生态环境保护的可持续发展。

3)经济效益：初步估算，年产煤炭300万吨的露天矿山，采用废岩土壤化的土地复垦工作，节省排土场土地复垦外购客土费用1000-1200万元，经济效益显著。

发明内容

针对制约露天煤矿排岩场土地复垦缺土的瓶颈问题，本发明提供了一种基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法。

本发明是这样实现的，基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法，所述基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法利用厨余生活垃圾、厕所粪便与炭质页岩类废岩混合，厨余生活垃圾及厕所粪便与炭质页岩、页岩1:15～1:25的比例混合，不同季节堆集发酵20～40天；因风化煤有机质含量高，不需要与厨余垃圾混合发酵，可直接代替复垦用土。复垦草地范围内，在排土场表层铺设30cm混合后的炭质页岩；复垦耕地的区域内，先期铺设的50cm碳质页岩，再在其上铺设厚度30cm熟化后的碳质页岩类，机械犁铧；复垦林地范围内首先在全面铺设30cm混合后的炭质页岩的基础上，依据植树的行距株距要求，开挖1m*1m*1m穴坑，在其中覆盖混合后炭质页岩，穴坑植树。形成露天煤矿煤炭资源开采、排岩场废石堆积、排土场废岩土地复垦的一体化。

进一步，所述利用矿山职工厨余生活垃圾、厕所粪便与炭质页岩、页岩(风化煤不需要混合，直接代替土壤)等废岩混合营养化、有机化之前需要：

第一步，分析煤层之上共生的不同沉积岩岩层的岩性差异及分布；

第二步，通过露天开采挖掘机的错台开挖、分类剥离、分类转运至排岩场；

第三步，在排岩场由底部到表层废岩依次堆积顺序：粗砂岩——细砂岩——泥岩——页岩——碳质页岩或风化煤，分层压实。

进一步，所述第一步分析煤层之上共生的不同沉积岩岩层的岩性差异及分布包括：

(1)依据不同岩性岩石在排岩场土地复垦中的作用及位置的差异，将露天煤矿开采境界范围内的岩石划归三大类：砂岩类、泥岩、碳质页岩类，依据其产状、厚度、分布范围，计算其体积量，绘制露天煤矿开采境界内的岩石厚度线图；

(2)依据排岩场占地范围、堆积高度、边坡坡度、复垦土地类型等参数，计算分类剥离废岩类型，优化排岩场堆积空间位置及所需要的量；

(3)依据计算结果，制定露天采坑自上而下废岩分类剥离、错台开挖的先后顺序，分岩性运输、分岩性在排岩场空间堆放不同废岩的技术方案。

进一步，所述砂岩类包括砂砾岩、粗砂岩、细砂岩、粉砂岩；所述碳质页岩类进一步分为风化煤、炭质页岩、页岩和泥岩；绘制露天煤矿开采境界内风化煤、碳质页岩、页岩、泥岩分布的厚度线图。

进一步，所述复垦土地类型包括林地、林(草)地、耕地的范围、面积及等级等参数。

进一步，所述基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法依据评估计算的剥离废岩与排岩场表层可土壤化的废岩类型用量的关系，实施可采煤层之上的废岩分类剥离；露天矿剥离煤层之上岩性按照砂岩类、泥岩类、碳质页岩类剥离或按粗砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、炭质页岩分类剥离；碳质页岩、风化煤必须单独剥离，分类运输，堆放在排岩场表层。

进一步，所述砂岩类包括含砾砂岩、粗砂岩、细砂岩、粉砂岩可以混合剥离。

进一步，所述第二步通过露天开采挖掘机的分类剥离、分类转运至排岩场包括露天煤矿分类剥离、分类运输的岩石，硬度大、不易分化、开挖形成大块石的砂岩类堆放在排岩场底部，排岩场从底部到顶部依次堆积粗砂岩、泥岩、页岩、碳质页岩、风化煤；边推积边进行机械压实。在土地复垦的排岩场平台、台阶地带的表面，堆放碳质页岩、风化煤或页岩；另，部分大块状砂岩体可堆积在排岩场斜坡坡脚，构成干垒挡墙，或大块石在矿山适宜的地方，叠置搭建块石景观造型。复垦草地，直接采用风化煤或混合后的炭质页岩铺设有效厚度30cm，通过机械压实，压实系数不小于0.80，犁铧20cm，撒草籽。复垦耕地的区域，先期铺设的50cm碳质页岩，再在其上铺设厚度30cm熟化后的碳质页岩类或风化煤，机械犁铧20cm，种植农作物；复垦林草地范围，首先全面铺设30cm混合后的炭质页岩，再在1m*1m*1m穴坑中，覆盖混合后炭质页岩，穴坑植树。

