CN116025358A - 一种露天采坑地下含水层的修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种露天采坑地下含水层的修复方法，包括以下步骤：（1）对待修复的露天采坑和周缘进行地下水文特征的调查，确定待修复的露天采坑的地下水文分层剖面结构；（2）根据步骤（1）得到的所述地下水文特征，确定地下水文分层的材料；（3）将各地下水文分层的材料分别混合均匀后，按照步骤（1）确定的地下水文分层剖面结构，逐层分层回填透水层和隔水层，并进行分层压实，回填基底层后，再进行压实；（4）在基底层的上方设置覆土层，在覆土层上种植植物。

Description

一种露天采坑地下含水层的修复方法

技术领域

本发明属于露天采坑环境修复技术领域，具体涉及一种露天采坑地下含水层的修复方法。

背景技术

露天开采是我国浅层矿产资源的主要开采方式，由大量的土石方开挖工程而带来的环境问题较多，其中包括地下含水层的挖损及地下水位下降、地下水疏干、地表沉降塌陷和水土流失等问题。在煤等沉积矿产赋存、开发地区，地下水受层状相对隔水、透水的岩层控制，呈现出沿含水层成层分布的赋存特征，并保持连续的水力联系。地下水既可以通过局部排泄区排泄，也可以通过浅层地下水借助包气带、毛细水带和表层土壤建立另一种垂向的水力平衡。地下水连续稳定地分布在地下透水层和隔水层中，对其上覆地层、地形起到基本的承载支撑作用，同时还通过运移排泄的形式补给地表水系，为地表土壤植被提供水源补给，对生态系统起到多重支撑作用。

然而，在以往露天矿山采坑的生态环境修复中，主要是通过机械搬运的方式，将渣石统一回填，过程无序且杂乱，最后在回填顶面进行覆土和播撒草籽或移植树木，基本忽略了对地下含水层的修复和保护。很少从地下含水层对表层土壤和植被的稳定支撑、地下透水/隔水层的修复、地下水力联系的建立、地下水涵养恢复等角度去系统、整体的修复治理。由此，露天采坑在修复治理后，经常会衍生出明显积水、局部沉降、地裂缝或植被发育不良等新的生态环境问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种露天采坑地下含水层的修复方法，包括以下步骤：

（1）对待修复的露天采坑和周缘进行地下水文特征的调查，确定待修复的露天采坑的地下水文分层剖面结构；

（2）根据步骤（1）得到的所述地下水文特征，确定地下水文分层的材料；

（3）将各地下水文分层的材料分别混合均匀后，按照步骤（1）确定的地下水文分层剖面结构，逐层分层回填透水层和隔水层，并进行分层压实，回填基底层后，再进行压实；

（4）在基底层的上方设置覆土层，在覆土层上种植植物。

可选的，步骤（1）中，所述地下水文特征包括但不限于地下水水文单元、地下水的水位、透水层和隔水层的岩性序列、含水层的含水性、地下水的水质及类型、包气带和毛细水带分层界面。所述透水层和隔水层的岩性序列为透水层和隔水层交替排列结构。

所述地下水文特征的调查包括但不限于资料搜集、水文地质调查和水文地质钻探，具体的，调查露天采坑的边帮出露的岩土，对周缘部分进行钻孔，以获得露天采坑的原始砂岩和泥岩的岩性序列。

通过步骤（1）获得待修复的露天采坑的水文地质分层的特征信息，确定各特征水文地质分层的层位位置和相应的水文特性，为修复提供地质依据。

可选的，步骤（1）中，所述待修复的露天采坑的地下水文分层剖面结构包括若干层透水层、若干层隔水层和基底层，透水层和隔水层自下而上交替回填，再在最上方设置基底层。

所述确定待修复的露天采坑的地下水文分层剖面结构，具体包括以下步骤：

（a）根据所述透水层和隔水层的岩性序列，划分出若干层透水层，相邻的透水层之间设置一层隔水层；

（b）以步骤（1）得到的所述地下水的水位为参照，确定透水层和隔水层交替回填所形成的主体地层的顶界面位置，当透水层和隔水层交替回填的顶部高度达到所述顶界面位置时，所述主体地层的上方设置基底层。

可选的，步骤（a）中，所述透水层和隔水层的岩性序列为待修复的露天采坑的周缘原始地层中，透水层和隔水层的排列顺序；人工修复的地下水文分层的透水层的位置和厚度对应周缘原始地层的透水层，人工修复的地下水文分层的隔水层的位置和厚度对应周缘原始地层的隔水层；

