賀一波，吳 侃

（中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇徐州221008）

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濟寧礦區(qū)北區(qū)引黃河泥沙充填復墾限制因素及協(xié)調(diào)措施

賀一波，吳 侃

（中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇徐州221008）

黃河的可需沙量、輸沙所用水量、管道輸沙能力、沉陷區(qū)位置、體積及穩(wěn)定性、排水量及排水地的選擇是引黃河泥沙充填復墾沉陷區(qū)必須考慮的限制因素。通過已知的參數(shù)、公式，計算各限制因素的數(shù)值，分析各因素對引黃充填復墾沉陷區(qū)的影響，并結(jié)合實際情況提出合適的協(xié)調(diào)措施。

黃河泥沙；充填復墾；限制因素；協(xié)調(diào)措施

隨著煤礦資源的大規(guī)模開發(fā)，煤礦開采造成的地表塌陷面積日益擴大，據(jù)統(tǒng)計，全國煤礦開采塌陷土地累計已達4×106hm2［1］。采煤沉陷地利用煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物進行充填復墾，利用修整法、疏排法和挖深墊淺法進行非充填復墾等，初步形成了具有中國特色的采煤沉陷地復墾技術(shù)［2］。濟寧礦區(qū)位于黃河下游的高潛水位地區(qū)，疏排法、挖深墊淺法和修整法并不適用，此外受充填材料的數(shù)量和質(zhì)量的限制，應(yīng)用煤矸石、粉煤灰等材料完成大面積的充填復墾并不現(xiàn)實［3］。

近幾年有學者提出了新的土地復墾方法，即引黃河泥沙充填煤礦沉陷區(qū)。黃河由于泥沙問題所引發(fā)的洪水災(zāi)害曾給人們帶來過深重災(zāi)難，泥沙問題始終是黃河治理的癥結(jié)所在，國家為此也投入了大量人力、物力和財力［4］。引黃河泥沙充填煤礦沉陷區(qū)的方法既打破了傳統(tǒng)充填材料數(shù)量和質(zhì)量的限制，又可以治理黃河泥沙問題。本文即用引黃河泥沙的方法復墾濟寧北部煤礦沉陷區(qū)，主要分析了復墾工程的一些限制條件，并結(jié)合實際提出合適的協(xié)調(diào)措施。

1　研究區(qū)域基本情況

濟寧北部煤礦沉陷區(qū)包括17個煤礦，礦區(qū)總面積為73412hm2，累計探明資源儲量4Gt。研究區(qū)各煤礦分布見圖1。

圖1　研究區(qū)域各煤礦分布

根據(jù)各礦提供的采掘計劃和礦產(chǎn)資源規(guī)劃，詳細分析其開采資料，選取合適的預(yù)測參數(shù)，把條件相同的工作面劃歸為一個區(qū)域，并以這些區(qū)域作為計算的塊段，利用MSPS軟件進行計算，預(yù)測未來濟寧采煤塌陷地的發(fā)展趨勢。經(jīng)過計算獲得該區(qū)域不同時期的沉陷面積和體積，見表1。

表1　沉陷區(qū)不同時期沉陷面積、體積統(tǒng)計

2　引黃復墾工藝及影響因素分析

引黃河泥沙充填復墾技術(shù)工藝如下:

（1）在利用黃河泥沙充填之前，首先排走待充填區(qū)域的積水。

（2）盡可能剝離待充填區(qū)的表土（一般為0～200mm）和部分心土（＞200～500mm），堆放在充填區(qū)域的邊緣形成壩體。

（3）采用絞吸式挖沙船采集黃河泥沙，抽取水沙速率1100m3/h。

（4）通過直徑為350mm的普通鋼管輸送泥沙，輸送濃度達到400kg/m3，鋪設(shè)管道長達7km，根據(jù)輸送要求在距挖沙船3.5km處設(shè)一級加壓泵，使傳輸速度達到1.9～2.3m/s，保證將黃河泥沙輸送到試驗場。

（5）黃河泥沙被管道輸送到試驗場后，泥沙沉淀，清水就近排入該區(qū)附近的河道中。

（6）充填完成后再將這些剝離的表土和心土覆蓋到泥沙之上，經(jīng)過土地平整形成耕地［5］。

引黃復墾影響因素有:黃河的可需沙量；輸沙所用的水量；管道輸沙能力；沉陷區(qū)的位置、體積及穩(wěn)定性；排水量及排水地的選擇。

3　引黃充填修復各影響因子定量預(yù)測分析

3.1沉陷區(qū)面積計算

當已知煤炭產(chǎn)量、煤層厚度及開采深度時，可按式（1）計算地表沉陷面積:

式中，S為地表沉陷面積，m2；Q為煤炭產(chǎn)量，t；γ為煤的密度，t/m3；m為煤層厚度，m；H0為開采深度，m。

3.2沉陷區(qū)體積計算

當已知煤炭產(chǎn)量時，可按式（2）計算沉陷體積:

式中，V為到達地表的沉陷體積，m3；Q為煤炭產(chǎn)量，t；q為下沉系數(shù)，初次采動下沉系數(shù)q=0.73，重復采動q=0.88；γ為煤的密度，t/m3。

3.3需沙量計算

當已知待充填采煤塌陷地的沉陷體積和復墾所用泥沙的密度時，需沙量可按式（3）算出:

式中，Ms為復墾工程需沙量，t；V為沉陷體積，m3；ρs為泥沙密度，t/m3。

3.4引水量計算

由于引黃充填復墾技術(shù)采用水力輸送的方式將黃河泥沙輸送到待充填塌陷地，輸送泥沙需要挾帶一定量的水，因此在輸沙管道中輸送的不只是黃河泥沙，而是沙、水混合物形成的泥漿。鑒于水流與泥沙之間存在的密切關(guān)系，引黃復墾工程的引水量是指通過輸沙管道將泥沙輸送到待充填塌陷地所用的清水水量，是在特定輸沙情況下的凈水量，由于清水的密度為1t/m3，因此輸沙水量也可指從泥漿的體積中除去泥沙體積所剩的凈水體積。假設(shè)管道輸水含沙量，可推導出引黃復墾工程引水量的計算公式，見式（4）:

式中，Mw為復墾工程引水量，t；Ms為復墾工程需沙量，t；S輸為管道輸水含沙量，kg/m3；ρs為泥沙密度，kg/m3；ρw為清水密度，t/m3。

3.5管道輸送能力計算

引黃充填復墾技術(shù)采用管道水力輸送的方式運輸黃河泥沙。通過對濟寧北部引黃充填治理區(qū)內(nèi)各塌陷片區(qū)位置進行調(diào)查，這些塌陷片區(qū)和就近的引黃閘距離都較大，比如最遠的許廠煤礦塌陷片區(qū)距陳垓引黃閘約86km，最近的楊營煤礦塌陷片區(qū)距陳垓引黃閘的直線距離也達到了8.5km，因此在此次復墾工程中，需要采用長管道遠距離輸沙的方式來輸送泥漿。

長管道遠距離輸沙是一個多因素相互作用、相互影響的復雜系統(tǒng)工程，管道的輸沙能力可用單位時間內(nèi)管道的輸沙量來衡量，輸沙量可按式（5）計算:

式中，W為輸沙量，kg/h；Q泥為泥漿流量，m3/h；S輸為管道輸水含沙量，kg/m3；r為輸沙管半徑，m；v為泥漿流速，m/h。

3.6排水量估算

充填復墾排水量取決于引水量、充填過程中引水損失量和沉陷區(qū)內(nèi)的常年積水量。充填過程中引入的水量有一小部分漏失或滲入地下，而常年積水量有一部分與引入水量一起排出，一部分埋入地下成為潛水。總的排水量與充填過程中的引水量基本相當（略大于引入的水量）。

根據(jù)式（5）可計算得到沉陷區(qū)不同時期引沙取水情況，見表2。其中，黃河泥沙密度為2.71t/m3［6］，管道輸水含沙量為500kg/m3。

表2　沉陷區(qū)不同時期引水取沙情況統(tǒng)計

4　引黃充填修復約束因素分析

4.1引水、取沙時間約束

黃河山東段來水年內(nèi)分布不均勻，具有夏、秋季水豐，春、冬季水枯的特點［7］。通過對陳垓、劉莊引黃閘歷年引水時間進行頻率分析，可求得不同保證率下的可引水天數(shù)，多年平均引水時間為253d，在保證率為50%時可引水天數(shù)為268d，在保證率為75%時可引水天數(shù)為193d，在保證率為95%時可引水天數(shù)為163d。

由于引黃充填復墾工程的需水量較大，為了能最大限度地延長引水取沙施工時間，每年除在冬季封河時段不宜引水、汛期內(nèi)7-8月禁止采砂以及因引水含沙量較?。ㄇ郎沉枯^少）而停工的時段外，其余時間均進行引水取沙的施工，同時由于農(nóng)作物生長的需要，目前春季大部分來水已被引用，為保證沿黃地區(qū)工農(nóng)業(yè)正常用水的需求，引水取沙時間還應(yīng)該盡可能地向汛期及冬季延長，據(jù)此估計每年的引水取沙天數(shù)約為260d。