进一步，所述基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法还包括排岩场土地复垦废岩散播复合肥、种植豆科类绿肥，熟化土壤。复垦草地、耕地、林地或林草地。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：针对目前制约露天煤矿排岩场土地复垦还林、还草或恢复耕地需要大量土壤的瓶颈问题，是目前绝大多数无土、缺土地区露天煤矿土地复垦的关键问题之一(另一问题是水的问题)。本发明提供了基于露天煤矿可采煤层之上能够代替土地复垦表土的矿山废岩(风化煤、碳质页岩、页岩、泥岩)的资源化利用技术。可采煤层之上的不同岩石类型空间分布计算、不同类岩石分类剥离及运输、分类堆积、表层堆排可土壤化的岩石、与厨余生活垃圾有机化、营养化等的计算、工序和技术方法。

本发明采用了露天煤矿普遍存在的堆积如山的废弃渣场的土地复垦的关键技术，采用露天煤矿开采废石土壤化技术，不用客土就能够实现排岩场土地复垦的自用土，实现废石资源化利用，改变了传统的土地复垦必须采用土壤及客土的技术方法，将废石剥离、堆积与土地复垦有机结合的一种全新的土地复垦技术方法，将矿产资源开发、废岩资源化利用、矿山生活固废资源化利用三者有机结合起来，为我国戈壁地区、基岩山地地区、草原露天煤矿废弃采区、金属矿区的排岩场的生态恢复和土地复垦提供了的新模式，社会效益、环境效应和经济效益显著。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)矿山废岩壤化、废石景观化，形成了绿色矿山土地复垦新模式。露天矿开采剥离排放的废石，是矿山的固废，充分利用矿山废弃的废石：风化煤、碳质页岩、页岩、泥岩等代替土壤，大块石用于挡墙或堆积造景，实现了岩石土壤化、大块石景观化，在实现土地复垦及同时，还减少了废渣堆放带来的占地环境问题，构建了绿色矿山土地复垦新模式。

(2)拓展了土地复垦用途新模式：本发明基于露天煤矿可采煤层之上风化煤、碳质页岩、页岩、泥岩废岩的露天煤矿排岩场土地复垦用土、大块废岩的挡墙及造景功能。还可广泛用于具有风化煤、碳质页岩、页岩、泥岩废岩的金属露天矿山，公路铁路建设工程场地，未利用地土地复垦的土壤，大大扩展了土地复垦土壤的来源。

(3)综合效益显著

1)环境效益：采用矿山排放的废石，实现不同岩石类型分类剥离，分类堆放的科学有序活动，实现废岩土壤化功能，减少了异地挖土造成地形地貌景观、植被生态破坏的挖东墙补西墙的不科学行为，减少了生态环境破坏。

2)社会效益：充分利用矿山自身岩石性质和特点，通过科学有序的剥离、排放、堆放，岩石土壤化，实现了固废的资源化利用、减量化排放、无害化处理的新技术、新方法，创新形成了露天煤矿绿色开采的新模式。推动我国目露天矿土地复垦工作，恢复生态环境，减少了矿地用地紧张的社会矛盾，拓展了煤炭资源开发与生态环境协调的可持续发展的途径，形成了开发金山银山、修复废弃矿山、再造绿水青山、形成新的金山银山的目的。

3)经济效益显著。以陕北一处年产300万吨的露天煤矿为例，在目前外购客土综合费用21元/m³的前提下，其排岩场复垦草地、耕地仅外购客土一项就可节约费用约1200万元。全国有露天煤矿200余座，类比年产300万吨的排岩场规模，粗略估算代替客土可节省购土费用约24.亿元。可见，本发明具有非常好的应用市场和巨大的经济效益。

本发明解决了制约露天矿排岩场复垦还林、还草、恢复耕地的缺土少土的关键问题，实现了绿色开采的废岩土壤化、废岩资源化、职工生活垃圾无害化的处理方法，创新形成了露天煤矿土地复垦无土化的土地复垦新模式，环境效应、经济效益和社会效应巨大。本发明基于露天煤矿可采煤层之上风化煤层、碳质页岩、页岩、泥岩等性质：粘土矿物高、易风化、机械一动就能粉末化、含有有机质，即具有类似土壤性质的优点，通过科学计算、分类剥离、分类堆放、土壤熟化的技术方法，能够破解困扰土地复垦土壤不足的瓶颈，实现废岩资源化解决排岩场土地复垦的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法流程图。

