何 強(qiáng)，吳 侃，許 冬，姚丹丹

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

南四湖流域采煤沉陷區(qū)引黃復(fù)墾需沙量估算與分析

何 強(qiáng)，吳 侃，許 冬，姚丹丹

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

針對南四湖流域引黃復(fù)墾工程中需沙量計(jì)算的問題，本文根據(jù)實(shí)測資料及概率積分法模型，提出了利用煤炭產(chǎn)量估算沉陷面積及體積的方法，估算了截至2009年底的存量沉陷面積及體積，進(jìn)而測算出了復(fù)墾所需的泥沙量及引入水量，對引黃復(fù)墾工程實(shí)施的可行性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：①未來每年新增沉陷體積約0.57億m3，需沙量約1.07億t，伴隨黃河泥沙輸送引入的黃河水量約1.74億m3；②引黃復(fù)墾工程在修復(fù)塌陷土地的同時(shí)還可有效緩解旱情，取水量許可指標(biāo)將成為其主要制約因素；③根據(jù)研究區(qū)目前的沉陷速度，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)沉陷與復(fù)墾的動態(tài)平衡。通過本文的研究可為引黃復(fù)墾需沙量的計(jì)算、取水量許可指標(biāo)的調(diào)度及復(fù)墾治理規(guī)劃、政策的制定提供參考的依據(jù)。

南四湖流域；引黃泥沙復(fù)墾；概率積分法；沉陷估算；泥沙量測算

隨著煤炭開采的進(jìn)行，開采沉陷造成大量的耕地破壞，開采沉陷的治理與復(fù)墾也越來越受到關(guān)注[1-2]。目前我國礦區(qū)土地復(fù)墾已經(jīng)有一些成熟的經(jīng)驗(yàn)和方法，比如挖深墊淺法、疏排法、平整土地與修建梯田法，矸石、粉煤灰充填復(fù)墾法[3-5]。這些方法已經(jīng)被大量使用，在現(xiàn)場實(shí)際的應(yīng)用中也取得了很好的效果。在東部高潛水位平原礦區(qū)，由于采煤沉陷深度較大，地下潛水位埋深較淺等原因，煤炭資源采出后造成了大面積的積水。傳統(tǒng)的挖深墊淺、煤矸石和粉煤灰充填復(fù)墾技術(shù)因耕地恢復(fù)率低、充填材料的潛在污染性以及數(shù)量不足等原因，均不能很好地解決該類地區(qū)人多地少的矛盾[6]。

黃河是我國含沙量很高的河流，近年來一些學(xué)者提出了引黃河泥沙充填復(fù)墾礦區(qū)沉陷土地的方法，這是一種新的復(fù)墾方法[6-7]。該方法首先利用采沙船在黃河上進(jìn)行采泥沙，然后通過管道輸送泥沙到待復(fù)墾區(qū)域進(jìn)行充填，最后泥沙沉淀后排走清水，以達(dá)到充填復(fù)墾的目的，目前該方法已經(jīng)進(jìn)行了試驗(yàn)性研究，有望應(yīng)用于大規(guī)模的沉陷復(fù)墾，有效的解決大范圍復(fù)墾充填材料的潛在污染性以及數(shù)量不足等難題。

引黃充填復(fù)墾需要比較準(zhǔn)確的估算地面的沉陷面積和沉陷體積，進(jìn)而確定引黃充填復(fù)墾需要的泥沙量。本文以概率積分法模型為基礎(chǔ)結(jié)合南四湖區(qū)域具體地質(zhì)采礦條件，提出了較為準(zhǔn)確的依據(jù)煤炭產(chǎn)量估算沉陷面積和沉陷體積的方法，在此基礎(chǔ)上測算了工程所需的泥沙量，對引黃復(fù)墾工程的可行性進(jìn)行了分析，以期為引黃充填復(fù)墾工程提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

南四湖水系主要分布在山東省濟(jì)寧市，與濟(jì)寧礦區(qū)有部分重疊，濟(jì)寧礦區(qū)分布面積3920km2，現(xiàn)已完成勘探投入開發(fā)的煤礦礦區(qū)面積為2239.6km2，累計(jì)探明煤炭資源儲量133億t。研究區(qū)域礦井及水系分布圖見圖1。濟(jì)寧市自20世紀(jì)70年代大規(guī)模開采以來，已累計(jì)生產(chǎn)原煤約10億t，境內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)礦井47對，閉坑礦井2對，在建礦井7對，生產(chǎn)能力8400萬t，另外還有境外9對礦井跨境開采，實(shí)際年生產(chǎn)能力約1億t。截至2009年底，濟(jì)寧市采煤沉陷地總面積為23432.49hm2。

