16-济宁矿区北区引黄河泥沙充填复垦限制因素及协调措施-2016年第4期

济宁矿区北区引黄河泥沙充填复垦限制因素及协调措施
贺一波,吴㊀侃
(中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州221008)
[摘㊀要]㊀黄河的可需沙量㊁输沙所用水量㊁管道输沙能力㊁沉陷区位置㊁体积及稳定性㊁排水量及排水地的选择是引黄河泥沙充填复垦沉陷区必须考虑的限制因素㊂通过已知的参数㊁公式,计算各限制因素的数值,分析各因素对引黄充填复垦沉陷区的影响,并结合实际情况提出合适的协调措施㊂
[关键词]㊀黄河泥沙;充填复垦;限制因素;协调措施[中图分类号]TD88㊀
[文献标识码]A㊀
[文章编号]1006-6225(2016)04-0095-05
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)
Abstract :The limitation factors that must be considered during filing reclamation in subsidence area with Yellow River silt were silt
demand㊁water 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．Key words :silt of Yellow River;filling reclamation;limitation factor;coordinate measure
[收稿日期]2016-01-22
[DOI]10．13532/j．cnki．cn11-3677/td．2016．04．025[基金项目]国家 十二五 科技支撑计划课题资助(2012BAC04B03)[作者简介]贺一波(1993-),女,山西朔州人,在读硕士研究生㊂
[引用格式]
贺一波,吴㊀侃．济宁矿区北区引黄河泥沙充填复垦限制因素及协调措施[J ]．煤矿开采,2016,21(4):95-99．
㊀㊀随着煤矿资源的大规模开发,煤矿开采造成的
地表塌陷面积日益扩大,据统计,全国煤矿开采塌陷土地累计已达4ˑ106hm 2[1]㊂采煤沉陷地利用煤矸石㊁粉煤灰等固体废弃物进行充填复垦,利用修整法㊁疏排法和挖深垫浅法进行非充填复垦等,初
步形成了具有中国特色的采煤沉陷地复垦技术[2]㊂济宁矿区位于黄河下游的高潜水位地区,疏排法㊁挖深垫浅法和修整法并不适用,此外受充填材料的数量和质量的限制,应用煤矸石㊁粉煤灰等材料完成大面积的充填复垦并不现实[3]㊂
近几年有学者提出了新的土地复垦方法,即引
黄河泥沙充填煤矿沉陷区㊂黄河由于泥沙问题所引发的洪水灾害曾给人们带来过深重灾难,泥沙问题始终是黄河治理的症结所在,国家为此也投入了大量人力㊁物力和财力[4]㊂引黄河泥沙充填煤矿沉陷区的方法既打破了传统充填材料数量和质量的限制,又可以治理黄河泥沙问题㊂本文即用引黄河泥沙的方法复垦济宁北部煤矿沉陷区,主要分析了复垦工程的一些限制条件,并结合实际提出合适的协调措施㊂
1㊀研究区域基本情况
济宁北部煤矿沉陷区包括17个煤矿,矿区总
面积为73412hm 2,累计探明资源储量4Gt㊂研究区各煤矿分布见图
1㊂
图1㊀研究区域各煤矿分布
根据各矿提供的采掘计划和矿产资源规划,详细分析其开采资料,选取合适的预测参数,把条件相同的工作面划归为一个区域,并以这些区域作为
5
9第21卷第4期(总第131期)
2016年8月煤㊀矿㊀开㊀采
COAL MINING TECHNOLOGY
Vol．21No．4(Series No．131)
August㊀2016
计算的块段,利用MSPS软件进行计算,预测未来济宁采煤塌陷地的发展趋势㊂经过计算获得该区域不同时期的沉陷面积和体积,见表1㊂