图2是本发明实施例提供的可采煤层之上岩性及在排岩场堆积位置柱状图。

图3是本发明实施例提供的基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩剥离堆积顺序方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法包括：

S101：依据排岩场土地复垦用土量的目的，利用勘探资料，评估计算露天煤矿开采境界范围内砂岩类、泥岩类、碳质页岩类的空间分布和体积，修订露天矿岩石剥离、堆积的方式、顺序和数量。

S102：露天煤矿错台剥离不同大类岩石(砂岩类、泥岩类、碳质页岩类)，机械开挖、分类运输。

S103：排岩场废岩堆积要求，依据从底部到表层依次堆积砂岩类、泥岩类、碳质页岩类，分层压实，依据复垦土地类型不同，覆盖30-80cm碳质页岩类(风化煤、碳质页岩、页岩)，机械推平压实。同时坚硬的大块石堆积在排岩场坡脚地带，构成岩石挡墙稳定边坡，另还可在合适位置堆积造景，发挥坚硬岩石的废物资源化利用。

S104：排土场表层碳质页岩与矿山生活厨余垃圾等混合堆积发酵，推平，完成废岩替代土地复垦的土壤。

本发明提供的基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法具体包括：

(1)基于露天煤矿排岩场土地复垦亩的地层岩性分布的评估方法。在分析露天煤矿可采煤层之上的地层岩性资料的基础上，基于露天煤矿土地复垦用土的目的，计算和绘制露天煤矿开采境界内的所有岩石岩性，特别是风化煤、页岩、碳质页岩的分布和等厚度线，优化露天煤矿开采、排岩的技术工艺和顺序：分岩性(砂岩类、泥岩类、碳质页岩类)开挖、分岩性运输(运载汽车或皮带)、分岩性排岩场空间位置堆放不同岩性的废石。

(2)基于排岩场土地复垦的可采煤层之上的废岩分类剥离、分类堆积方法。采掘过程中，将可采煤层之上的岩石分类分层剥离、分类运输、分类堆积在排岩场。排岩场底部堆积大块石、不易分化的砂砾岩、石英砂岩、长石石英砂岩；其上部堆排较难风化、粘土矿物少、有机质少的细粒砂岩、泥岩类，充填下部大块石构成的孔隙，机械压实；在排岩场平台、台阶及斜坡地带的表面，覆盖50-80cm厚度的含有有机质且易碎裂成粉末状的页岩、碳质页岩，或风化煤(表层最好覆盖顺序是风化煤、碳质页岩、页岩和泥岩)。

(3)排岩场土地复垦表层废岩堆积方法。将粘土矿物含量高、易分化、易碎裂、粉末化的风化煤、碳质页岩等堆积在排岩场的最表层(排岩场台面、台阶和斜坡)，机械压实，压实系数不小于0.80。复垦后拟用于草地、林地者，覆盖的有效厚度30-50cm，耕地者厚度80cm。

(4)排岩场土地复垦废岩土壤化及微生物化方法。利用矿山职工餐厅厨余生活垃圾、粪便与表层30cm的废岩(碳质页岩、页岩、泥岩)混合，依据不同岩性(风化煤、碳质页岩、页岩)有机质的含量，与表层废岩混合，其比例生活垃圾与废岩1:10～1:15，采用塑料布覆盖，堆积20～35天高温沤肥，按照20～30cm的有效厚度覆盖，后机械犁铧使其碎裂化、粉末化，另外还可散播复合肥或豆科绿肥，增加土壤有机质、氮磷钾及土壤通透性，完成土地复垦的土壤化。植树或穴坑植树，或撒播草地恢复草地，或用于种植农作物。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图3所示，本发明提供的基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法包括：

步骤一，基于露天煤矿排岩场土地复垦目的的地层岩性评估方法，在分析已有矿区煤系地层资料的基础上，计算和绘制露天煤矿开采境界范围内的可采煤层之上的所有岩石岩性(粗砂岩、细砂岩、泥岩、页岩、碳质页岩、风化煤、等)的空间分布和等厚度线，据此设计、优化、完善传统的露天煤矿废岩剥离、运输、堆积的空间位置、时间顺序的技术方法。