圖1 研究區(qū)域礦井及水系分布圖

2 引黃復(fù)墾需沙量估算方法

2.1 地面沉陷面積估算方法

采煤引起的地面沉陷面積與采空區(qū)的大小，開采深度等密切相關(guān)。根據(jù)實(shí)測資料分析典型的沉陷

過程，如圖2所示。工作面開采由S點(diǎn)推進(jìn)到達(dá)A點(diǎn)時(shí)由于未達(dá)到充分采動，地面的沉陷表現(xiàn)不充分，下沉曲線表現(xiàn)為A曲線，地面沉陷表現(xiàn)見圖3(a)。隨著工作面的推進(jìn)到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，達(dá)到充分采動臨界條件，下沉曲線表現(xiàn)為B曲線，地表出現(xiàn)最大下沉值，地面沉陷表現(xiàn)見圖3(b)。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，達(dá)到超充分采動程度，下沉曲線表現(xiàn)為C曲線，最大下沉值不再增大，地面沉陷出現(xiàn)穩(wěn)定的盆底，地面沉陷表現(xiàn)見圖3(c)。

圖2 開采位置與主斷面下沉曲線關(guān)系圖

圖3 地面沉陷過程圖

對地表沉陷面積與地下開采面積的比值進(jìn)行計(jì)算，研究采用的是研究區(qū)域主要可采煤層的平均采厚2.9m，可以得到研究區(qū)域不同采深的單位面積開采引起地表沉陷面積的曲線圖，見圖4。據(jù)此可以分析不同采深、不同采動程度情況下，地下單位面積開采引起的地面沉陷面積之間的時(shí)空關(guān)系。

圖4 不同采深單位面積開采引起地表沉陷面積的曲線圖

在開采初期地表沉陷面積與開采面積比值較大，隨著開采的進(jìn)行，比值明顯減小，曲線逐漸平緩，采空區(qū)達(dá)到一定規(guī)模后比值逐漸穩(wěn)定，單位面積開采引起的地表沉陷面積比值最后穩(wěn)定在1.2～1.6之間(采深300～700m)。通過對曲線分析可得到地表沉陷面積與煤炭產(chǎn)量之間的計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：a為地表沉陷面積(m2)；P為產(chǎn)量(t)；r為容重(t/m3)；m為所采煤層層厚(m)；H0為開采深度，此計(jì)算公式將10mm作為沉陷區(qū)邊界標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 地面沉陷體積估算方法

根據(jù)體積守恒的思想[11]，地面沉陷盆地體積(容積)是采出煤巖的體積傳導(dǎo)到地表所致。在完全理想的狀態(tài)下體積守恒，地下采出單位體積為1的煤，傳導(dǎo)因子q=1，傳導(dǎo)至地表也會造成單位體積為1的地面沉陷。事實(shí)上，煤采出后形成的采空區(qū)上覆巖層存在冒落、裂縫以及離層等巖層移動現(xiàn)象，如圖5所示，煤采出后形成空間一部分留在巖體內(nèi)部比如裂隙和離層中，一部分留在采空區(qū)巖石垮落、碎漲的空隙中，而絕大部分將傳導(dǎo)到地表引起地表下沉，以沉陷盆地的形式存在[12]。因此，導(dǎo)致體積傳導(dǎo)因子q<1，q即為下沉系數(shù)(q=W0/m)。

從上面的理論分析可知，在已知煤炭產(chǎn)量及該地區(qū)的下沉系數(shù)的情況下，可以估算地面沉陷體積，公式如式(2)所示。

圖5 采空區(qū)上覆巖層圖

(2)

式中：V為到達(dá)地表的沉陷體積(m3)；P為產(chǎn)量(t)；q為下沉系數(shù)；r為容重(t/m3)。

2.3 需沙量及引入水量計(jì)算方法

通過以上計(jì)算公式可得適宜充填的沉陷體積V，并且已知黃河下游區(qū)泥沙密度ρ情況下，可計(jì)算沉陷充填所需泥沙量M，公式如式(3)所示。

(3)