表1㊀沉陷区不同时期沉陷面积、体积统计
年份沉陷面积/hm2沉陷体积/ˑ108m3截止到2009年3540．000．72
截止到2015年<8913．331．40
截止到2020年<13093．331．93
闭坑<98346．6712．53
2㊀引黄复垦工艺及影响因素分析
引黄河泥沙充填复垦技术工艺如下: (1)在利用黄河泥沙充填之前,首先排走待充填区域的积水㊂
(2)尽可能剥离待充填区的表土(一般为0~ 200mm)和部分心土(>200~500mm),堆放在充填区域的边缘形成坝体㊂
(3)采用绞吸式挖沙船采集黄河泥沙,抽取水沙速率1100m3/h㊂
(4)通过直径为350mm的普通钢管输送泥沙,输送浓度达到400kg/m3,铺设管道长达7km,根据输送要求在距挖沙船3．5km处设一级加压泵,使传输速度达到1．9~2．3m/s,保证将黄河泥沙输送到试验场㊂
(5)黄河泥沙被管道输送到试验场后,泥沙沉淀,清水就近排入该区附近的河道中㊂(6)充填完成后再将这些剥离的表土和心土覆盖到泥沙之上,经过土地平整形成耕地[5]㊂引黄复垦影响因素有:黄河的可需沙量;输沙所用的水量;管道输沙能力;沉陷区的位置㊁体积及稳定性;排水量及排水地的选择㊂
3㊀引黄充填修复各影响因子定量预测分析3．1㊀沉陷区面积计算
当已知煤炭产量㊁煤层厚度及开采深度时,可按式(1)计算地表沉陷面积:
S=Q
γˑm ˑ1．2+H0-300
1000
æ
è
ö
ø
(1)
式中,S为地表沉陷面积,m2;Q为煤炭产量,t;γ为煤的密度,t/m3;m为煤层厚度,m;H0为开采深度,m㊂
3．2㊀沉陷区体积计算
当已知煤炭产量时,可按式(2)计算沉陷体积:
V=Qˑq/γ(2)式中,V为到达地表的沉陷体积,m3;Q为煤炭产量,t;q为下沉系数,初次采动下沉系数q=0．73,重复采动q=0．88;γ为煤的密度,t/m3㊂
3．3㊀需沙量计算
当已知待充填采煤塌陷地的沉陷体积和复垦所用泥沙的密度时,需沙量可按式(3)算出:
M s=Vˑρs(3)式中,M s为复垦工程需沙量,t;V为沉陷体积, m3;ρs为泥沙密度,t/m3㊂
3．4㊀引水量计算
由于引黄充填复垦技术采用水力输送的方式将黄河泥沙输送到待充填塌陷地,输送泥沙需要挟带一定量的水,因此在输沙管道中输送的不只是黄河泥沙,而是沙㊁水混合物形成的泥浆㊂鉴于水流与泥沙之间存在的密切关系,引黄复垦工程的引水量是指通过输沙管道将泥沙输送到待充填塌陷地所用的清水水量,是在特定输沙情况下的净水量,由于清水的密度为1t/m3,因此输沙水量也可指从泥浆的体积中除去泥沙体积所剩的净水体积㊂假设管道输水含沙量,可推导出引黄复垦工程引水量的计算公式,见式(4):
M w=M s S
输
ˑ1-S输
ρs
æ
è
ö
ø
ˑρw(4)
式中,M w为复垦工程引水量,t;M s为复垦工程
需沙量,t;S
输
为管道输水含沙量,kg/m3;ρs为泥沙密度,kg/m3;ρw为清水密度,t/m3㊂
3．5㊀管道输送能力计算
引黄充填复垦技术采用管道水力输送的方式运输黄河泥沙㊂通过对济宁北部引黄充填治理区内各塌陷片区位置进行调查,这些塌陷片区和就近的引黄闸距离都较大,比如最远的许厂煤矿塌陷片区距陈垓引黄闸约86km,最近的杨营煤矿塌陷片区距陈垓引黄闸的直线距离也达到了8．5km,因此在此次复垦工程中,需要采用长管道远距离输沙的方式来输送泥浆㊂
长管道远距离输沙是一个多因素相互作用㊁相互影响的复杂系统工程,管道的输沙能力可用单位时间内管道的输沙量来衡量,输沙量可按式(5)计算:
W=Q
泥
S
输
=πr2v
()S
输(5)式中,W为输沙量,kg/h;Q
泥
为泥浆流量,m3/h; S
输
为管道输水含沙量,kg/m3;r为输沙管半径, m;v为泥浆流速,m/h㊂
