煤礦塌陷區利用黃河泥沙進行治理方案研究

閆大鵬，李德營，周風華，關 靖

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州 450003)

煤礦的開發利用為國家的經濟發展做出了巨大貢獻，但大面積開采所帶來的一系列不利影響也必須重視。煤礦開采后會形成大面積的采空區，導致地面發生裂縫和塌陷。煤礦地面塌陷造成的危害主要有破壞耕地、惡化地表水和地下水環境、造成水資源短缺、影響生態環境等。

鑒于煤礦開采所造成的嚴重災害后果，我國煤礦的管理者高度重視煤礦大面積開采所可能產生的各種不利影響，并采用各種有效措施恢復塌陷地區地面的原貌，以期將不利影響降到最低。目前治理地面塌陷的方法大致分為三類［1］:一類是“平”。“平”就是平整被破壞的土地，恢復利用。二類是“填”。“填”就是用煤礦固體廢棄物和電廠粉煤灰充填造田，恢復耕地。三類是“沖”。“沖”就是將塌陷地低洼處的沙土用水沖成泥漿，然后用泥漿泵抽到要平整的地域內，沉淀后成為耕地。

1 利用黃河泥沙治理煤礦塌陷區的新思路

黃河難以治理的癥結在于水少沙多，水沙不協調。維持黃河健康生命，促進沿黃地區社會經濟的可持續發展，必須采取有效途徑，協調黃河的水沙關系。針對黃河既怕水多又患水少的情況，黃委提出了“攔、排、放、調、挖”五字治理方針。“攔”主要靠上中游地區的水土保持和干支流控制性工程攔減泥沙;“排”就是通過各類河防工程的建設，將攔不住的泥沙利用現行河道盡可能多地輸送入海;“放”主要是在下游兩岸處理和利用一部分泥沙;“調”是利用干流骨干工程調節水沙過程，使之適應河道的輸沙特性，以減少河道淤積或節省輸沙水量;“挖”就是挖河淤背，加固黃河干堤，逐步形成“相對地下河”，謀求黃河長治久安。

“攔、排、調、放、挖”的治黃策略，是今后相當長時期內處理黃河泥沙的總方針。“放、挖”是“攔、排、調”處理泥沙主要措施的補充，屬處理泥沙的輔助措施。自20世紀70年代以來，放淤固堤就開始在黃河堤防工程建設實踐中不斷應用，不僅可以減少河道淤沙，加固黃河堤防，大大提高黃河堤防的安全性，還能最大限度地合理利用資源，有效提高黃河堤防的防洪能力。多年來黃河放淤固堤的工程實踐證明，有計劃地利用黃河泥沙進行淤背固堤，抬高沿河兩岸地面，是加固黃河堤防、抗御洪水災害的一項有效措施。近年來隨著國家對黃河防洪工程投資力度的加大，為消除堤防隱患，在加高培厚大堤的同時，在大堤兩側實施了大量放淤固堤工程，以滿足黃河堤防堤身、堤基的抗滲穩定要求，增強工程的抗洪能力。

目前，黃河上已經建成小北干流放淤試驗工程，為大規模的放淤工程建設提供了寶貴經驗;黃河下游標準化堤防建設中廣泛利用放淤(包括淤臨、淤背)措施加固堤防;黃河下游灘區安全建設中充分利用放淤措施淤筑村臺和良田。這些放淤工程都取得了良好的經濟和社會效果。在今后的黃河治理中，需要繼續建設大量的放淤工程，以實現黃河泥沙的資源化利用［2］。