所述透水层的厚度为2-5m，隔水层的厚度为1-2m。

可选的，步骤（b）中，透水层和隔水层形成主体地层，以步骤（1）得到的所述地下水的水位的最低处为主体地层的顶界面位置，由于透水层和隔水层自身具有厚度，当回填至靠近且低于地下水的水位的最低处时，若再回填一层透水层或隔水层，则主体地层的高度将超过地下水的水位，此时，不再回填透水层或隔水层，而是回填基底层；

所述基底层的厚度为1-3m。

可选的，步骤（2）中，所述地下水文分层的材料是指透水层的材料、隔水层的材料、基底层的材料。

进一步可选的，所述透水层的材料包括第一泥岩、第一砂岩和盐类，相对于100质量份的第一砂岩，第一泥岩为30-70份，盐类为5-16份，第一泥岩和第一砂岩的粒径均为5-10cm。

所述盐类包括钾盐、钠盐、铵盐和钙盐，例如氯化钙、无水硫酸钠、氯化钾、季铵盐等，增加透水层的肥力，使修复之后种植植物时，植物更容易成活。

进一步可选的，所述隔水层的材料包括第二泥岩和第二砂岩，相对于100质量份的第二泥岩，第二砂岩为43-70份，第二泥岩的粒径小于5cm，第二砂岩的粒径为5-10cm。

进一步可选的，所述基底层的材料包括第三泥岩、第三砂岩、粘土和沙土，相对于100质量份的第三泥岩，第三砂岩为90-110份，粘土为20-37份，砂为20-37份，第三泥岩和第三砂岩的粒径均小于5cm。

可选的，步骤（3）中，回填每个隔水层之后，需要均匀施水；回填基底层之后，也均匀施水；

透水层顶面压实系数为0.80±0.01，隔水层和基底层的顶面压实系数均为0.85±0.01；

可选的，步骤（4）中，所述覆土层的厚度为0.15-0.30m；所述植物为待修复的露天采坑及周缘原有的植物种类。最后，通过大气降水和地下水的自然循环交换，使露天采坑治理区的地下水得以更快恢复，有效促进生态系统的修复和稳定。

本发明所述的修复方法，利用待修复的露天采坑原有或周边的地下水文特征，再借助调查、钻探的技术手段，获得待修复的露天采坑及周缘的地下水文特征，再仿照其相应的水文地质和生态环境的作用及功能，确定待修复的露天采坑的地下水文分层剖面结构，并隔水层、透水层和基底层三个关键层的人工构建材料，使其能够各自具备相对隔水、容水并运移和促进微孔毛细水力联系的主要能力。

通过各个地下水文分层的有序回填，与周缘对应的地质层搭接，可更好、更快的实现地下水透水层、隔水层的层间关联，对后续地下水的均衡分布、顺畅运移和地下水流场稳定性具有更好的支持作用，同时还将起到有助于抑制露天采坑积水、地表沉降，有助于补给支持地表复绿植被生长等诸多良性循环效应。

本发明上述的覆土层直接覆土复绿，当覆土层顶面的高度低于露天采坑周缘的高度时，若降雨量较大，多余雨水排出不畅，将造成坑内积水。当覆土层顶面的高度不低于露天采坑周缘的高度时，降雨后除了地表吸收的雨水外，多余雨水即会排走，造成水分和土壤流失。针对这个问题，本发明提供以下2个解决方案。

第一，可选的，在步骤（3）之前，所述地下水文分层内均匀预埋若干个竖直设置的透水管，透水管的顶部管口敞开，且与覆土层上表面的距离为1-10mm，透水管的底部管口封闭且处于最顶部的透水层中，透水管对应透水层上部的位置设有若干个开口，用于将覆土层上多余水分引导排入最顶部的透水层中。

进一步可选的，所述透水管为中空的刚性结构，例如硬质塑料，内部装填透水土，透水管的顶部管口处设有过滤网，防止覆土层的岩土掉落进入透水管；

当最顶部的透水层上方有隔水层时，透水管的内部且对应覆土层和最顶部的隔水层的区域不装填透水土，允许进入透水管的水直接到达最顶部的透水层；

当最顶部的透水层上方没有隔水层时，透水管的内部且对应覆土层的区域不装填透水土，允许进入透水管的水直接到达最顶部的透水层；

所述透水土的材料包括100质量份的第一砂岩和30-70质量份的第一泥岩。

进一步可选的，若干个开口沿着透水管的周向均匀分布。

第二，可选的，在步骤（3）之前，所述地下水文分层内均匀挖设若干个竖直设置的透水洞，透水洞的顶部洞口敞开，底部处于最顶部的透水层的下部，透水洞中空，用于将覆土层上多余水分引导排入最顶部的透水层中。