3．6㊀排水量估算
充填复垦排水量取决于引水量㊁充填过程中引水损失量和沉陷区内的常年积水量㊂充填过程中引
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总第131期煤㊀矿㊀开㊀采2016年第4期
入的水量有一小部分漏失或渗入地下,而常年积水量有一部分与引入水量一起排出,一部分埋入地下成为潜水㊂总的排水量与充填过程中的引水量基本相当(略大于引入的水量)㊂
根据式(5)可计算得到沉陷区不同时期引沙取水情况,见表2㊂其中,黄河泥沙密度为2．71t/
m3[6],管道输水含沙量为500kg/m3㊂
表2㊀沉陷区不同时期引水取沙情况统计
年份需沙量/108t引水量/103m3排水量/108m3截止到2009年1．9513．1803．194
截止到2015年3．7946．1886．203
截止到2020年5．2308．5318．562闭坑33．95655．38355．921
4㊀引黄充填修复约束因素分析
4．1㊀引水㊁取沙时间约束
黄河山东段来水年内分布不均匀,具有夏㊁秋季水丰,春㊁冬季水枯的特点[7]㊂通过对陈垓㊁刘庄引黄闸历年引水时间进行频率分析,可求得不同保证率下的可引水天数,多年平均引水时间为253d,在保证率为50%时可引水天数为268d,在保证率为75%时可引水天数为193d,在保证率为95%时可引水天数为163d㊂
由于引黄充填复垦工程的需水量较大,为了能最大限度地延长引水取沙施工时间,每年除在冬季封河时段不宜引水㊁汛期内7-8月禁止采砂以及因引水含沙量较小(渠道沙量较少)而停工的时段外,其余时间均进行引水取沙的施工,同时由于农作物生长的需要,目前春季大部分来水已被引用,为保证沿黄地区工农业正常用水的需求,引水取沙时间还应该尽可能地向汛期及冬季延长,据此估计每年的引水取沙天数约为260d㊂
4．2㊀需沙量总量约束
黄河下游河道由于来水含沙量高,泥沙颗粒较细,河床冲淤变化幅度较大,呈现出 多来多淤多排 的特点[8]㊂淤沙存量大㊁处理难㊂根据高村㊁利津水文站多年的实测资料,进入山东省的年均沙量为5．57ˑ108t,利津站年均入海沙量为4．55ˑ108t[9]㊂根据沙量平衡理论,每年将约有1ˑ108t 泥沙淤积在高村-利津的河道,从而抬升河床,容易发生洪水造成严重损失㊂
根据表2计算的不同时期的引水量和排水量即可计算得到年平均引水量和取水量,见表3㊂由表3可知,在不采集黄河中原有淤积泥沙的情况下,每年河道内新增的泥沙淤积量能够基本满足引黄充填复垦工程的需要㊂同时采沙可有效减少
表3㊀沉陷区不同时期平均年引水取沙统计108t
年份引水量需沙量
年平均
引水量
年平均
需沙量2009年底3．1801．951--2010-20153．0071．8430．5010．307 2016-20202．3431．4360．4690．287黄河泥沙淤积,达到清淤的效果,对于当地的黄河治理也有积极的作用㊂因此,需沙量总量不存在约束㊂
4．3㊀引水总量约束
引黄充填治理工程完成后,引入的清水将排灌到沉陷区周围的沟渠㊁河道中,进入南四湖流域,会造成黄河水资源不断减少㊂由于黄河流域严重缺水,黄河水利委员会采用限额取水的方法对黄河水资源的可引水量进行分配管理㊂根据1987年国家‘黄河可供水量分配方案“( 八七方案 ),山东省年引黄水量为7Gm3[10],分配给济宁市的可引黄水量为0．4Gm3/a[11]㊂
济宁市的年均引黄水剩余量为0．214Gm3/a,而每年进行复垦所需的引水量约为0．05Gm3,所以能够满足引黄复垦的引水需要㊂
