煤炭是我国的主要能源,目前我国仍处于经济快速发展时期,煤炭的主体能源地位短时间内不会变化,煤炭资源的开采为在为国民经济发展做出巨大贡献的同时也不可避免的造成了土地沉陷,中东部高潜水位地区的沉陷地中约有85%以上为耕地,尤其我国东部矿区是重要的粮食产区和高水位的煤炭生产基地,土地沉陷造成大面积积水,导致大面积耕地丧失正常耕作能力。据统计采矿沉陷区以每年7万公顷的速度增长,因沉陷而造成的耕地损失将继续增加,使得我国本身就人多地少的矛盾变得更加突出,复垦这部分因采煤沉陷而丧失耕地能力的耕地势在必行,而充填复垦技术是有效解决该问题的有效办法,以往的挖深垫浅、煤矸石充填、粉煤灰充填等技术,因复垦效率低、充填材料短缺以及可能存在的潜在污染等问题,难以解决我国东部采煤沉陷导致的矿地、矿农矛盾。利用采煤沉陷地距离黄河近的优势,用黄河泥沙进行充填复垦,既可以解决黄河渠道泥沙淤泥的问题同时又解决了充填材料短缺的问题。本文在已有研究的基础上,首先分析了黄河泥沙充填复垦技术工艺,指出了传统的不分条带单次充填工艺和分条带单次充填工艺存在的问题,分析了分条带交替式多次多层充填复垦的原理、优势及工艺;给出了条带间交替充填的时间衔接模型和同步交替充填条带数量的数学概念模型;综合利用泥沙运动力学、土质学、土力学、流体力学、土壤学、农学等相关知识进行了室内和野外试验,给出了黄河泥沙在条带内的运动特性以及垂线和沿程分布规律,结合野外充填复垦试验,进行了黄河泥沙沉降固结时间计算,并借助流体力学(Fluent)进行了黄河泥沙充填复垦数值模拟;进行室内强化排水模拟试验,以期优选出最佳的排水方式;进行了野外种植试验,通过连续监测小麦和玉米的产量、千粒重和复垦土壤剖面含水量、养分含量验证多次多层充填复垦效果。主要研究结果如下:(1)传统的黄河泥沙充填复垦工艺存在适用范围小和复垦土壤质量差的问题,分条带交替式多次多层充填技术关键是解决土壤分层剥离和堆存、多次回填土壤与充填之间的耦合,其目的是实现在连续充填的条件下,构建高质量夹层式土壤剖面构型。如何实现连续充填是研究的重点,多次多层充填复垦的关键技术指的是实现连续充填的时间衔接、泥沙沉降固结和强化排水技术。(2)多次多层充填的关键是如何实现连续充填,需要解决的是多次土壤回填和多次充填之间的耦合机制,本文以在黄河泥沙层中分别夹一层心土层和夹两层心土层的情况为例,给出了实现连续充填的时间模型和实现连续充填满足的同步交替充填条带数量的数学概念模型,从理论上解决了连续充填的关键问题。(3)充填泥沙沉降固结时间研究对于指导黄河泥沙充填以及实现连续充填,节约复垦时间和成本,具有很重要的现实意义。理论研究和野外充填复垦试验相结合,对泥沙沉降固结时间计算进行了探讨。①泥沙的粒径大小与泥沙的水力学特性有着密切的关系,泥沙粒径是影响其起动、止动、沉降和悬浮的重要的因素;分别列出了充填过程中条带内泥沙垂线和沿程分布规律、泥沙沉降率、泥沙淤积和泥沙固结的理论公式。②进行了野外充填复垦试验,计算充填过程中各计算段的水力参数和沉降量等,包括平均谢才系数、平均水力坡度、水流摩阻流速、恢复饱和系数、充填条带上下断面含沙量、沉降率、淤积体积和淤积厚度。通过理论计算得出的黄河泥沙的沉降厚度和试验数据基本一致。③通过排水固结时间计算知,固结系数为0.015656 m2/d,泥沙固结的时间因子Tv为0.575,本试验泥沙固结时间为9.18天。排水方式对于排水固结时间影响比较显著,合理的布设排水方式对于加速泥沙的排水固结具有重要的意义。④进行了黄河泥沙充填数值模拟,借助流体力学(Fluent)的欧拉模型进行模拟,数值模拟的结果表明,粗颗粒泥沙较细颗粒泥沙先沉降,符合泥沙运移规律,数值模拟结果较好。(4)进行了强化排水室内模拟试验,对比分析5种处理的复垦效果(排水含沙量、排水泥沙粒径、玻璃槽内充填层表层泥沙粒径)、充填第一层黄河泥沙后剖面各层含水量变化和充填第二层黄河泥沙后剖面各层含水量变化,优选最佳的强化排水方式。由试验结果分析知,土工布具有较好的拦沙效果,可以将泥沙拦截在玻璃槽内;絮凝剂有利于细颗粒泥沙的快速沉降,减少排出;暗管处理的排水效果较好。(5)通过野外种植试验验证条带交替多次多层充填复垦效果。通过对2016年6月小麦、2016年9月玉米、2017年6月小麦、2017年9月玉米和2018年6月小麦的千粒重和产量分析知,对于同样的土壤厚度,多次多层充填形成的夹层式土壤剖面构型较“上土下沙”型的双层土壤剖面构型的千粒重和产量大。不同夹层式土壤剖面构型对农作物千粒重和产量具有一定影响,充填的层数、各充填层的厚度和夹心土层的厚度均是影响复垦效果的重要因素,甚至某些夹层式土壤剖面构型的千粒重和产量大于对照。相对于“上土下沙”型剖面,夹层式土壤剖面构型有利于蓄持更多的水分,更易保存表层土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾,且夹层式土壤剖面构型有利于保持剖面全氮和速效钾。本文对采煤沉陷地黄河泥沙多次多层充填复垦关键技术进行了探索研究,通过分析知,多次多层充填复垦在工艺上是可行的,复垦效果也是比较好的,但是仍有很多不足之处,有待进一步的研究。由于野外充填复垦过程中存在很多不确定因素,所以未来可以进行野外充填排水方式的试验,进一步验证室内试验的结果,同时本文仅从农作物千粒重、产量和土壤剖面含水量、养分含量分析了充填复垦效果,.方法比较简单,未来可以从综合效益分析其复垦效果。