济宁北部矿区引黄河泥沙充填复垦优化分析

济宁北部矿区引黄河泥沙充填复垦优化分析
张梦虹;吴侃
【摘要】济宁北部矿区属于高潜水位矿区,传统的土地复垦方法耕地恢复率较低,同时该矿区地属平原,复垦时不能提供充足的充填土料.针对传统复垦方法的不足,考虑到济宁北部矿区毗邻黄河,引水取沙十分方便,提出引黄河泥沙充填复垦的新方法.首先根据煤矿产量估计不同时段沉陷面积和容积,进而测算不同时段复垦需沙量和引水量.再根据引黄河泥沙充填复垦工艺确定优化原则,包括管道布设优化原则、复垦顺序优化原则、提高管道输沙效率和输沙能力原则.根据优化原则,选择合适的管网铺设形式降低复垦成本;根据煤矿开采情况,选择沉陷稳定区域优先开采,避免重复复垦;选择合适的采沙输沙设备及其配套设备、管道管径、管材、不淤流速、最佳输水含沙量,以有效提高管道输沙能力、泥沙输送效率.优化成果可为实际引黄河泥沙充填复垦工程提供依据.
【期刊名称】《金属矿山》
【年(卷),期】2016(000)005
【总页数】5页(P158-162)
【关键词】引黄河泥沙复垦;管道输沙;需沙量;引水量;优化分析
【作者】张梦虹;吴侃
【作者单位】中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州 221116;中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州 221116
【正文语种】中文
【中图分类】TD88
煤炭是我国的基础能源,长期以来,煤炭资源在我国一次性能源的生产和消费中占有
十分重要地位[1]。

山东省是我国发现、开采、利用煤炭最早的省份之一,全省各地
存在大面积的采煤沉陷区[2]。

截止到2013年,济宁市因采煤造成沉陷土地19 972.31 hm2,占全市土地总面积的1.73%,现在每年仍在增长[3]。

针对济宁市的开采沉陷土地复垦,需要考虑其具体情况。

首先,济宁北部矿区属于高
潜水位平原矿区,该类矿区在开采后会形成大面积的深度积水。

传统的土地复垦方
法如深垫浅法、疏排法、平整土地与修建梯田法和矸石、粉煤灰充填复垦法等对于该类矿区塌陷地的耕地恢复率较低,并不能根本解决济宁市耕地逐年减少的问题[4]。

引黄河泥沙充填复垦法能够有效恢复耕地,实现耕地占补平衡。

长距离管道输送是
一种高效、节能、环保的运输方式[5]。

再者,济宁北部毗邻黄河干道,引水、取沙均十分方便。

本课题将济宁北部矿区划为引黄治理区,并以此为例研究引黄河泥沙充
填复垦优化。

1.1 济宁北区概况
济宁北部矿区位于兖石铁路以北,包括任城区北部、兖州市北部、嘉祥县、汶上县
和梁山县,共17个煤矿,矿区总面积为734.12 km2,累计探明资源储量40亿t,年生产能力2 295万t[6]。