步骤二，基于排岩场土地复垦的可采煤层之上的废岩分类剥离、分类运输、分类堆积方法，采用机械剥离露天可采煤层时，特别注意单独剥离砂岩层、泥岩层、页岩层，分类型将其运输到排岩场，将大块且不易分化的含砾砂岩、石英砂岩、长石石英砂岩堆积在排岩场底部，粒径大于50cm的砂岩块堆积在排岩场底边的边部，筑成稳定边坡的干石挡墙，或用于矿山大块石造景工作。在粗块石及砂岩堆排的基础上，其上部堆排较难风化、粘土矿物少、有机质少的细粒砂岩和泥岩类，充填大块石之间的孔隙，并机械压实；在必须实施土地复垦的排岩场平台、台阶及斜坡地带，覆盖50～80cm厚度的含有有机质且易碎裂成粉末状的页岩、碳质页岩，或风化煤(表层最好覆盖是、风化煤或碳质页岩，其次是页岩和泥岩)。这种堆积过程是有机联系的，即砂岩堆积一定范围和高度后，就形成一边堆积砂岩，砂岩之上堆积细砂岩和泥岩(图2)，在最终的排岩场台面和台阶堆积碳质页岩的工艺，形成边剥离、边堆积、边复垦的土地复垦程序和方法。

步骤三，排岩场土地复垦表层废岩堆积方法，将易分化、易碎裂、易粉末化的碳质页岩，或风化煤堆积在排岩场的表层(排岩场台面、台阶和斜坡)，堆积量至少按复垦后拟用于草地、林地，覆盖的有效厚度30-50cm，耕地厚度80cm。首先统一按照有效厚度30cm覆盖表层，机械犁铧使其进一步碎裂化、细粒化，后用机械压实，压实系数不小于0.80。

步骤四，排岩场土地复垦废岩土壤化、养分化及微生物化方法，充分利用矿山职工餐厅厨余生活垃圾、人畜粪便与表层30cm的废岩(碳质页岩、页岩、泥岩)混合，依据不同岩性(碳质页岩或风化煤)有机质的含量，与表层废岩混合，其比例生活垃圾与废岩1:15～1:20，最好采用堆肥20～35天，气候按照20～30cm的有效厚度覆盖表土，后机械犁铧，碎裂化、粉末化，另外还可散播复合肥或豆科绿肥，增加土壤有机质、氮磷钾及土壤通透性，完成土地复垦的土壤化。季节植树或穴坑植树，或撒播草地恢复草地，或用于种植农作物。

本发明采用与开采煤层共生的沉积岩岩性差异，分层开挖、分类运输、粗的不耐风化的砂岩堆积在排岩场中下部，粒度细且粘土高的泥岩、页岩、碳质页岩堆积在排岩场上部和表层的岩石土壤化的地复垦系统和技术方法。

本发明通过基于露天煤矿排岩场土地复垦的目的，依据可采煤层之上剥离外排的砂岩类、泥岩类及碳质页岩类的岩性物理和化学性质的差异(岩石抗压程度、耐风化程度(易碎裂、易细粒化程度)、粘土成分、有机质含量等)，科学评估可采煤层之上不同类型岩性的空间分布范围、体积、剥离后的松散体积等，优化设计露天开采分类开挖、分类运输、分类堆放空间位置等，通过与矿山生活垃圾(厨余垃圾、人畜粪便)与废岩混合化，实现废岩、生活垃圾土地复垦资源化的土壤再造技术方法，实现煤炭资源开采、废石资源化利用、生活垃圾无害化处理三位一体的土地复垦技术方法，解决了制约无土、少土矿区土地复垦的关键问题，是绿色矿业发展(废石土壤化、环境影响最小化)的新模式，社会效应、生态效应、经济效应显著，具有非常大的市场推广价值。