4.2需沙量總量約束

黃河下游河道由于來水含沙量高，泥沙顆粒較細，河床沖淤變化幅度較大，呈現(xiàn)出 “多來多淤多排”的特點［8］。淤沙存量大、處理難。根據(jù)高村、利津水文站多年的實測資料，進入山東省的年均沙量為5.57×108t，利津站年均入海沙量為4.55 ×108t［9］。根據(jù)沙量平衡理論，每年將約有1×108t泥沙淤積在高村-利津的河道，從而抬升河床，容易發(fā)生洪水造成嚴重損失。

根據(jù)表2計算的不同時期的引水量和排水量即可計算得到年平均引水量和取水量，見表3。

由表3可知，在不采集黃河中原有淤積泥沙的情況下，每年河道內(nèi)新增的泥沙淤積量能夠基本滿足引黃充填復墾工程的需要。同時采沙可有效減少黃河泥沙淤積，達到清淤的效果，對于當?shù)氐狞S河治理也有積極的作用。因此，需沙量總量不存在約束。

表3　沉陷區(qū)不同時期平均年引水取沙統(tǒng)計　108t

4.3引水總量約束

引黃充填治理工程完成后，引入的清水將排灌到沉陷區(qū)周圍的溝渠、河道中，進入南四湖流域，會造成黃河水資源不斷減少。由于黃河流域嚴重缺水，黃河水利委員會采用限額取水的方法對黃河水資源的可引水量進行分配管理。根據(jù)1987年國家《黃河可供水量分配方案》（“八七方案”），山東省年引黃水量為7Gm3［10］，分配給濟寧市的可引黃水量為0.4Gm3/a［11］。

濟寧市的年均引黃水剩余量為0.214Gm3/a，而每年進行復墾所需的引水量約為0.05Gm3，所以能夠滿足引黃復墾的引水需要。

4.4沉陷區(qū)大小、距黃河的距離及穩(wěn)定性約束

這里的 “沉陷穩(wěn)定性”指井下可采煤層全部采完后，地面不再產(chǎn)生沉陷，而不是指一個工作面、一個采區(qū)或一個煤層開采結(jié)束后的沉陷穩(wěn)定。本區(qū)域礦山大多為多煤層開采，地表沉陷分多次形成，因此引黃充填治理工程需待沉陷穩(wěn)定后進行。否則，將會形成多次復墾、重復復墾的情況。

復墾工程受到沉陷區(qū)穩(wěn)定性的制約，另外還受沉陷盆地的大小及距黃河取沙點距離的制約，沉陷盆地面積小，復墾效率低，成本高；距離遠，復墾成本高。

4.5輸送能力約束

在不同泥漿流量的條件下，對輸沙管道的復墾能力進行了計算，其中，黃河泥沙的密度為2.71t/m3，管道輸水含沙量取500kg/m3，年引水取沙時間為260d。計算結(jié)果見表4。

表4　輸沙管道復墾能力測算結(jié)果

通過對表4分析可知:當管道輸水含沙量為500kg/m3、泥漿流量為1000m3/h時，每年可復墾92.6hm2，要復墾完成2009年前形成的沉陷區(qū)就需要38a。要實現(xiàn) “塌陷一畝、復墾一畝”的目標，至少需要16條輸沙管道連續(xù)工作10a的時間。因此，復墾工作是一個長期的工作。管道輸沙能力是決定復墾進度的關(guān)鍵約束因素?？衫锰岣吖艿垒斔沉康姆椒▉硖岣吖艿垒斏承?。

4.6排水約束

引黃充填治理工程完成后，引入的清水將排灌到采煤塌陷區(qū)周圍的溝渠、河道中，進入了南四湖流域。由于本地區(qū)河網(wǎng)、溝渠密布，又是缺水地區(qū)［12］，因此，引入水量的排水和利用不存在約束。

5　協(xié)調(diào)措施分析

根據(jù)上述對黃河泥沙充填復墾技術(shù)各因素的分析，需沙量不存在制約；取水量雖有限制指標，但相對于目前的管道輸沙能力而言，不存在制約；排水有多個可供選擇的途徑，也不存在制約。黃河泥沙充填復墾技術(shù)的制約因素主要有:引水取沙時間（復墾工程的可施工時間），管道輸沙能力，沉陷區(qū)大小、距黃河的距離及穩(wěn)定性。