根據黃河下游沿岸煤礦的特點，利用一般的回填治理地面塌陷存在各種問題:一是利用煤矸石、粉煤灰回填，煤矸石、粉煤灰數量太少，不能滿足需求，且它們的再利用價值高;二是利用土料回填，土源不足。利用黃河泥沙回填煤礦塌陷區有3個優點:一是黃河每年淤積在河道內的泥沙量大，料源充足，取沙后還可以減少河道淤積，降低河床，提高防洪能力;二是黃河泥沙非常肥沃，在國家技術資金的支持下，回填復耕還田既可以造福于民又可以確保社會安全;三是此技術已有30多年的實踐經驗，技術可靠。因此，針對黃河下游河道和沿岸煤礦的特點，提出利用黃河泥沙來填充煤礦塌陷區的新思路，一方面可以造田復耕，恢復地面原有的地貌和使用功能，使大量廢棄閑置土地得到利用，改善礦區內的生態環境，提高當地居民的生產生活水平;另一方面可以緩解黃河的泥沙淤積問題，提高河道行洪能力，減輕防洪壓力。通過對黃河泥沙的開發利用，最終達到煤礦資源開發與環境保護共贏。

2 泥沙輸送方案研究

黃河下游沿岸煤礦利用黃河泥沙來填充煤礦塌陷區的工程特點是運輸距離長、運料量大、工程運行時間長。符合這一特點的常用輸送方式有管道水力輸送、皮帶機運輸、公路運輸3種，這3種方式各有優缺點。

2.1 管道水力輸送方案

管道水力輸送方案采用分級加壓、中間設集漿池轉運的方法將泥漿輸送至目的地，即先用挖泥船將黃河河槽內的泥沙泵送到岸邊的集漿池內，再用大功率泥漿泵經過多級加壓泵將泥漿轉運到下一個集漿池。這樣經過幾次轉運后，泥漿被輸送至目的地，經沉淀后，將清水排出，留下的泥沙就將凹陷處填平。

管道水力輸送的優點是:不受環境、氣候等的影響，占地面積小，運輸物料無損耗;建設周期短，投資費用低，輸送能力大，管理方便，運輸可靠、無污染;管線布置在渠道岸邊，便于通過交叉建筑物，人為干擾較小;管道水力輸送泥沙技術廣泛用于黃河下游放淤工程中，經過實踐證明，該技術已經基本成熟，工人施工經驗豐富，輸送保證率較高。

管道水力輸送的缺點是:多級泵串聯加壓，需要多級泵的相互協調，會導致泵的整體效率降低;轉運過程中加大機械能的損耗，運輸效率有所降低。

2.2 公路運輸方案

公路運輸方案是以136 kW沖吸式挖泥船開采黃河主河槽為主，以136 kW組合機泵開采黃河嫩灘為輔的方式將黃河泥沙匯集到黃河大堤背水側圍格堤內，待泥沙晾干后再用4～6 m3挖掘機挖裝沙，32 t自卸汽車運輸，將黃河泥沙運輸至煤礦，填充采煤坑道。

公路運輸線路選擇現有道路和新建專線兩個方案，由于工程運料量大，運行時間長，利用現有道路運輸將會嚴重影響到地方交通，且沿線與多處建筑物交叉，一般的橋梁設計荷載偏低，難以滿足大型載重車輛通過，因此一般選擇修建專線運輸。

公路運輸的主要優點是:技術可靠，運輸能力有保障;對地形條件適應性強，方便靈活;運營管理簡單。

公路運輸的缺點是:運輸成本高、車輛磨損快、路面維修費用高、需耗用較多油料;運輸會受季節氣候變化影響;修建公路施工占地較多。

2.3 皮帶機輸送方案

皮帶機輸沙方案是采用多條長距離皮帶機接力輸送的方式將泥沙輸送至目的地。采用大型挖泥船將黃河河槽內的泥沙泵送到岸邊預設的淤沙池淤積，經裝載機裝自卸汽車轉運至首部皮帶機的受料坑，后經多條長距離皮帶機接力輸送至煤礦采空區，最后經推土機等機械輔助填坑。

