煤礦塌陷區(qū)利用黃河泥沙進行治理方案研究

閆大鵬，李德營，周風(fēng)華，關(guān) 靖

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州 450003)

煤礦的開發(fā)利用為國家的經(jīng)濟發(fā)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(qū)，導(dǎo)致地面發(fā)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(huán)境、造成水資源短缺、影響生態(tài)環(huán)境等。

鑒于煤礦開采所造成的嚴重災(zāi)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(chǎn)生的各種不利影響，并采用各種有效措施恢復(fù)塌陷地區(qū)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(fù)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(fù)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(nèi)，沉淀后成為耕地。

1 利用黃河泥沙治理煤礦塌陷區(qū)的新思路

黃河難以治理的癥結(jié)在于水少沙多，水沙不協(xié)調(diào)。維持黃河健康生命，促進沿黃地區(qū)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，必須采取有效途徑，協(xié)調(diào)黃河的水沙關(guān)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(diào)、挖”五字治理方針。“攔”主要靠上中游地區(qū)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(shè)，將攔不住的泥沙利用現(xiàn)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(diào)”是利用干流骨干工程調(diào)節(jié)水沙過程，使之適應(yīng)河道的輸沙特性，以減少河道淤積或節(jié)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(diào)、放、挖”的治黃策略，是今后相當長時期內(nèi)處理黃河泥沙的總方針。“放、挖”是“攔、排、調(diào)”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(shè)實踐中不斷應(yīng)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(zāi)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(cè)實施了大量放淤固堤工程，以滿足黃河堤防堤身、堤基的抗?jié)B穩(wěn)定要求，增強工程的抗洪能力。

目前，黃河上已經(jīng)建成小北干流放淤試驗工程，為大規(guī)模的放淤工程建設(shè)提供了寶貴經(jīng)驗;黃河下游標準化堤防建設(shè)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(qū)安全建設(shè)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(jīng)濟和社會效果。在今后的黃河治理中，需要繼續(xù)建設(shè)大量的放淤工程，以實現(xiàn)黃河泥沙的資源化利用［2］。

根據(jù)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(shù)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(qū)有3個優(yōu)點:一是黃河每年淤積在河道內(nèi)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(shù)資金的支持下，回填復(fù)耕還田既可以造福于民又可以確保社會安全;三是此技術(shù)已有30多年的實踐經(jīng)驗，技術(shù)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(qū)的新思路，一方面可以造田復(fù)耕，恢復(fù)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(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，提高當?shù)鼐用竦纳a(chǎn)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(fā)利用，最終達到煤礦資源開發(fā)與環(huán)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(qū)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(yōu)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(shè)集漿池轉(zhuǎn)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(nèi)的泥沙泵送到岸邊的集漿池內(nèi)，再用大功率泥漿泵經(jīng)過多級加壓泵將泥漿轉(zhuǎn)運到下一個集漿池。這樣經(jīng)過幾次轉(zhuǎn)運后，泥漿被輸送至目的地，經(jīng)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(yōu)點是:不受環(huán)境、氣候等的影響，占地面積小，運輸物料無損耗;建設(shè)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(shù)廣泛用于黃河下游放淤工程中，經(jīng)過實踐證明，該技術(shù)已經(jīng)基本成熟，工人施工經(jīng)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(lián)加壓，需要多級泵的相互協(xié)調(diào)，會導(dǎo)致泵的整體效率降低;轉(zhuǎn)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(cè)圍格堤內(nèi)，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(xiàn)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(xiàn)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(shè)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?shù)闹饕獌?yōu)點是:技術(shù)可靠，運輸能力有保障;對地形條件適應(yīng)性強，方便靈活;運營管理簡單。

公路運輸?shù)娜秉c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(jié)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(nèi)的泥沙泵送到岸邊預(yù)設(shè)的淤沙池淤積，經(jīng)裝載機裝自卸汽車轉(zhuǎn)運至首部皮帶機的受料坑，后經(jīng)多條長距離皮帶機接力輸送至煤礦采空區(qū)，最后經(jīng)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(huán)境和氣候影響較大，運送散粒物料容易散落，污染周圍環(huán)境，且普通皮帶機在平面上只能直線布置，對地形和環(huán)境適應(yīng)性較差。管狀帶式皮帶機是近幾十年興起的一種新型、環(huán)保帶式輸送機，其輸料皮帶為密閉管狀，受環(huán)境和氣候影響較小，其輸送線路適應(yīng)性強，能爬山過河，可沿地表三維轉(zhuǎn)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(yōu)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(yīng)用較廣，技術(shù)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(huán)境適應(yīng)性較強，能爬山過河，可沿地表三維轉(zhuǎn)彎和垂直爬坡;輸料皮帶密閉布置，運行受環(huán)境和氣候影響較小，不污染環(huán)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(tǒng)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(shè)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(nèi)，總面積1 210 km2，地質(zhì)儲量55.7億t，共有7對礦井，設(shè)計生產(chǎn)能力1 800萬t。以巨野煤田輸送黃河泥沙工程為例，從技術(shù)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(shù)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(qū)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(qū)。管線始于左營鄉(xiāng)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(zhèn)煤礦，全長71 km。采用多級泵串聯(lián)接力，中間設(shè)集漿池中轉(zhuǎn)的方式進行輸送。為保證泥沙的供應(yīng)，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(yè)方式。根據(jù)黃河下游放淤工程中常用挖泥設(shè)備的情況以及機械設(shè)備的特點，選用136 kW沖吸式挖泥船和136 kW組合泵。

4 結(jié)語

泥沙在河道內(nèi)的大量淤積威脅到黃河興利功能的正常發(fā)揮，建設(shè)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(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定和生態(tài)環(huán)境，建設(shè)放淤工程恢復(fù)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(qū)進行科學(xué)有效的土地復(fù)墾，既符合循環(huán)經(jīng)濟和科學(xué)發(fā)展觀的要求，又可有效破解土地瓶頸制約，加快經(jīng)濟發(fā)展，是一項雙贏的造福工程，其建設(shè)重要性和長期性是顯而易見的，對黃河下游地區(qū)的綜合治理具有十分重要的意義。

［1］張紹良，張國良.土地復(fù)墾的基礎(chǔ)研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)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.