在黃河泥沙充填復墾技術(shù)的具體實施過程中，還應(yīng)結(jié)合復墾工程的實際情況選擇合適的優(yōu)化措施。

5.1選擇復墾適宜區(qū)

盡管本區(qū)域已經(jīng)存在很多沉陷區(qū)，但是，其中大部分沉陷區(qū)不夠穩(wěn)定，會繼續(xù)沉陷。因此，須了解煤礦的開采情況，選擇煤層全部開采且沉陷達到穩(wěn)定的區(qū)域優(yōu)先復墾。

本區(qū)域目前的沉陷區(qū)距黃河取沙點的距離為8.5～85km，根據(jù)管道輸送距離，選擇合適距離的沉陷區(qū)優(yōu)先復墾。

5.2提高管道輸送能力

在引黃充填復墾工程的實施過程中，管道輸沙能力越強，在相同時間內(nèi)能夠復墾的土地也就越多，管道輸沙能力會影響復墾工程的施工效率、施工進度及復墾成本。根據(jù)式（5）可知，管道輸沙效率主要與管道輸水含沙量和泥漿流量有關(guān)，因此可采取提高管道泥漿流量或者提高管道輸水含沙量的方法來提高管道輸沙效率。

5.2.1提高泥漿流量

泥漿流量主要與泥漿泵、加壓泵等采沙、輸沙設(shè)備有關(guān)，因此需要采用高壓、大流量的泥漿泵及加壓泵，一旦采沙、輸沙設(shè)備確定，輸沙管道的設(shè)計流量就被確定下來。但在管道實際輸沙過程中，管道中的泥漿流量往往達不到設(shè)計流量，這主要是因為泥漿流量與管材、管徑及泥漿流速還有著密切關(guān)系:

（1）管材 由于管道輸沙過程中泥漿和管道內(nèi)壁有摩擦作用，管壁越粗糙，泥漿輸送的阻力損失越大；而泥沙粒徑越大、泥漿流速越快、輸水含沙量越高對輸沙管道的磨蝕也越嚴重，因此輸沙管道必須選用內(nèi)壁光滑且耐磨性能強的材料。

（2）管徑 在相同流量情況下，沿程阻力損失與管徑成反比。雖然增大管徑可以在一定程度上減小沿程阻力損失，但由于管徑的大小還與流速密切相關(guān)，在流量相同的情況下，若管徑偏大，管道中泥漿流速自然偏小，容易在管道中產(chǎn)生泥沙淤積，反而降低了泥漿輸送效率，因而不能盲目增大管徑。

（3）泥漿流速 泥漿流速小易造成輸沙管道堵塞，泥漿流速越大對輸沙管道的腐蝕越嚴重，因此確定管道輸沙不淤流速至關(guān)重要，管道輸沙不淤流速是管道運行的最低控制流速［13］，也是管道系統(tǒng)設(shè)計與運行的重要技術(shù)參數(shù)之一。工程實施前需通過試驗確定管道的不淤流速，為選擇合適的管徑、設(shè)計經(jīng)濟合理的輸水含沙量提供依據(jù)。

5.2.2提高管道輸水含沙量

隨著輸水含沙量的增加，泥漿的輸送阻力會相應(yīng)變大，使得輸沙管道沿程能量損失增大，導致輸沙管道堵塞、泥漿流速變小，過高的輸水含沙量反而會降低管道輸沙能力，影響管道輸沙效率。根據(jù)多年實際生產(chǎn)經(jīng)驗和成本分析，對于管道遠距離輸沙，其最佳輸水含沙量（經(jīng)濟含沙量）應(yīng)為400～600kg/m3。

綜上所述，雖然提高管道輸沙能力可以提高復墾工程的施工效率、加快施工進度、降低復墾成本，但由于影響管道輸沙能力的因素多且復雜，因此在實施引黃充填復墾工程前，需要進行專門試驗優(yōu)選泥漿泵、加壓泵等采、輸沙設(shè)備，優(yōu)化管道遠距離輸沙技術(shù)參數(shù)（管材、管徑、含沙量、流速、泥沙粒徑等）。

