CN113841478A - 一种煤基固废用于采煤塌陷区土壤重构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明基于挖深垫浅、边采边复的采煤塌陷区治理技术，提出一种煤基固废用于采煤塌陷区土壤重构的方法，在基于Logistic时间函数进行地表动态沉陷预测的基础上，将采煤塌陷区按照分层高度比例划分为防重金属污染层、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，每个分层内按照设计比例铺设煤基固废、原始土壤，同时加入土壤调节剂、堆肥等辅料，构建“近自然土壤”结构，达到土壤重构目标。使重构土壤保水保肥，提供真实土壤的功效，可以最大限度增加耕地面积，降低采煤塌陷区环境恶化，同时消纳大量的煤基固废，降低煤基固废处理费用，减弱重金属对土壤和水系的污染，促进采煤塌陷区生态化治理和煤炭安全绿色开采。

Description

一种煤基固废用于采煤塌陷区土壤重构的方法
技术领域
本发明涉及煤炭行业绿色开采的采煤塌陷区生态治理领域，具体涉及一种煤基固废用于采煤塌陷区土壤重构的方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，近年来煤炭需求量急剧增长，大规模开采后产生大量煤基固废，导致地表沉陷，造成耕地破坏、水系污染、形成大量塌陷区，生态环境问题日益突出。面对数量众多的采煤塌陷区和煤基固废，虽然近年来也出现将采煤塌陷区建设成煤炭地质公园，进行水产养殖等，但生态化治理还处在理论基础阶段，并且目前对于煤基固废的综合利用途径比较单一，深加工产品附加值普遍偏低，现阶段多采用占地堆放的方式，占用大量土地资源，造成重金属污染，还未实现大规模工业化利用，因此煤基固废的减量化、无害化、资源化利用势在必行。
鉴于此，近年来公开了一种利用黄河泥沙动态充填采煤塌陷区的方法(公告号：CN109372511B)和一种高潜水位煤矿区动态预复垦新方法(公告号：CN107989612B)等，这些方法针对中国中东部高潜水位矿区塌陷区治理提供了挖深垫浅、边采边复的思路和方法，但是对于中国西部干旱、半干旱矿区水资源匮乏、地下潜水位低、煤炭产量大、煤基固废丰富的情况，需要考虑煤基固废用于采煤塌陷区土壤重构时的吸纳量、充填工艺、重金属污染防治等，保证煤基固废的减量化、无害化、资源化利用，促进采煤塌陷区生态化治理和煤炭安全绿色开采。
发明内容
本发明基于挖深垫浅、边采边复的采煤塌陷区治理技术，针对上述技术中存在的问题，提出一种煤基固废用于采煤塌陷区土壤重构的方法，通过采煤塌陷区来消纳大量的煤基固废，将煤基固废进行分层回填设计，加入土壤改良剂和堆肥等辅料，构建“近自然土壤”结构，使之保水保肥，提供真实土壤的功效，同时降低煤基固废处理费，减弱重金属对土壤和水系的污染，促进采煤塌陷区生态化治理和煤炭安全绿色开采。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
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；
Figure BDA0003335380590000021
Wt＝[1-1/(1+(t/x0)P)]Wm (2)
式中：
Figure BDA0003335380590000022
为时间函数，Wt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，Wm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；
Figure BDA0003335380590000023
Figure BDA0003335380590000024
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；
Figure BDA0003335380590000031
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。
优选地，所述煤基固废包括煤矸石、粉煤灰、气化渣、炉底渣、脱硫石膏；分层回填时煤基固废、土壤改良剂和堆肥等辅助材料需充分均匀混合，根据煤基固废回填材料的密度、硬度、粒径大小、持水能力、孔隙度、所含养分及矿物质元素进行科学配比，煤基固废的质量比例分别为煤矸石30％，粉煤灰30％，炉底渣15％，气化渣15％，脱硫石膏10％。
优选地，所述第1充填层、夹心土层、第2充填层、心土层和表土层沿垂直于地表方向回填高度L1、L2、L3、L4、L5比例分别为44％，6％，32％，6％,12％，所述防重金属污染层和阻隔层厚度为0.3m。
优选地，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％。
优选地，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。
优选地，所述还原剂为铁粉、硫酸亚铁、亚硫酸钠，所述螯合剂为EDTA，所述吸附剂为树脂，所述防渗材料为钠基膨润土，渗透系数≤5×10-11m/s。
优选地，所述煤基固废堆场环境风险等级评估主要通过环境危害性、控制机制可靠性、周边环境敏感性三个指标来进行煤基固废堆场环境风险划分，根据采煤塌陷区煤基固废堆场的实际情况进行环境危害性划分，具体如表1所示，再根据表1的得分确定级别代码，然后将确定的级别代码和表2的划分矩阵分别对应，从而确定煤基固废堆场环境风险等级，保障采煤塌陷区土壤重构的顺利实施。
Figure BDA0003335380590000041
Figure BDA0003335380590000051
Figure BDA0003335380590000052
本发明具有以下有益之处：
本发明具有一定的创新性和可行性，基于挖深垫浅、边采边复的采煤塌陷区治理技术，设计了一种煤基固废用于采煤塌陷区土壤重构的方法，在基于Logistic时间函数对采煤塌陷区地表进行动态沉陷预测的基础上，将采煤塌陷区按照设定分层高度比例划分为防重金属污染层、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，每个分层内按照设计比例铺设煤基固废、原始土壤，同时加入土壤调节剂、堆肥等辅料，构建“近自然土壤”结构，达到土壤重构目标，使重构土壤保水保肥，提供真实土壤的功效，可以最大限度增加耕地面积，降低采煤塌陷区环境恶化，同时消纳大量的煤基固废，降低煤基固废处理费用，减弱重金属对土壤和水系的污染，促进采煤塌陷区生态化治理和煤炭安全绿色开采。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的土壤重构效果图；
图2为本发明的土壤重构结构示意图；
图3为本发明的走向主断面坐标系构建示意图；
图4为本发明的倾向主断面坐标系构建示意图；
图5为本发明的地表下沉动态预测模型示意图；
图6为本发明的防重金属污染层结构示意图；
图7为本发明的阻隔层结构示意图。