进一步可选的，所述透水洞的顶部处设有过滤网，防止覆土层的岩土掉落进入透水洞；所述透水洞内装填透水土；

当最顶部的透水层上方有隔水层时，透水洞的内部且对应覆土层和最顶部的隔水层的区域不装填透水土，允许进入透水洞的水直接到达最顶部的透水层；

当最顶部的透水层上方没有隔水层时，透水管的内部且对应覆土层的区域不装填透水土，允许进入透水洞的水直接到达最顶部的透水层；

所述透水土的材料包括100质量份的第一砂岩和30-70质量份的第一泥岩。

进一步可选的，所述透水洞的底部设有一层隔水土，隔水土的厚度为0.1-0.3m，隔水土的材料包括等质量份的第二泥岩和第二砂岩，使得水在隔水土部分的渗透速度远小于在透水土的部分的渗透速度，进而为水通过透水土向透水层的渗透留出时间，有利于水向透水层充分渗透，同时阻止水向下方继续渗透。

本发明设置的透水管或透水洞用于将覆土层上多余的水量向下引导，并渗透进入最顶部的透水层，提高整体地下水文分层的涵水保水性能。透水管的顶部管口低于覆土层上表面，便于水流入各透水管；透水洞则能够直接将水引入。透水管或透水洞内装填透水土，透水土的组成与透水层相同，但不包括透水层的盐类，使得透水土与透水层的透水性能大致相同，透水土能够防止透水洞长时间使用不坍塌，尤其是雨水较大时不坍塌，同时使得水分的渗透模拟透水层规律，允许覆土层充分吸收水分。

附图说明

图1为用于高寒区土壤水土涵养的人工重构修复方法的工艺流程示意图；

图2为实施例2的透水管的示意图；

图3为实施例3的透水洞的示意图；

图4为实施例4的透水洞的示意图。

附图中，1-透水管，2-覆土层，3-透水层，4-开口，5-隔水层，6-透水洞，7-透水土，8-过滤网。

具体实施方式

以下实施例和对比例均为在小型的露天采坑进行的小范围的人工模拟实验，修复面积均为30m²。

实施例1

本实施例提供的露天采坑地下含水层的修复方法，如图1所示，包括以下步骤：

（1）对待修复的露天采坑和周缘进行地下水文特征的调查，确定待修复的露天采坑的地下水文分层剖面结构；

所述地下水文特征包括地下水水文单元、地下水的水位、透水层和隔水层的岩性序列、含水层的含水性、地下水的水质及类型、包气带和毛细水带分层界面；所述透水层和隔水层的岩性序列为透水层和隔水层交替排列结构；

所述地下水文特征的调查包括资料搜集、水文地质调查和水文地质钻探，具体的，调查露天采坑的边帮出露的岩土，对周缘部分进行钻孔，以获得露天采坑的原始砂岩和泥岩的岩性序列；

所述待修复的露天采坑的地下水文分层剖面结构包括若干层透水层、若干层隔水层和基底层，透水层和隔水层自下而上交替回填，再在最上方设置基底层；

所述确定待修复的露天采坑的地下水文分层剖面结构，具体包括以下步骤：

（a）根据所述透水层和隔水层的岩性序列，划分出十层透水层，相邻的透水层之间设置一层隔水层；

透水层的厚度为5m，隔水层的厚度为1m；

（b）以步骤（1）得到的所述地下水的水位为参照，确定透水层和隔水层交替回填所形成的主体地层的顶界面位置，当透水层和隔水层交替回填的顶部高度达到所述顶界面位置时，所述主体地层的上方设置基底层；

具体的，透水层和隔水层形成主体地层，以步骤（1）得到的所述地下水的水位的最低处为主体地层的顶界面位置，由于透水层和隔水层自身具有厚度，当回填至靠近且低于地下水的水位的最低处时，若再回填一层透水层或隔水层，则主体地层的高度将超过地下水的水位，此时，不再回填透水层或隔水层，而是回填基底层；

