煤礦塌陷區(qū)利用黃河泥沙進(jìn)行治理方案研究

閆大鵬，李德營(yíng)，周風(fēng)華，關(guān) 靖

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003)

煤礦的開發(fā)利用為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，但大面積開采所帶來(lái)的一系列不利影響也必須重視。煤礦開采后會(huì)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(yán)重災(zāi)害后果，我國(guó)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”?！捌健本褪瞧秸黄茐牡耐恋?，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”?！皼_”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(jìn)沿黃地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(duì)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(duì)地下河”，謀求黃河長(zhǎng)治久安。

“攔、排、調(diào)、放、挖”的治黃策略，是今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)處理黃河泥沙的總方針?！胺?、挖”是“攔、排、調(diào)”處理泥沙主要措施的補(bǔ)充，屬處理泥沙的輔助措施。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，放淤固堤就開始在黃河堤防工程建設(shè)實(shí)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(lái)黃河放淤固堤的工程實(shí)踐證明，有計(jì)劃地利用黃河泥沙進(jìn)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(xiàng)有效措施。近年來(lái)隨著國(guó)家對(duì)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(shí)，在大堤兩側(cè)實(shí)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(qiáng)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(yàn)工程，為大規(guī)模的放淤工程建設(shè)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn);黃河下游標(biāo)準(zhǔn)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(tái)和良田。這些放淤工程都取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(shí)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(diǎn)，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(jià)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(gè)優(yōu)點(diǎn):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(guó)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(huì)安全;三是此技術(shù)已有30多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)可靠。因此，針對(duì)黃河下游河道和沿岸煤礦的特點(diǎn)，提出利用黃河泥沙來(lái)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(dāng)?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(duì)黃河泥沙的開發(fā)利用，最終達(dá)到煤礦資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)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(lái)填充煤礦塌陷區(qū)的工程特點(diǎn)是運(yùn)輸距離長(zhǎng)、運(yùn)料量大、工程運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。符合這一特點(diǎn)的常用輸送方式有管道水力輸送、皮帶機(jī)運(yùn)輸、公路運(yùn)輸3種，這3種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 管道水力輸送方案

管道水力輸送方案采用分級(jí)加壓、中間設(shè)集漿池轉(zhuǎn)運(yùn)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(jí)加壓泵將泥漿轉(zhuǎn)運(yùn)到下一個(gè)集漿池。這樣經(jīng)過幾次轉(zhuǎn)運(yùn)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(diǎn)是:不受環(huán)境、氣候等的影響，占地面積小，運(yùn)輸物料無(wú)損耗;建設(shè)周期短，投資費(fèi)用低，輸送能力大，管理方便，運(yùn)輸可靠、無(wú)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(shí)踐證明，該技術(shù)已經(jīng)基本成熟，工人施工經(jīng)驗(yàn)豐富，輸送保證率較高。

管道水力輸送的缺點(diǎn)是:多級(jí)泵串聯(lián)加壓，需要多級(jí)泵的相互協(xié)調(diào)，會(huì)導(dǎo)致泵的整體效率降低;轉(zhuǎn)運(yùn)過程中加大機(jī)械能的損耗，運(yùn)輸效率有所降低。

2.2 公路運(yùn)輸方案

公路運(yùn)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(jī)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(jī)挖裝沙，32 t自卸汽車運(yùn)輸，將黃河泥沙運(yùn)輸至煤礦，填充采煤坑道。

公路運(yùn)輸線路選擇現(xiàn)有道路和新建專線兩個(gè)方案，由于工程運(yùn)料量大，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，利用現(xiàn)有道路運(yùn)輸將會(huì)嚴(yán)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(jì)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(yùn)輸。

公路運(yùn)輸?shù)闹饕獌?yōu)點(diǎn)是:技術(shù)可靠，運(yùn)輸能力有保障;對(duì)地形條件適應(yīng)性強(qiáng)，方便靈活;運(yùn)營(yíng)管理簡(jiǎn)單。

公路運(yùn)輸?shù)娜秉c(diǎn)是:運(yùn)輸成本高、車輛磨損快、路面維修費(fèi)用高、需耗用較多油料;運(yùn)輸會(huì)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(jī)輸送方案