式中：M為充填所需泥沙量(t)；V為沉陷體積(m3)；ρ為黃河下游區(qū)泥沙密度(2.71 t/ m3)。

因?yàn)楣こ碳夹g(shù)的原因，通過管道輸入的黃河泥沙是濕泥沙，所以在輸送黃河濕泥沙的同時(shí)也會引入大量黃河水，在已知長距離管道輸沙經(jīng)濟(jì)含沙量S后，可對引入水量進(jìn)行計(jì)算。公式如式(4)所示。

(4)

式中：W為引入水量(t)；M為充填所需泥沙量(t)；S為長距離管道輸沙經(jīng)濟(jì)含沙量(500kg/m3)；ρ為黃河下游區(qū)泥沙密度(2.71 t/ m3)；ρs為水的密度(1t/ m3)。

3 采煤沉陷區(qū)需沙量計(jì)算

3.1 2009年底存量沉陷面積與體積結(jié)構(gòu)分析

截至2009年底，濟(jì)寧市已累計(jì)生產(chǎn)原煤約10億t，通過對濟(jì)寧市境內(nèi)的地質(zhì)采礦條件及實(shí)測數(shù)據(jù)資料分析得到研究區(qū)主要可采煤層的平均采厚2.9m，平均采深在480m左右，容重為1.4t/m3[13-15]，下沉系數(shù)為0.8。將以上的數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)可得截止2009年底的沉陷面積為33990.15hm2和沉陷體積為5.71億m3。由于研究區(qū)域水系發(fā)達(dá)，部分采煤工作面被布置在湖泊水體下，采煤沉陷主要只造成湖泊深度的增加，沉陷面積增加可以忽略不計(jì)，在沉陷監(jiān)測中不能被發(fā)現(xiàn)，因而造成估算的沉陷面積與資料顯示有偏差。

通過數(shù)據(jù)分析可知水體下沉陷面積占到了總沉陷面積的31.1%，地表適宜充填的沉陷面積占到總面積的68.9%，因?yàn)槌料菝娣e和沉陷體積在位置和數(shù)量都存在對應(yīng)與一致關(guān)系，可認(rèn)為水體下沉陷面積的占比也適用于沉陷體積的占比，計(jì)算可得適宜充填的沉陷面積約為23432.5hm2，沉陷體積約為3.94億m3。

3.2 存量沉陷地復(fù)墾需沙量、引水量計(jì)算

通過對黃河干支流水文站的泥沙樣品進(jìn)行測試，得到了黃河下游區(qū)泥沙密度為2.71 g/ cm3[16]。通過對研究區(qū)域截至2009年底的沉陷預(yù)計(jì)和適宜引黃充填的沉陷體積分析，對需沙量進(jìn)行測算得到了研究區(qū)域總的需沙量測算結(jié)果。但由于引黃充填采用的是管道輸送，需經(jīng)過沉沙排水等過程，所以在輸送大量黃河泥沙的同時(shí)也會引入大量黃河水。長距離管道輸沙經(jīng)濟(jì)含沙量為400～600kg/m3，取平均500kg/m3。結(jié)合沉陷預(yù)計(jì)和需沙量測算結(jié)果，可得隨泥沙輸送而帶入到南四湖流域的黃河水量，如表1所示。

3.3 未來每年新增沉陷區(qū)泥沙復(fù)墾計(jì)算

研究區(qū)域2010年后每年煤炭產(chǎn)量在1億t左右，利用南四湖流域沉陷面積和沉陷體積的估算方法計(jì)算得到研究區(qū)域2010年以后每年新增需沙量及引入水量，見表2。

表1 存量沉陷區(qū)需沙量及引入水量測算表

表2 研究區(qū)域每年新增沉陷面積及體積表

4 結(jié)果分析

4.1 引沙量可行性分析

由表2可知適宜充填的沉陷體積2010年之后以0.39億m3/a的速度增加，考慮到原有沉陷盆地的存在，年均復(fù)墾需沙量只有在1.07億t/a以上時(shí)，才能對新產(chǎn)生沉陷區(qū)域全部實(shí)現(xiàn)復(fù)墾，并保證待墾沉陷區(qū)域不進(jìn)一步擴(kuò)大。