附图中：第1充填层1；夹心土层2；第2充填层3；心土层4；表土层5；防重金属污染层6；阻隔层7；原始地层8；地表9；煤基固废堆场10；活性炭601；下层602；上层603；黏土层701；HDPE膜702。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种煤基固废用于采煤塌陷区土壤重构的方法，包括以下步骤：
(1)进行各阶段下沉值预测：
基于地表9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9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9沉陷的时空分布特征；
Figure BDA0003335380590000071
Wt＝[1-1/(1+(t/x0)P)]Wm (2)
式中：
Figure BDA0003335380590000072
为时间函数，Wt为该点t时刻预测下沉值，x0为地表9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，Wm为实测地表9某点的最大下沉值；
(2)构建基于坐标变换的地表9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；
Figure BDA0003335380590000073
Figure BDA0003335380590000074
式中：
W0(x)、W0(y)分别为走向和倾向主断面地表9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9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9沉陷动态预测模型：
基于Logistic时间函数的地表9沉陷动态预测模型可通过任意点的地表9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9下沉量，再将所有单元开采产生的地表9下沉量进行叠加即可得到地表9产生的总下沉量；
Figure BDA0003335380590000081
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9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9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10环境风险等级评估：重点评估煤基固废堆场10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6、第1充填层1、夹心土层2、第2充填层3、心土层4、表土层5和阻隔层7顺序进行分层回填；
(7)回填作业完成后在地表9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。
优选地，所述煤基固废包括煤矸石、粉煤灰、气化渣、炉底渣、脱硫石膏；分层回填时煤基固废、土壤改良剂和堆肥等辅助材料需充分均匀混合，根据煤基固废回填材料的密度、硬度、粒径大小、持水能力、孔隙度、所含养分及矿物质元素进行科学配比，煤基固废的质量比例分别为煤矸石30％，粉煤灰30％，炉底渣15％，气化渣15％，脱硫石膏10％。
优选地，所述第1充填层1、夹心土层2、第2充填层3、心土层4和表土层5沿垂直于地表9方向回填高度L1、L2、L3、L4、L5比例分别为44％，6％，32％，6％,12％，所述防重金属污染层6和阻隔层7厚度为0.3m。
优选地，所述第1充填层1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2充填原始土壤；所述第2充填层3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4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5充填原始土壤85％、土壤调节剂1％、动物粪便4％、堆肥10％。
优选地，利用防渗阻隔技术，在所述第1充填层1底部铺设防重金属污染层6，所述防重金属污染层6以活性炭601为载体，设置上下两层，上层603含有还原剂、螯合剂、吸附剂其中至少一种，下层602布置防渗材料；在表土层5上方覆盖0.3m的阻隔层7，所述阻隔层7需要先覆盖0.15m厚的黏土层701，然后铺设HDPE膜702，最后在HDPE膜702上覆盖0.15m黏土层701；同时，回填塌陷区应该在回填作业后立即实施土地复垦。
优选地，所述还原剂为铁粉、硫酸亚铁、亚硫酸钠，所述螯合剂为EDTA，所述吸附剂为树脂，所述防渗材料为钠基膨润土，渗透系数≤5×10-11m/s。
优选地，所述煤基固废堆场10环境风险等级评估主要通过环境危害性、控制机制可靠性、周边环境敏感性三个指标来进行煤基固废堆场10环境风险划分，根据采煤塌陷区煤基固废堆场10的实际情况进行环境危害性划分，具体如表1所示，再根据表1的得分确定级别代码，然后将确定的级别代码和表2的划分矩阵分别对应，从而确定煤基固废堆场10环境风险等级，保障采煤塌陷区土壤重构的顺利实施。
Figure BDA0003335380590000091
Figure BDA0003335380590000101
Figure BDA0003335380590000102
实施例：
神华宁夏煤业集团下属某矿主采煤层9煤厚度平均6.66m，某工作面倾向长度250m，煤层倾角7°～10°，煤层厚度4.5m，上覆岩层厚度约为373m，容重为1.8×103kg/m3，直接顶为石灰岩，上覆岩层以砂岩为主。实施步骤包括以下步骤：
(1)进行各阶段下沉值预测：
基于地表9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9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9沉陷的时空分布特征。
Figure BDA0003335380590000111
Wt＝[1-1/(1+(t/x0)P)]Wm (2)
式中：
Figure BDA0003335380590000112
为时间函数，Wt为该点t时刻预测下沉值，x0为地表9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，Wm为实测地表9某点的最大下沉值。
(2)构建基于坐标变换的地表9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。
Figure BDA0003335380590000113
Figure BDA0003335380590000114
式中：
W0(x)、W0(y)分别为走向和倾向主断面地表9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9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9沉陷动态预测模型：