皮帶機輸沙方案可分為普通皮帶機輸沙方案和管狀帶式皮帶機輸沙方案。普通皮帶機輸料皮帶開敞，其運行受環境和氣候影響較大，運送散粒物料容易散落，污染周圍環境，且普通皮帶機在平面上只能直線布置，對地形和環境適應性較差。管狀帶式皮帶機是近幾十年興起的一種新型、環保帶式輸送機，其輸料皮帶為密閉管狀，受環境和氣候影響較小，其輸送線路適應性強，能爬山過河，可沿地表三維轉彎和垂直爬坡，十分適合長距離越野輸送散粒料和小塊狀料。

管狀帶式皮帶機輸送方案的優點是:長距離管狀帶式皮帶機在煤礦、港口及水利水電工程等大運量、長距離輸送中應用較廣，技術成熟;輸送能力大，管徑700 mm的皮帶機輸送量可達6 300 m3/h;運行可靠，零部件更換及輸送帶修補方便，運行費、維修費相對較低;輸送線路對地形和環境適應性較強，能爬山過河，可沿地表三維轉彎和垂直爬坡;輸料皮帶密閉布置，運行受環境和氣候影響較小，不污染環境。

管狀帶式皮帶機輸送方案的缺點是:給料和卸料填坑靈活性較差，使整個系統運行費用增加;長距離管狀帶式皮帶機采用的高壓電機及鋼絲繩芯膠帶價格較貴，使得皮帶機運輸方案設備一次性投入較高。

3 工程實例及輸沙方案選擇

巨野煤田位于山東省境內，總面積1 210 km2，地質儲量55.7億t，共有7對礦井，設計生產能力1 800萬t。以巨野煤田輸送黃河泥沙工程為例，從技術條件、運輸能力、運輸成本、基建費用、運行管理、施工干擾、工程占地等方面對輸沙方案進行了綜合比較，比較情況詳見表1。

表1 輸沙方案比較

三個輸沙方案技術上都是可行的，管道水力輸送方案的基建費用最低，運輸成本比其他兩個方案更低，且運行管理方便，運輸過程中污染小、損耗少，工程運行過程中干擾少，因此黃河下游沿岸煤礦利用黃河泥沙來填充煤礦塌陷區的輸沙工程推薦采用管道水力輸送泥漿方案。

采用管道水力輸送黃河泥沙，每年需從黃河輸送750萬m3泥沙填充巨野煤田采空塌陷區。管線始于左營鄉石廟附近黃河漫灘上，跨過黃河大堤，走鄄鄆河，過國莊進入洙水河，過趙海到龍堌鎮煤礦，全長71 km。采用多級泵串聯接力，中間設集漿池中轉的方式進行輸送。為保證泥沙的供應，采取挖泥船對主河槽進行開采和水力沖挖機對邊灘和嫩灘進行開挖的配合作業方式。根據黃河下游放淤工程中常用挖泥設備的情況以及機械設備的特點，選用136 kW沖吸式挖泥船和136 kW組合泵。

4 結語

泥沙在河道內的大量淤積威脅到黃河興利功能的正常發揮，建設放淤工程可以在一定程度上減少泥沙所帶來的危害，有利于黃河的除害興利。煤礦地面塌陷威脅到區域的經濟發展、社會穩定和生態環境，建設放淤工程恢復地面原有的地貌和功能可以基本上消除煤礦地面塌陷所帶來的危害。因此，利用黃河泥沙對采煤塌陷區進行科學有效的土地復墾，既符合循環經濟和科學發展觀的要求，又可有效破解土地瓶頸制約，加快經濟發展，是一項雙贏的造福工程，其建設重要性和長期性是顯而易見的，對黃河下游地區的綜合治理具有十分重要的意義。

［1］張紹良，張國良.土地復墾的基礎研究［J］.中國礦業大學學報，1999，28(4):389-392.

［2］劉榮厚，劉廣柱.黃河下游泥沙資源多途徑利用研究［J］.山東水利，2010(11):41-44.