下面结合实例对本发明的技术效果作详细的描述。

本实例以陕西省榆林市某露天煤矿为例，矿山可采煤炭资源量可服务年限28年，矿山为一凹陷型露天矿，开采标高+1357～+1180米，露天采坑最终境界面积32.1万m²，露天矿最深177m，最终边坡角度65°。可采煤层2层，合计厚度12～21m。露天矿煤层直接顶板为砂砾岩、粉砂质泥岩、泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩与泥岩互层，厚度1.05～31.45m。老顶为中细砂岩、细砂岩、粉砂岩、细砂岩夹粉砂质泥岩，厚度0.80～40.18m，泥岩夹细砂岩、砂岩夹粉砂质泥岩、泥质砂岩夹煤线、中粗砂岩，多为泥质胶结。直接底板多为粉砂质泥岩、炭质泥质，粉砂岩夹煤线、炭质泥岩与粉砂岩互层，老底为泥质粉砂岩、细砂岩，中粗砂岩、泥质粉砂岩夹煤线。煤层顶板坚固性属于软—极软型，易破碎，抗压强度低，属易冒落的松软型，岩石易软化，遇水膨胀易产生底鼓，两煤层的顶底板岩石天然状态下的抗压强度均值在6.10～81.50MPa之间，饱和状态下的抗压强度均值在1.90～34.30MPa之间，属软质岩石。底板岩石的软化系数平均值在0.50以下，属易软化的岩石。可采煤层之上的岩石采用机械剥离，剥离台阶采用正铲平装车，剥离废弃岩石由挖掘机采装，自卸卡车运输，推土机完成平整、清扫工作面和运输通路等辅助作业。废石采用卡车运输至外排岩场排弃，推土机配合作业。排岩场占地面积约100万m²(1500亩)，堆积废石约2400万m³，最大堆放高度40m，分两个台阶堆放，每个台阶堆放高度20m。

矿山生活垃圾填埋场：占地面积约2000m²(3亩)，规格50m*40m*2.5m，容积5000m³。矿山职工定员340人，按人均0.5kg/日，年工作日330天计算，年产生的生活垃圾约56.1吨(43.15m³)(容重1.3吨/m³)。28年累计排放生活垃圾1122.8m³。由于垃圾成分包括厨余垃圾、塑料、纸类、玻璃、废弃电池为主，属于混合垃圾，包括有机污染物和重金属污染物，日常将生活垃圾临时放置于区内垃圾池，清理运至垃圾填埋场进行压实掩埋处理，每次垃圾填埋时必须用坑边废土进行覆盖。

从本矿山原有的开发利用方案可以看出：(1)矿山开发利用方案重点关注了煤层顶板、底板的岩石力学性质，没有划分圈定评价不同类型岩石：砂岩、泥岩、页岩的分布与厚度，尤其是没有将能够用作土地复垦代替土壤的碳质页岩、风化煤、页岩分开圈定等。(2)可采煤层之上的废岩的剥离、运输、堆积至排岩场等整个过程，是不分岩石类型的混合剥离、运输与推积。(3)职工生活垃圾将厨余垃圾与有害垃圾混在一体，并且后续填埋处理，没有将可发酵用于排岩场土地复垦的有机肥的厨余垃圾单独堆排和处理。

该露天矿地处毛乌素沙地，露天矿开采挖损、压占的土地利用类型为有草地、有林地和耕地。其中1500亩排岩场和3亩生活垃圾填埋场，压占草地及灌木林地680亩，占压一般耕地820亩。露天矿开采剥离的表土及排岩场压占区的表土，只够后续露天矿台阶、底坑复垦用土，排岩场则全部需要外购土壤。依据土地复垦要求，矿山至少需要将排岩场1680亩地恢复为草地，覆盖有效土层30cm(压实系数不小于0.80)；复垦耕地面积820亩，覆盖土壤层厚度不小于0.8m。经过调查，此处商品土的综合费用(直接购土费、运输、商品土场土地复垦费)为21元/m³，则复垦草地、耕地每亩用费用：

每亩恢复草地购土费用(元)＝(666.7m²/亩*0.3m)*21元/m³＝4200.21.26元，则680亩草地购土费用＝680亩*4200.21＝2856142.8.8元，即需285.61万元；每亩恢复耕地购土费用(元)＝(666.7m²/亩*0.8m)*21元/m³＝11200.56元，则820亩恢复耕地购土费用(元)＝820亩*11200.56元/亩＝9184459.2元，即约918.45万元，该矿山合计需要复垦客土费用＝285.61万元+918.45万元＝1204.06万元。

即就目前而言，客土21元/m³，露天煤矿开采排岩场复垦草地、耕地，需要外购净土费用1204.06万元。换句话说，若采用矿山可采煤层之上自身存在的、可用于表土的页岩，就能节省相应的土地复垦费用1204.06万元，经济效益十分显著。

全国有露天煤矿200余座，类比此煤矿(年产300万吨)的排岩场规模粗略估算，复垦费用估算可节省购土费用200*1204.06万元＝240812万元＝24.0812亿元。可见，该发明具有非常好的应用市场和巨大的经济效益。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法，其特征在于，所述基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法是在评估计算露天煤矿可采煤层之上沉积岩岩性的差异及空间分布的基础上，通过煤层之上废岩错台开挖、分类剥离、分类转运、分类堆积在排岩场的不同位置，分层压实，表层采用风化煤、碳质页岩、页岩、泥岩代替土地复垦土壤；与矿山职工厨余生活垃圾混合发酵熟化及营养化，形成露天煤矿煤炭资源开采、废石剥离、分类堆放、排土场土地复垦工程的一体化。