17个煤矿分别为煤矿1～17,具体分布如图1所示。

1.2 矿井沉陷区情况
经调查汇总,截止到2009年底,济宁北部引黄充填治理区的采煤沉陷面积为3 540 hm2,常年积水面积413.3 hm2[6]。

基于截止到2009年底的调查数据,对2015年、2020年和闭坑时的沉陷面积和容积进行预测分析。

对于能收集到开采规划的矿井,利用MSPS软件,预测采煤沉陷区的发展趋势。

对于未收集到开采规划的矿井,根据地表沉陷面积与煤炭产量之间的计算公式,计算济宁北部各矿井地表沉陷面积和沉
陷体积[7]。

济宁北部矿区沉陷面积与容积预测结果见表1。

分析表1,煤矿1～17
沉陷面积和容积每年均在增长,增长幅度各不相同,但每个煤矿增长速度均逐年减缓。

2.1 济宁北部矿区常规复垦情况
济宁市从上世纪90年代以来,开始大规模治理采煤塌陷地,总结出多种行之有效的
治理模式。

一是“划方整平法”,二是“挖深垫浅法”,三是“生态治理法”,四是“预置复垦法”,五是泥浆吹填法[8]。

预计到闭坑时,济宁北部矿区采煤沉陷面积
49 206.6 hm2,利用常规复垦方法需要大量的土料。

但是济宁地处平原区,周边无山体或丘陵可以借土充填,上述治理模式,总的恢复耕地率不超过30%。

随着采煤的持续进行,济宁市塌陷地面积不断增加。

从《济宁市土地开发复垦整理实施办法》等
资料中分析得知,常规土地复垦方式的耕地恢复率不高于40%。

针对济宁北部矿区情况,提出引黄河泥沙充填复垦新思路,能够有效恢复耕地面积。

2.2 引黄河泥沙充填复垦工艺试验
根据在梁山县大路口乡彭那里村的试验,黄河泥沙作为沉陷地复垦的充填材料是可
行的。

引黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地工艺如图2所示,具体工艺:①首先排走待充填区域的积水;②采用绞吸式挖沙船采集黄河泥沙;③铺设管道到达待充填采煤塌陷地,通过普通钢管进行输沙;④泥沙通过管道输送到沉陷区后,泥沙沉淀,清水就近排放到附近河道中;⑤待充填完成后,覆盖表土,经平整后形成耕地[9]。

引黄充填复垦技术采用管道输送黄河泥沙,用单位时间内管道的输沙量来衡量管道
的输沙能力,输沙量按式(1)计算:
式中,W为输沙量,kg/h;Q为泥浆流量,m3/h;P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/h。

根据管道远距离输沙工程实际生产经验和成本分析,管道输水含沙量一般选取为
500 kg/m3,泥浆流量一般选取为1 000 m3/h,按式(1)计算输沙管道的复垦能力。

当年引水取沙时间为260 d时,年输沙量为312万t,每年可复垦92.6 hm2。

4.1 引水、需沙量
需沙量可以根据待充填采煤塌陷地沉陷容积和泥沙容重大致算出,如式(2)所示:
式中,Ms为复垦工程需沙量,t;V为沉陷体积,m3;ρs为泥沙密度,t/m3。

引黄复垦工程中引水量指的是输沙水量,即通过管道输送泥沙到待充填塌陷区所需要的清水水量,计算公式如式(3)所示:
式中,Mw为复垦工程引水量,t;S为管道输水含沙量,kg/m3;ρw为清水密度,t/m3。

4.2 引水、需沙量计算
根据式(2)和式(3)计算北部引黄治理区17矿不同时间段引水量和需沙量,具体结果如表2。

5.1 引黄复垦工程管网优化原则
输沙管道的分布设计是一个复杂的规划设计问题,需要根据实际地形、煤矿分布和加压泵等设备扬程需要,按照相关管道铺设规范进行设计[10]。

本研究不考虑实际地形,仅进行简单的分析。

管道网的布设决定着引黄复垦工程的经济成本,管道费用是整个工程经济成本的主要支出。

管道的布设还与复垦工程的运转效率息息相关。

输沙管网可以布设成环状和干枝状、射线状和环状,如图3所示。

其中,干支状管网铺设管道总长约为199.8 km,射线状管网铺设管道总长约为365.5 km,环状管网铺设管道总长约为221.1 km。

当仅考虑管道线路最短原则时,济宁北部引黄治理区沉陷地分布形式最适合干支状管网,其次为环状管网,且环状管网能够避开主河流干道。

管网布设优化还需考虑复垦时间成本。

当仅铺设1条输沙管道复垦时,管网布设成干支状复垦闭坑后沉陷区域,至少需要1 088 a;管网布设成射线状复垦闭坑后沉陷区域,至少需要245 a;管网布设成环状复垦闭坑后沉陷区域,至少需要544 a。