所述基底层的厚度为1m；

（2）根据步骤（1）得到的所述地下水文特征，确定地下水文分层的材料；所述地下水文分层的材料是指透水层的材料、隔水层的材料、基底层的材料，具体的，

透水层的材料包括第一泥岩、第一砂岩和盐类，相对于100质量份的第一砂岩，第一泥岩为30份，盐类为5份，第一泥岩和第一砂岩的粒径均为5-10cm；

所述盐类包括等质量的氯化钾和季铵盐；

隔水层的材料包括第二泥岩和第二砂岩，相对于100质量份的第二泥岩，第二砂岩为43份，第二泥岩的粒径小于5cm，第二砂岩的粒径为5-10cm；

基底层的材料包括第三泥岩、第三砂岩、粘土和沙土，相对于100质量份的第三泥岩，第三砂岩为90份，粘土为20份，砂为20份，第三泥岩和第三砂岩的粒径均小于5cm；

（3）将各地下水文分层的材料分别混合均匀后，按照步骤（1）确定的地下水文分层剖面结构，逐层分层回填透水层和隔水层，并进行分层压实，回填基底层后，再进行压实；

回填每个隔水层之后，需要均匀施水；回填基底层之后，也均匀施水；

透水层顶面压实系数为0.80±0.01，隔水层和基底层的顶面压实系数均为0.85±0.01；

（4）在基底层的上方设置厚度为0.15m的覆土层，在覆土层上种植高原牧草。

对比例1

本对比例提供的露天采坑地下含水层的修复方法与实施例1相同，区别在于，步骤（1）和（3）中，透水层和隔水层不交替铺设，由下至上铺设一层透水层和一层隔水层，铺设后再一次性压实后再均匀施水。

实施例2

本实施例提供的露天采坑地下含水层的修复方法与实施例1相同，区别在于，如图2所示，在步骤（3）之前，所述地下水文分层内均匀预埋十个竖直设置的透水管1，透水管1内部空置，透水管1的顶部管口敞开，且与覆土层2上表面的距离为10mm，覆土层下方为隔水层5，隔水层5下方为透水层3，透水管的底部管口封闭且处于最顶部透水层3中，透水管对应透水层3的顶部位置设有十个开口4，开口4沿着透水管1的周向均匀分布，用于将覆土层2上多余水分引导排入最顶部透水层3中。

实施例3

本实施例提供的露天采坑地下含水层的修复方法与实施例1相同，区别在于，如图3所示，所述地下水文分层内均匀挖设十个竖直设置的透水洞6，透水洞6的顶部洞口敞开，且设有过滤网8，底部处于最顶部的透水层3的下部，透水洞6中空，用于将覆土层上多余水分引导排入最顶部的透水层3中。

实施例4

本实施例提供的露天采坑地下含水层的修复方法与实施例3相同，区别在于，如图4所示，所述透水洞6内装填透水土7；

最顶部的透水层3上方有隔水层5，透水洞6的内部且对应覆土层2和最顶部的隔水层5的区域不装填透水土，允许进入透水洞6的水直接到达最顶部的透水层3；

所述透水土的材料包括100质量份的第一砂岩和30质量份的第一泥岩。

实施例5

本实施例提供的露天采坑地下含水层的修复方法与实施例4相同，区别在于，所述透水洞6的底部设有一层隔水土，隔水土的厚度为0.1m，隔水土的材料包括等质量份的第二泥岩和第二砂岩。

所有实施例和对比例完成修复后，待覆土层上的植被生长达到植物覆盖率达85%，在覆土层上人工均匀洒水，用于模拟降雨，每小时的模拟降雨量等于该地区之前5年内最高峰的降雨量。

表1 实施例和对比例的保水效果比较

；

地表明显积水的时间为在持续高峰降雨量下，地表出现明显积水的时间。

由上可知，本发明所述的露天采坑地下含水层的修复方法中，将透水层和隔水层交替回填，还原原始的地下透水层和隔水层的结构，有利于恢复原始地下复杂的地下水水力联系和循环，所述透水管和透水洞对地表积水的排解具有很好的效果，且通过向顶部透水层的引导可以增加地下水源涵养。

实施例3中部分透水洞出现坍塌，失去部分导水透水的作用。实施例2使用透水管，使得覆土层上的雨水或积水能快速导入透水层，然而硬质塑料的透水管相当于在采坑修复中引入了原本不属于原始土壤的物质，若修复后透水管不拔出，则有污染环境的风险，若修复后透水管拔出，则工作量较大。实施例4中透水洞装填了透水土，虽然渗水速度比实施例2慢些，但比较环保，修复后不用再处理透水洞。实施例5在实施例4的基础上增加了隔水土，虽然渗水速度比实施例4慢些，但能够保证沿着透水洞渗下的水几乎不继续向下继续渗透，使得地面雨水或积水只渗到最顶部的透水层，为植物生长提供水分，而不会渗到再下面的土层，不会影响下层各透水层与周边原始土壤中透水层对接后，承接、转移地下水，有利于人工修复的地下水文分层更贴近原始状态。