基于Logistic时间函数的地表9沉陷动态预测模型可通过任意点的地表9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9下沉量进行叠加即可得到地表9产生的总下沉量；
Figure BDA0003335380590000121
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9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9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，筛选结果显示煤矸石、粉煤灰、气化渣、炉底渣、脱硫石膏5种煤基固废满足GB15618-2018中规定的分险管制值。
(5)煤基固废堆场10环境风险等级评估：主要通过环境危害性(Dh)、控制机制可靠性(Dk)、周边环境敏感性(Dm)三个指标来重点评估煤基固废堆场10对地下水、地表水及周边土壤的环境污染风险，其中Dh为25分，级别代码为H3，Dk为50分，级别代码为K2，Dm为60分，级别代码M2，综合分析煤基固废堆场10环境分险等级为一般，适合进行采煤塌陷区土壤重构。
(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，将煤基固废质量比例分别按照煤矸石30％，粉煤灰30％，炉底渣15％，气化渣15％，脱硫石膏10％进行堆放，形成煤基固废堆场10；第1充填层1、夹心土层2、第2充填层3、心土层4和表土层5沿垂直于地表9方向回填高度L1、L2、L3、L4、L5分别为3.5m，0.5m，2.5m，0.5m,1m，防重金属污染层6和阻隔层7厚度为0.3m。
分层回填顺序为防重金属污染层6、第1充填层1、夹心土层2、第2充填层3、心土层4、表土层5、阻隔层7；防重金属污染层6以活性炭601为载体，设置上下两层，上层603含有螯合剂EDTA和树脂吸附剂，下层602为钠基膨润土防渗材料，渗透系数≤5×10-11m/s，第1充填层1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％，夹心土层2充填原始土壤，第2充填层3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％，心土层4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％，表土层5充填原始土壤85％、土壤调节剂1％、动物粪便4％、堆肥10％，在表土层5上方覆盖0.3m的阻隔层7，阻隔层7先覆盖0.15m厚的黏土层701，然后铺设HDPE膜702，最后在HDPE膜702上覆盖0.15m黏土层701。
(7)回填作业完成后在地表9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，同时，回填塌陷区应该在回填作业后立即实施土地复垦。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

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；
Figure FDA0003335380580000011
Wt＝[1-1/(1+(t/x0)P)]Wm (2)
式中：
Figure FDA0003335380580000012
为时间函数，Wt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，Wm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；
Figure FDA0003335380580000013
Figure FDA0003335380580000014
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；
Figure FDA0003335380580000021
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。
2.根据权利要求1所述的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：所述煤基固废包括煤矸石、粉煤灰、气化渣、炉底渣、脱硫石膏；分层回填时煤基固废、土壤改良剂和堆肥等辅助材料需充分均匀混合，根据煤基固废回填材料的密度、硬度、粒径大小、持水能力、孔隙度、所含养分及矿物质元素进行科学配比，煤基固废的质量比例分别为煤矸石30％，粉煤灰30％，炉底渣15％，气化渣15％，脱硫石膏10％。
3.根据权利要求1所述的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：所述第1充填层、夹心土层、第2充填层、心土层和表土层沿垂直于地表方向回填高度L1、L2、L3、L4、L5比例分别为44％，6％，32％，6％,12％，所述防重金属污染层和阻隔层厚度为0.3m。
4.根据权利要求3所述的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：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％。
5.根据权利要求1所述的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：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。
6.根据权利要求1和5所述的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：所述还原剂为铁粉、硫酸亚铁、亚硫酸钠，所述螯合剂为EDTA，所述吸附剂为树脂，所述防渗材料为钠基膨润土，渗透系数≤5×10-11m/s。
7.根据权利要求1所述的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：所述煤基固废堆场环境风险等级评估主要通过环境危害性、控制机制可靠性、周边环境敏感性三个指标来进行煤基固废堆场环境风险划分，根据采煤塌陷区煤基固废堆场的实际情况进行环境危害性划分，具体如表1所示，再根据表1的得分确定级别代码，然后将确定的级别代码和表2的划分矩阵分别对应，从而确定煤基固废堆场环境风险等级，保障采煤塌陷区土壤重构的顺利实施。
Figure FDA0003335380580000041
Figure FDA0003335380580000042
Figure FDA0003335380580000051
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