4．4㊀沉陷区大小㊁距黄河的距离及稳定性约束这里的 沉陷稳定性 指井下可采煤层全部采完后,地面不再产生沉陷,而不是指一个工作面㊁一个采区或一个煤层开采结束后的沉陷稳定㊂本区域矿山大多为多煤层开采,地表沉陷分多次形成,因此引黄充填治理工程需待沉陷稳定后进行㊂否则,将会形成多次复垦㊁重复复垦的情况㊂复垦工程受到沉陷区稳定性的制约,另外还受沉陷盆地的大小及距黄河取沙点距离的制约,沉陷盆地面积小,复垦效率低,成本高;距离远,复垦成本高㊂
4．5㊀输送能力约束
在不同泥浆流量的条件下,对输沙管道的复垦能力进行了计算,其中,黄河泥沙的密度为2．71t/ m3,管道输水含沙量取500kg/m3,年引水取沙时间为260d㊂计算结果见表4㊂
表4㊀输沙管道复垦能力测算结果
泥浆流量/
(m3㊃h-1)年引水
量/104m3
年需沙
量/104t
可复垦
面积/hm2
可复垦
容积/104m3 50025415635．657
75038123453．486
100050831292．6115
通过对表4分析可知:当管道输水含沙量为500kg/m3㊁泥浆流量为1000m3/h时,每年可复垦92．6hm2,要复垦完成2009年前形成的沉陷区就需
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贺一波等:济宁矿区北区引黄河泥沙充填复垦限制因素及协调措施2016年第4期
要38a㊂要实现 塌陷一亩㊁复垦一亩 的目标,至少需要16条输沙管道连续工作10a的时间㊂因此,复垦工作是一个长期的工作㊂管道输沙能力是决定复垦进度的关键约束因素㊂可利用提高管道输水含沙量的方法来提高管道输沙效率㊂
4．6㊀排水约束
引黄充填治理工程完成后,引入的清水将排灌到采煤塌陷区周围的沟渠㊁河道中,进入了南四湖流域㊂由于本地区河网㊁沟渠密布,又是缺水地区[12],因此,引入水量的排水和利用不存在约束㊂5㊀协调措施分析
根据上述对黄河泥沙充填复垦技术各因素的分析,需沙量不存在制约;取水量虽有限制指标,但相对于目前的管道输沙能力而言,不存在制约;排水有多个可供选择的途径,也不存在制约㊂黄河泥沙充填复垦技术的制约因素主要有:引水取沙时间(复垦工程的可施工时间),管道输沙能力,沉陷区大小㊁距黄河的距离及稳定性㊂
在黄河泥沙充填复垦技术的具体实施过程中,还应结合复垦工程的实际情况选择合适的优化措施㊂
5．1㊀选择复垦适宜区
尽管本区域已经存在很多沉陷区,但是,其中大部分沉陷区不够稳定,会继续沉陷㊂因此,须了解煤矿的开采情况,选择煤层全部开采且沉陷达到稳定的区域优先复垦㊂
本区域目前的沉陷区距黄河取沙点的距离为8．5~85km,根据管道输送距离,选择合适距离的沉陷区优先复垦㊂
5．2㊀提高管道输送能力
在引黄充填复垦工程的实施过程中,管道输沙能力越强,在相同时间内能够复垦的土地也就越多,管道输沙能力会影响复垦工程的施工效率㊁施工进度及复垦成本㊂根据式(5)可知,管道输沙效率主要与管道输水含沙量和泥浆流量有关,因此可采取提高管道泥浆流量或者提高管道输水含沙量的方法来提高管道输沙效率㊂
5．2．1㊀提高泥浆流量
泥浆流量主要与泥浆泵㊁加压泵等采沙㊁输沙设备有关,因此需要采用高压㊁大流量的泥浆泵及加压泵,一旦采沙㊁输沙设备确定,输沙管道的设计流量就被确定下来㊂但在管道实际输沙过程中,管道中的泥浆流量往往达不到设计流量,这主要是因为泥浆流量与管材㊁管径及泥浆流速还有着密切关系:
(1)管材㊀由于管道输沙过程中泥浆和管道内壁有摩擦作用,管壁越粗糙,泥浆输送的阻力损
失越大;而泥沙粒径越大㊁泥浆流速越快㊁输水含
沙量越高对输沙管道的磨蚀也越严重,因此输沙管
道必须选用内壁光滑且耐磨性能强的材料㊂
(2)管径㊀在相同流量情况下,沿程阻力损失与管径成反比㊂虽然增大管径可以在一定程度上
减小沿程阻力损失,但由于管径的大小还与流速密
切相关,在流量相同的情况下,若管径偏大,管道
中泥浆流速自然偏小,容易在管道中产生泥沙淤
积,反而降低了泥浆输送效率,因而不能盲目增大
管径㊂