若想在闭坑后地表沉陷稳定10 a内完成济宁北部矿区全部复垦工作,则管网布设成干支状时,需同时铺设109条管道,管道总长约2.17万km;管网布设成射线状时,需同时铺设约30条管道,管道总长约0.81万km;管网布设成环状时需同时铺设54条管
道,管道总长约1.19万km。

考虑到复垦时间成本时,输沙管道网布设成射线状最佳,其次为环状。

5.2 复垦顺序优化原则
济宁北部矿区属于济宁煤田,矿区含煤地层为石炭一二叠系,含煤27层,其中可采煤层有8层,煤层厚度达10.94 m[11]。

因此研究区域矿山大部分为多煤层开采,地表土地的沉陷是分多次形成的。

济宁北部矿区选择优先复垦区域时,可分为2种情况:一是单煤层开采区域,二是多煤层开采区域。

对于单煤层开采区域,煤层开采结束后,开采造成的地表沉陷随即稳定。

对于多煤层开采区域,每一层煤开采后都会造成地表沉陷,所有煤层开采结束后,地表沉陷才会达到稳定。

为避免复垦后再次出现塌陷,造成二次复垦或多次复垦,引黄充填治理工程需要待沉陷稳定后进行。

关注井下煤层开采进度,合理安排沉陷复垦顺序,合理铺设管道,能够有效避免重复复垦,节约复垦成本。

5.3 提高泥沙输送效率
管道输沙效率是影响管道输沙量的关键因素。

对于超长距离管道输沙,接力输送方式的使用,机械设备的选择与配套、接力站安设位置是否准确都对输沙的生产效率和生产成本起着决定性的作用。

输沙系统包括泥浆泵和管道。

泥浆泵型号众多,选择时要注意泵的轴动力与动力协调和额定功率与管道过流能力协调的原则,使泥浆泵工作效率较高,具体的选择依据为泥浆泵扬程和额定流量[12]。

济宁北部引黄闸距煤矿沉陷区较远,单泵管道输送不能满足其要求,需要加压泵串联输送。

接力泵串联输送需要满足各级接力泵流量一致的条件,并且接力泵的位置需要合理选择,否则距初级泵太近,管道压力过大,造成管道破坏,或距离太远,泵前出现负压,管道被吸扁[13]。

5.4 提高管道输沙能力
提高管道输沙能力可以从两方面入手:提高泥浆流量和提高管道输送泥沙浓度。

提高泥浆流量与管径、管材及泥浆流速有密切关系。

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、泥浆流速越快、浓度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。

在相同流量情况下,沿程阻力损失与管径成反比。

虽然增大管
径可以在一定程度上减小沿程阻力损失,提高管道输沙效率,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,反而降低泥浆输送效率,因而不能盲目增大管径。

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。

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,设计经济合理的输水含沙量提供依据。

提高管道输送浓度能够有效减少复垦工程的输沙水量,降低输沙成本。

但提高管道
输送浓度并不是盲目追求过高的浓度,因为随着浓度的增加,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、泥浆流速变小,过高的浓度反而会降低管道输沙能力,影响管道输沙效率。

根据多年实际生产经验和成本分析,对于管道远距离输沙,其最佳输送浓度(经济含沙量)应为400～600 kg/m3。

(1)济宁北部17矿区闭坑后预计沉陷面积高达49 206.6 hm2,传统的复垦方式不能满足复垦需求。

针对济宁北部矿区实际情况,专家学者提出新思路——引黄河泥沙
充填复垦,能够有效恢复耕地。

(2)选择合适的管网铺设形式能够有效降低复垦成本。

根据煤矿开采情况,选择优先开采区域,确定复垦顺序,避免重复复垦。

(3)选择合适的采沙输沙设备及其配套设备、管道管径、管材、泥浆流量和输送浓度,能够有效提高管道输沙能力、提高泥沙输送效率,增加输送泥沙量,减少复垦成本,节约复垦时间。

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