5.3合理排水及利用

根據(jù)管道輸沙能力確定每年的排水量，并結(jié)合復墾區(qū)域的水系情況，確定排水到南四湖。

南四湖位于山東省濟寧市南部，地處魯中南沂蒙山脈西側(cè)山麓堆積平原和黃河沖積平原接合部的隱伏斷裂帶上，是串聯(lián)在一起的微山湖、昭陽湖、獨山湖、南陽湖四個湖的總稱。湖泊南北長126km，東西寬5～25km，周邊長311km，湖面面積 1266km2［14］， 容積 為 5.36Gm3， 現(xiàn) 有 水 量1.93Gm3。

南四湖流域水旱災(zāi)害頻發(fā)，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為嚴重缺水的控制線，屬資源性嚴重缺水地區(qū)［12］。現(xiàn)預(yù)計年引入水量為0.175Gm3，流入的水可以起到補給南四湖水量的作用。

各礦可鋪設(shè)管道將水排到最近的河道，水流可供沿途地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，剩余水量進入南四湖。

5.4協(xié)調(diào)設(shè)計

引黃充填復墾是一項長期的任務(wù)，充填復墾工程須在如下幾個方面做到協(xié)調(diào):

（1）地面沉陷復墾區(qū)的選擇與井下開采相協(xié)調(diào) 優(yōu)先選擇井下煤層全部開采結(jié)束的區(qū)域，地面沉陷已穩(wěn)定，不會出現(xiàn)再次沉陷。避免多次復墾、重復復墾。

（2）復墾區(qū)位置、面積與管道輸送能力相協(xié)調(diào) 在沉陷已穩(wěn)定的區(qū)域優(yōu)先選擇位置距黃河較近，沉陷區(qū)面積有一定規(guī)模的沉陷盆地，按照沉陷區(qū)面積大小，配置管道輸送能力，以確保復墾工程的相對穩(wěn)定和可持續(xù)。

（3）取水與排水利用相協(xié)調(diào) 根據(jù)復墾區(qū)的大小和體積，計算復墾需要的引入水量，申請黃河取水許可。根據(jù)引入水量、復墾區(qū)的積水量、潛水位及沉陷盆地積水水位標高，計算排出水量。設(shè)計排水路徑和利用方案。

（4）復墾規(guī)模與經(jīng)濟成本控制相協(xié)調(diào) 根據(jù)沉陷區(qū)的大小，距黃河的遠近，確定每年的復墾規(guī)模，使復墾成本盡可能降低，達到經(jīng)濟效益最大化。

6　結(jié) 論

（1）引黃復墾影響因素有:黃河的可需沙量；輸沙所用的水量；管道輸沙能力；沉陷區(qū)的位置、體積及穩(wěn)定性；排水量及排水地的選擇。

（2）根據(jù)數(shù)據(jù)的分析，需沙量、引水量不受限制；管道輸沙能力排水有多個可供選擇的途徑，也不存在制約。所以黃河泥沙充填復墾技術(shù)的制約因素主要有:引水取沙時間（復墾工程的可施工時間），管道輸沙能力，沉陷地穩(wěn)定性、大小及距黃河的距離。

（3）結(jié)合實際情況，優(yōu)先考慮離黃河距離近、沉陷區(qū)面積大、且沉陷穩(wěn)定的沉陷區(qū)先行復墾，要做到:地面沉陷區(qū)的選擇與井下開采相協(xié)調(diào)；沉陷區(qū)位置、面積與管道輸送能力相協(xié)調(diào)；取水與排水利用相協(xié)調(diào)；復墾規(guī)模與經(jīng)濟成本控制相協(xié)調(diào)。

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［責任編輯：徐乃忠］

Limitation Factors and Coordinate Measures of Filling Reclamation with Silt of Yellow River in the North Part of Jining Mine District

HE Yi-bo，WU Kan
（Environment and Surveying College，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221008，China）

The limitation factors that must be considered during filing reclamation in subsidence area with Yellow River silt were silt demand、water demand for silt transportation，silt transportation capacity of pipeline，subsidence area position，subsidence area body and stability，drainage capacity and drainage site.The limitation factors values were calculated by parameters and formula that known，the influence that to filling reclamation was analyzed，and then proper coordinate measures were put forward under in practical.

silt of Yellow River；filling reclamation；limitation factor；coordinate measure

TD88

A

1006-6225（2016）04-0095-05

2016-01-22

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.025

國家 “十二五”科技支撐計劃課題資助（2012BAC04B03）

賀一波（1993-），女，山西朔州人，在讀碩士研究生。

［引用格式］賀一波，吳 侃.濟寧礦區(qū)北區(qū)引黃河泥沙充填復墾限制因素及協(xié)調(diào)措施［J］.煤礦開采，2016，21（4）：95-99.