(3)泥浆流速㊀泥浆流速小易造成输沙管道堵塞,泥浆流速越大对输沙管道的腐蚀越严重,因
此确定管道输沙不淤流速至关重要,管道输沙不淤
流速是管道运行的最低控制流速[13],也是管道系统设计与运行的重要技术参数之一㊂工程实施前需
通过试验确定管道的不淤流速,为选择合适的管
径㊁设计经济合理的输水含沙量提供依据㊂5．2．2㊀提高管道输水含沙量
随着输水含沙量的增加,泥浆的输送阻力会相
应变大,使得输沙管道沿程能量损失增大,导致输
沙管道堵塞㊁泥浆流速变小,过高的输水含沙量反
而会降低管道输沙能力,影响管道输沙效率㊂根据
多年实际生产经验和成本分析,对于管道远距离输
沙,其最佳输水含沙量(经济含沙量)应为400~ 600kg/m3㊂
综上所述,虽然提高管道输沙能力可以提高复
垦工程的施工效率㊁加快施工进度㊁降低复垦成
本,但由于影响管道输沙能力的因素多且复杂,因
此在实施引黄充填复垦工程前,需要进行专门试验
优选泥浆泵㊁加压泵等采㊁输沙设备,优化管道远
距离输沙技术参数(管材㊁管径㊁含沙量㊁流速㊁
泥沙粒径等)㊂
5．3㊀合理排水及利用
根据管道输沙能力确定每年的排水量,并结合
复垦区域的水系情况,确定排水到南四湖㊂
南四湖位于山东省济宁市南部,地处鲁中南沂
蒙山脉西侧山麓堆积平原和黄河冲积平原接合部的
隐伏断裂带上,是串联在一起的微山湖㊁昭阳湖㊁
独山湖㊁南阳湖四个湖的总称㊂湖泊南北长126km,东西宽5~25km,周边长311km,湖面面积1266km2[14],容积为5．36Gm3,现有水量1．93Gm3㊂
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总第131期煤㊀矿㊀开㊀采2016年第4期
南四湖流域水旱灾害频发,流域内人均水资源量不足300m3,其中人均地表水资源量仅128m3㊂按照国际人均水资源量不足500m3为严重缺水的控制线,属资源性严重缺水地区[12]㊂现预计年引入水量为0．175Gm3,流入的水可以起到补给南四湖水量的作用㊂
各矿可铺设管道将水排到最近的河道,水流可供沿途地区工农业生产的需要,剩余水量进入南四湖㊂
5．4㊀协调设计
引黄充填复垦是一项长期的任务,充填复垦工程须在如下几个方面做到协调:
(1)地面沉陷复垦区的选择与井下开采相协调㊀优先选择井下煤层全部开采结束的区域,地面沉陷已稳定,不会出现再次沉陷㊂避免多次复垦㊁重复复垦㊂
(2)复垦区位置㊁面积与管道输送能力相协调㊀在沉陷已稳定的区域优先选择位置距黄河较近,沉陷区面积有一定规模的沉陷盆地,按照沉陷区面积大小,配置管道输送能力,以确保复垦工程的相对稳定和可持续㊂
(3)取水与排水利用相协调㊀根据复垦区的大小和体积,计算复垦需要的引入水量,申请黄河取水许可㊂根据引入水量㊁复垦区的积水量㊁潜水位及沉陷盆地积水水位标高,计算排出水量㊂设计排水路径和利用方案㊂
(4)复垦规模与经济成本控制相协调㊀根据沉陷区的大小,距黄河的远近,确定每年的复垦规模,使复垦成本尽可能降低,达到经济效益最大化㊂
6㊀结㊀论
(1)引黄复垦影响因素有:黄河的可需沙量;输沙所用的水量;管道输沙能力;沉陷区的位置㊁体积及稳定性;排水量及排水地的选择㊂(2)根据数据的分析,需沙量㊁引水量不受限制;管道输沙能力排水有多个可供选择的途径,也不存在制约㊂所以黄河泥沙充填复垦技术的制约因素主要有:引水取沙时间(复垦工程的可施工时间),管道输沙能力,沉陷地稳定性㊁大小及距黄河的距离㊂
(3)结合实际情况,优先考虑离黄河距离近㊁沉陷区面积大㊁且沉陷稳定的沉陷区先行复垦,要做到:地面沉陷区的选择与井下开采相协调;沉陷区位置㊁面积与管道输送能力相协调;取水与排水利用相协调;复垦规模与经济成本控制相协调㊂
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