根據(jù)黃河下游利津水文站水文資料顯示1990～2000年間多年平均水量、沙量分別為122.8億m3，3.47億t[17]。截至20世紀(jì)末，黃河下游河段淤積累計(jì)量超過 55 億m3[18]。由此可以看出引黃復(fù)墾的年均引沙量是足夠的，且黃河下游存在大量的泥沙淤積，每年都投入大量人力與物力進(jìn)行清淤，采沙可有效減少黃河泥沙淤積，能達(dá)到清淤效果，對于當(dāng)?shù)氐狞S河治理也具有積極作用。

4.2 取水量可行性分析

由表2可知2010年以后隨黃河泥沙引入的水量年均在1.74億m3以上，根據(jù)1987年國務(wù)院批準(zhǔn)的黃河可供水量分配方案，山東省許可取水指標(biāo)為70億m3。1988～2000年間，山東省年均實(shí)際取水量為84億m3，已經(jīng)超出許可取水指標(biāo)，2000年6月黃委開展了取水許可證換發(fā)工作，基本暫停了已沒有水量指標(biāo)的省區(qū)新、改、擴(kuò)建項(xiàng)目的取水許可審批[19]?？梢娨S充填的取水指標(biāo)的取得與協(xié)調(diào)是困難的，這將影響引黃復(fù)墾工程的有序開展。由于取水指標(biāo)的制約短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模引黃復(fù)墾，可考慮改進(jìn)采沙設(shè)備及長距離管道輸送技術(shù)，提高管道輸送含沙量以減少黃河取水量。

4.3 排水量可行性分析

近五十年來，南四湖流域年均入湖徑流量為19.6億m3[20]，流域內(nèi)人均水資源量不足300m3，其中人均地表水資源量僅128m3，按照國際人均水資源量不足500m3為嚴(yán)重缺水的控制線，屬于資源性嚴(yán)重缺水地區(qū)[21]。按照年均引入水量1.74億m3計(jì)算，引黃復(fù)墾的沉沙排水過程能有效的補(bǔ)充流域徑流量，對于緩解流域干旱是有積極作用的。

5 結(jié)論

1)根據(jù)實(shí)測資料及結(jié)合概率積分法理論模型，提出了利用研究區(qū)域煤炭產(chǎn)量估算沉陷面積和沉陷體積的方法。結(jié)合已有資料及沉陷估算，得到研究區(qū)域截至2009年底沉陷面積和體積，并對2010年以后每年新增沉陷面積和體積進(jìn)行了估算。

2)根據(jù)沉陷面積及體積的估算結(jié)果，結(jié)合黃河下游泥沙密度及長距離管道輸沙經(jīng)濟(jì)含沙量等參數(shù)，測算得到每年新增沉陷體積約0.57億m3、引黃復(fù)墾所需泥沙量約1.07億t、伴隨黃河泥沙輸送引入的黃河水量約1.74億m3。

3)黃河下游泥沙淤積量滿足引沙量需要，隨泥沙引入而排出的水量可有效緩解地區(qū)干旱情況；取水量許可指標(biāo)將成為引黃復(fù)墾工程的制約因素，可通過改進(jìn)采沙設(shè)備及長距離管道輸送技術(shù)，提高管道輸送含沙量以減少黃河取水量。

4)在研究區(qū)域難以實(shí)現(xiàn)沉陷與復(fù)墾的動態(tài)平衡，引黃復(fù)墾工程作為一個(gè)多學(xué)科交叉的工程，尚有很多問題亟待解決。但通過本文的研究可為需沙量的計(jì)算、取水量許可指標(biāo)的調(diào)度及復(fù)墾治理規(guī)劃、政策的制定提供參考的依據(jù)。

[1] 何國清,楊倫.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1991.

[2] 婁華君,莊健鴻.煤礦開采區(qū)水、土地與煤炭資源同步利用模式研究[J].資源科學(xué),2007,29(5)： 90-96.

[3] 卞正富.國內(nèi)外煤礦區(qū)土地復(fù)墾研究綜述[J].中國土地科學(xué),2000(1):6-11.

[4] 周錦華,胡振琪,高榮久.礦山土地復(fù)墾與生態(tài)重建技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].金屬礦山,2007,10:11-13.

[5] 李樹志,魯葉江.采煤沉陷區(qū)土地復(fù)墾研究進(jìn)展[C]//2008 年全國“三下”采煤學(xué)術(shù)會議論文集,2008.