皮帶機(jī)輸沙方案是采用多條長(zhǎng)距離皮帶機(jī)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(jī)裝自卸汽車轉(zhuǎn)運(yùn)至首部皮帶機(jī)的受料坑，后經(jīng)多條長(zhǎng)距離皮帶機(jī)接力輸送至煤礦采空區(qū)，最后經(jīng)推土機(jī)等機(jī)械輔助填坑。

皮帶機(jī)輸沙方案可分為普通皮帶機(jī)輸沙方案和管狀帶式皮帶機(jī)輸沙方案。普通皮帶機(jī)輸料皮帶開敞，其運(yùn)行受環(huán)境和氣候影響較大，運(yùn)送散粒物料容易散落，污染周圍環(huán)境，且普通皮帶機(jī)在平面上只能直線布置，對(duì)地形和環(huán)境適應(yīng)性較差。管狀帶式皮帶機(jī)是近幾十年興起的一種新型、環(huán)保帶式輸送機(jī)，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(qiáng)，能爬山過河，可沿地表三維轉(zhuǎn)彎和垂直爬坡，十分適合長(zhǎng)距離越野輸送散粒料和小塊狀料。

管狀帶式皮帶機(jī)輸送方案的優(yōu)點(diǎn)是:長(zhǎng)距離管狀帶式皮帶機(jī)在煤礦、港口及水利水電工程等大運(yùn)量、長(zhǎng)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(jī)輸送量可達(dá)6 300 m3/h;運(yùn)行可靠，零部件更換及輸送帶修補(bǔ)方便，運(yùn)行費(fèi)、維修費(fèi)相對(duì)較低;輸送線路對(duì)地形和環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，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(yùn)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(jī)輸送方案的缺點(diǎn)是:給料和卸料填坑靈活性較差，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用增加;長(zhǎng)距離管狀帶式皮帶機(jī)采用的高壓電機(jī)及鋼絲繩芯膠帶價(jià)格較貴，使得皮帶機(jī)運(yùn)輸方案設(shè)備一次性投入較高。

3 工程實(shí)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(chǔ)量55.7億t，共有7對(duì)礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 800萬(wàn)t。以巨野煤田輸送黃河泥沙工程為例，從技術(shù)條件、運(yùn)輸能力、運(yùn)輸成本、基建費(fèi)用、運(yùn)行管理、施工干擾、工程占地等方面對(duì)輸沙方案進(jìn)行了綜合比較，比較情況詳見表1。

表1 輸沙方案比較

三個(gè)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(fèi)用最低，運(yùn)輸成本比其他兩個(gè)方案更低，且運(yùn)行管理方便，運(yùn)輸過程中污染小、損耗少，工程運(yùn)行過程中干擾少，因此黃河下游沿岸煤礦利用黃河泥沙來(lái)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(wàn)m3泥沙填充巨野煤田采空塌陷區(qū)。管線始于左營(yíng)鄉(xiāng)石廟附近黃河漫灘上，跨過黃河大堤，走鄄鄆河，過國(guó)莊進(jìn)入洙水河，過趙海到龍堌鎮(zhèn)煤礦，全長(zhǎng)71 km。采用多級(jí)泵串聯(lián)接力，中間設(shè)集漿池中轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行輸送。為保證泥沙的供應(yīng)，采取挖泥船對(duì)主河槽進(jìn)行開采和水力沖挖機(jī)對(duì)邊灘和嫩灘進(jìn)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(jī)械設(shè)備的特點(diǎn)，選用136 kW沖吸式挖泥船和136 kW組合泵。

4 結(jié)語(yǔ)

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(lái)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(jì)發(fā)展、社會(huì)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(lái)的危害。因此，利用黃河泥沙對(duì)采煤塌陷區(qū)進(jìn)行科學(xué)有效的土地復(fù)墾，既符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(jì)發(fā)展，是一項(xiàng)雙贏的造福工程，其建設(shè)重要性和長(zhǎng)期性是顯而易見的，對(duì)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(guó)良.土地復(fù)墾的基礎(chǔ)研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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.