2.如权利要求1所述的基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法，其特征在于，所述利用矿山职工厨余生活垃圾、厕所粪便与排岩场的碳质页岩类混合之前的需要：

第一步，分析煤层之上共生的不同沉积岩岩层岩性的差异及分布，圈定和计算风化煤、碳质页岩、页岩、泥岩类各自的空间分布与体积；

第二步，废岩通过露天开采挖掘机的分层剥离、汽车或传送带分类转运至排岩场；

第三步，在排岩场由底部到表层依次堆积粗砂岩、细砂岩、泥岩、页岩、碳质页岩、风化煤，分层压实。

3.如权利要求2所述的基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法，其特征在于，所述第一步分析煤层之上共生的不同沉积岩岩层岩性的差异及分布包括：

(1)依据不同岩性岩石后续在排岩场的位置以及是否能代替土壤的差异及资源化的特点，将露天煤矿开采境界范围内的岩石划归三大类：

1)不易风化的坚硬砂岩类，坚硬砂岩类包括：砂砾岩、粗砂岩、细砂岩；

2)具有粘土矿物的泥岩类；

3)容易风化且有机质含量较高的碳质页岩类，碳质页岩类包括风化煤、炭质页岩；

依据其产状、厚度、分布范围，计算体积，绘制露天煤矿开采境界内岩石厚度等值线图；

(2)依据排岩场占地范围、堆积高度、边坡坡度、复垦土地类型参数，计算剥离的废岩类型，优化排土场堆积空间位置关系；

(3)依据计算结果，结合露天煤矿开采计划，优化露天采坑自上而下废岩分类剥离、错台开挖的先后顺序，分岩性运输、分岩性在排岩场空间堆放不同废岩的技术。

4.如权利要求3所述的基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法，其特征在于，所述排岩场中下部堆积的砂岩类包括砂砾岩、粗砂岩、细砂岩、粉砂岩；所述排岩场表面堆积代替土壤的岩石是碳质页岩类包括风化煤、碳质页岩、页岩及泥岩。

5.如权利要求3所述的基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法，其特征在于，绘制露天煤矿开采境界内风化煤、碳质页岩、页岩、泥岩分布的厚度线图，计算其体积，是重点剥离、土地复垦岩石土壤化的岩石类型。

6.如权利要求3所述的基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法，其特征在于，所述复垦土地类型包括林地、林地或草地、耕地的面积、范围、覆土厚度。

7.如权利要求2所述的基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法，其特征在于，所述基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法依据评估计算的剥离废岩与排岩场表层可土壤化的岩性用量的关系，制定可采煤层之上的废岩分类剥离技术工艺；露天矿剥离煤层之上岩性按照砂岩类、泥岩类、碳质页岩类分类剥离；其中碳质页岩、风化煤必须单独剥离，分类运输，堆放在排岩场最表层。

8.如权利要求7所述的基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法，其特征在于，所述砂岩类包括砂砾岩、粗砂岩、细砂岩、粉砂岩可以混合剥离、混合堆积在排岩场。

9.如权利要求1所述的基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法，其特征在于，所述第二步通过露天开采挖掘机的分层剥离、分类转运至排岩场包括露天煤矿分类剥离、分类运输的岩石，硬度大、不易分化、开挖后容易形成大块石的砂岩类堆放在排岩场底部，其中直径50cm以上的巨大块石可以单独堆放在排岩场坡脚地带，干垒形成砂岩档土墙或在矿山合适位置叠置造景；排岩场从底部到顶部依次堆积粗砂岩、细砂岩、泥岩、页岩、碳质页岩、风化煤；边推积边进行机械压实；在土地复垦的排岩场平台、台阶地带的表层，堆放碳质页岩、风化煤或页岩；复垦耕地，表层铺设的碳质页岩类废岩的压实系数不小于0.80，最终厚度为50cm，草地厚度30cm，林地50cm；如果碳质页岩类数量不足，则林地可采用穴坑方法，只在穴坑中铺设覆盖土厚度100cm。

10.如权利要求1所述的基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法，其特征在于，所述基于露天煤矿排岩场土地复垦废岩土壤化的方法还包括排岩场土地复垦废岩复合肥营养化、豆科类绿肥有机化过程。

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