[6] 邵芳,王培俊,胡振琪.引黃河泥沙充填復(fù)墾農(nóng)田土壤的垂向入滲特征[J].水土保持學(xué)報(bào),2013,27(5)：54-58.

[7] 邵芳,王培俊,李恩來.沉沙排水措施在黃河泥沙充填復(fù)墾中應(yīng)用的可行性[J].能源環(huán)境保護(hù),2013,27(3):1-5.

[8] 馬超,康建榮,何萬龍.采煤塌陷區(qū)塌陷面積的預(yù)測方法與分析[J].礦山測量,1999,97(1)：15-19.

[9] 陳龍乾,郭達(dá)志,許善寬.兗州礦區(qū)采煤塌陷地狀況與綜合治理途徑研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2002,17(4):504-508.

[10] 鄒友峰,鄧喀中,馬偉民.礦山開采沉陷工程[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[11] 郝慶旺.采動巖體的空隙擴(kuò)散模型與空源作用分析[J].中國礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1988,17(2)：30-36.

[12] 郝慶旺.采動巖體空隙擴(kuò)散模型及其在開采沉陷研究中的應(yīng)用[D]．徐州：中國礦業(yè)學(xué)院,1988.

[13] 高麗麗.山東石炭二疊紀(jì)煤炭賦存規(guī)律與主控地質(zhì)因素[D].青島：山東科技大學(xué),2007.

[14] 劉海燕.兗州煤田主采煤層頂板穩(wěn)定性評價(jià)[D].青島：山東科技大學(xué),2004.

[15] 劉小瓊.滕北礦區(qū)太原組沉積特征與聚煤規(guī)律研究[D].青島：山東科技大學(xué),2007.

[16] 和瑞莉,李靜,張石娃.黃河流域泥沙密度試驗(yàn)研究[J].人民黃河,1999,21(3)：5-7.

[17] 暢建霞,王義民,黃廷林.黃河河口地區(qū)水資源與生態(tài)環(huán)境問題研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(6)：158-161.

[18] 龍毓騫,梁國亭,張?jiān)h,等.黃河下游斷面資料數(shù)據(jù)庫及沖淤分布初步分析[J].水文,2002(4):28-31，52.

[19] 邢芳,陳永奇,吳艷秋.黃河取水許可亟待總量控制管理[J].人民黃河,2002(11):27-29.

[20] 張祖陸,辛良杰,梁春玲.近50年來南四湖濕地水文特征及其生態(tài)系統(tǒng)的演化過程分析[J].地理研究,2007,26(5):957-966.[21] 張愛軍,王慧敏,彭世彰.南水北調(diào)東線南四湖水資源管理體制探討[J].水利水電科技進(jìn)展,2004，24(6)：21-24.

Estimation and analyses of sediment demand in the reclamation with the Yellow River in the mining subsidence land of Nansihu Lake drainage area

HE Qiang，WU Kan，XU Dong,YAO dan-dan

(School of Environmental Science and Spatial Informatics,China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

With the purpose of measuring sediment demands of the reclamation project with the Yellow River in Nansihu Lake drainage area，this paper presents a method to evaluate subsidence area and volume by the coal production with the adoption of measured data as well as the probability integral method.It also estimates the stock subsidence areas and volumes by the end of 2009，calculates the sediment volumes in reclamation and water diversion volumes，and then analyzes the feasibility of the reclamation project.The research results showed that：①In the future，the annual newly-increased subsidence volume is about 57 million m3，the sediment demand about 107 million tons and the water diversion volume from the Yellow River about 174 million m3；②The reclamation project in the repair of subsidence land can at the same time effectively alleviate the drought，and the permission index of intake water quantity is the main restrictive factor；③Based on the the present velocity of subsidence，it is difficult to achieve a dynamic balance between subsidence and reclamation in the short term.The study of this paper can be used as references for the calculation of sediment，the management of intake water permission index，and the planning or policy-making of land reclamation.

Nansihu Lake drainage area；the Yellow River sediment reclamation；probability integral method；subsidence estimation；sediment measurement

2014-04-05

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題資助(編號：2012BAC04B03)

何強(qiáng)(1991-)，四川宜賓人，碩士研究生，主要從事開采沉陷預(yù)計(jì)與復(fù)墾的研究。 E-mail：weheqiang@126.com。

TD88;TD82

A

1004-4051(2015)02-0067-05