Claims (10)

1.一种露天采坑地下含水层的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对待修复的露天采坑和周缘进行地下水文特征的调查，确定待修复的露天采坑的地下水文分层剖面结构；

（2）根据步骤（1）得到的所述地下水文特征，确定地下水文分层的材料；

（3）将各地下水文分层的材料分别混合均匀后，按照步骤（1）确定的地下水文分层剖面结构，逐层分层回填透水层和隔水层，并进行分层压实，回填基底层后，再进行压实；

（4）在基底层的上方设置覆土层，在覆土层上种植植物。

2.根据权利要求1所述的露天采坑地下含水层的修复方法，其特征在于，所述地下水文特征包括地下水水文单元、地下水的水位、透水层和隔水层的岩性序列、含水层的含水性、地下水的水质及类型、包气带和毛细水带分层界面；所述透水层和隔水层的岩性序列为透水层和隔水层交替排列结构；

所述地下水文特征的调查要调查露天采坑的边帮出露的岩土，对周缘部分进行钻孔，以获得露天采坑的原始砂岩和泥岩的岩性序列。

3.根据权利要求1所述的露天采坑地下含水层的修复方法，其特征在于，步骤（1）中，所述待修复的露天采坑的地下水文分层剖面结构包括若干层透水层、若干层隔水层和基底层，透水层和隔水层自下而上交替回填，再在最上方设置基底层。

4.根据权利要求3所述的露天采坑地下含水层的修复方法，其特征在于，所述确定待修复的露天采坑的地下水文分层剖面结构，具体包括以下步骤：

（a）根据所述透水层和隔水层的岩性序列，划分出若干层透水层，相邻的透水层之间设置一层隔水层；

（b）以步骤（1）得到的所述地下水的水位为参照，确定透水层和隔水层交替回填所形成的主体地层的顶界面位置，当透水层和隔水层交替回填的顶部高度达到所述顶界面位置时，所述主体地层的上方设置基底层。

5.根据权利要求4所述的露天采坑地下含水层的修复方法，其特征在于，所述透水层和隔水层的岩性序列为待修复的露天采坑的周缘原始地层中，透水层和隔水层的排列顺序；人工修复的地下水文分层的透水层的位置和厚度对应周缘原始地层的透水层，人工修复的地下水文分层的隔水层的位置和厚度对应周缘原始地层的隔水层。

6.根据权利要求4所述的露天采坑地下含水层的修复方法，其特征在于，步骤（2）中，所述地下水文分层的材料是指透水层的材料、隔水层的材料、基底层的材料；

所述透水层的材料包括第一泥岩、第一砂岩和盐类，相对于100质量份的第一砂岩，第一泥岩为30-70份，盐类为5-16份；

所述隔水层的材料包括第二泥岩和第二砂岩，相对于100质量份的第二泥岩，第二砂岩为43-70份；

所述基底层的材料包括第三泥岩、第三砂岩、粘土和沙土，相对于100质量份的第三泥岩，第三砂岩为90-110份，粘土为20-37份，砂为20-37份。

7.根据权利要求4所述的露天采坑地下含水层的修复方法，其特征在于，所述地下水文分层内均匀预埋若干个竖直设置的透水管，透水管的顶部管口敞开，且与覆土层上表面的距离为1-10mm，透水管的底部管口封闭且处于最顶部的透水层中，透水管对应透水层上部的位置设有开口，用于将覆土层上多余水分引导排入最顶部的透水层中。

8.根据权利要求7所述的露天采坑地下含水层的修复方法，其特征在于，所述透水管为中空的刚性结构，内部装填透水土，透水管的顶部管口处设有过滤网，防止覆土层的岩土掉落进入透水管；

所述透水土的材料包括100质量份的第一砂岩和30-70质量份的第一泥岩。

9.根据权利要求4所述的露天采坑地下含水层的修复方法，其特征在于，所述地下水文分层内均匀挖设若干个竖直设置的透水洞，透水洞的顶部洞口敞开，底部处于最顶部的透水层的下部，用于将覆土层上多余水分引导排入最顶部的透水层中。

10.根据权利要求9所述的露天采坑地下含水层的修复方法，其特征在于，所述透水洞的顶部处设有过滤网，所述透水洞内装填透水土；

所述透水洞的底部设有一层隔水土，隔水土的厚度为0.1-0.3m，隔水土的材料包括等质量份的第二泥岩和第二砂岩。

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