煤矿塌陷区利用黄河泥沙进行治理方案研究

闫大鹏，李德营，周风华，关 靖

(黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

煤矿的开发利用为国家的经济发展做出了巨大贡献，但大面积开采所带来的一系列不利影响也必须重视。煤矿开采后会形成大面积的采空区，导致地面发生裂缝和塌陷。煤矿地面塌陷造成的危害主要有破坏耕地、恶化地表水和地下水环境、造成水资源短缺、影响生态环境等。

鉴于煤矿开采所造成的严重灾害后果，我国煤矿的管理者高度重视煤矿大面积开采所可能产生的各种不利影响，并采用各种有效措施恢复塌陷地区地面的原貌，以期将不利影响降到最低。目前治理地面塌陷的方法大致分为三类［1］:一类是“平”。“平”就是平整被破坏的土地，恢复利用。二类是“填”。“填”就是用煤矿固体废弃物和电厂粉煤灰充填造田，恢复耕地。三类是“冲”。“冲”就是将塌陷地低洼处的沙土用水冲成泥浆，然后用泥浆泵抽到要平整的地域内，沉淀后成为耕地。

1 利用黄河泥沙治理煤矿塌陷区的新思路

黄河难以治理的症结在于水少沙多，水沙不协调。维持黄河健康生命，促进沿黄地区社会经济的可持续发展，必须采取有效途径，协调黄河的水沙关系。针对黄河既怕水多又患水少的情况，黄委提出了“拦、排、放、调、挖”五字治理方针。“拦”主要靠上中游地区的水土保持和干支流控制性工程拦减泥沙;“排”就是通过各类河防工程的建设，将拦不住的泥沙利用现行河道尽可能多地输送入海;“放”主要是在下游两岸处理和利用一部分泥沙;“调”是利用干流骨干工程调节水沙过程，使之适应河道的输沙特性，以减少河道淤积或节省输沙水量;“挖”就是挖河淤背，加固黄河干堤，逐步形成“相对地下河”，谋求黄河长治久安。

“拦、排、调、放、挖”的治黄策略，是今后相当长时期内处理黄河泥沙的总方针。“放、挖”是“拦、排、调”处理泥沙主要措施的补充，属处理泥沙的辅助措施。自20世纪70年代以来，放淤固堤就开始在黄河堤防工程建设实践中不断应用，不仅可以减少河道淤沙，加固黄河堤防，大大提高黄河堤防的安全性，还能最大限度地合理利用资源，有效提高黄河堤防的防洪能力。多年来黄河放淤固堤的工程实践证明，有计划地利用黄河泥沙进行淤背固堤，抬高沿河两岸地面，是加固黄河堤防、抗御洪水灾害的一项有效措施。近年来随着国家对黄河防洪工程投资力度的加大，为消除堤防隐患，在加高培厚大堤的同时，在大堤两侧实施了大量放淤固堤工程，以满足黄河堤防堤身、堤基的抗渗稳定要求，增强工程的抗洪能力。

目前，黄河上已经建成小北干流放淤试验工程，为大规模的放淤工程建设提供了宝贵经验;黄河下游标准化堤防建设中广泛利用放淤(包括淤临、淤背)措施加固堤防;黄河下游滩区安全建设中充分利用放淤措施淤筑村台和良田。这些放淤工程都取得了良好的经济和社会效果。在今后的黄河治理中，需要继续建设大量的放淤工程，以实现黄河泥沙的资源化利用［2］。

根据黄河下游沿岸煤矿的特点，利用一般的回填治理地面塌陷存在各种问题:一是利用煤矸石、粉煤灰回填，煤矸石、粉煤灰数量太少，不能满足需求，且它们的再利用价值高;二是利用土料回填，土源不足。利用黄河泥沙回填煤矿塌陷区有3个优点:一是黄河每年淤积在河道内的泥沙量大，料源充足，取沙后还可以减少河道淤积，降低河床，提高防洪能力;二是黄河泥沙非常肥沃，在国家技术资金的支持下，回填复耕还田既可以造福于民又可以确保社会安全;三是此技术已有30多年的实践经验，技术可靠。因此，针对黄河下游河道和沿岸煤矿的特点，提出利用黄河泥沙来填充煤矿塌陷区的新思路，一方面可以造田复耕，恢复地面原有的地貌和使用功能，使大量废弃闲置土地得到利用，改善矿区内的生态环境，提高当地居民的生产生活水平;另一方面可以缓解黄河的泥沙淤积问题，提高河道行洪能力，减轻防洪压力。通过对黄河泥沙的开发利用，最终达到煤矿资源开发与环境保护共赢。

2 泥沙输送方案研究

黄河下游沿岸煤矿利用黄河泥沙来填充煤矿塌陷区的工程特点是运输距离长、运料量大、工程运行时间长。符合这一特点的常用输送方式有管道水力输送、皮带机运输、公路运输3种，这3种方式各有优缺点。

2.1 管道水力输送方案

管道水力输送方案采用分级加压、中间设集浆池转运的方法将泥浆输送至目的地，即先用挖泥船将黄河河槽内的泥沙泵送到岸边的集浆池内，再用大功率泥浆泵经过多级加压泵将泥浆转运到下一个集浆池。这样经过几次转运后，泥浆被输送至目的地，经沉淀后，将清水排出，留下的泥沙就将凹陷处填平。

管道水力输送的优点是:不受环境、气候等的影响，占地面积小，运输物料无损耗;建设周期短，投资费用低，输送能力大，管理方便，运输可靠、无污染;管线布置在渠道岸边，便于通过交叉建筑物，人为干扰较小;管道水力输送泥沙技术广泛用于黄河下游放淤工程中，经过实践证明，该技术已经基本成熟，工人施工经验丰富，输送保证率较高。

管道水力输送的缺点是:多级泵串联加压，需要多级泵的相互协调，会导致泵的整体效率降低;转运过程中加大机械能的损耗，运输效率有所降低。

2.2 公路运输方案

公路运输方案是以136 kW冲吸式挖泥船开采黄河主河槽为主，以136 kW组合机泵开采黄河嫩滩为辅的方式将黄河泥沙汇集到黄河大堤背水侧围格堤内，待泥沙晾干后再用4～6 m3挖掘机挖装沙，32 t自卸汽车运输，将黄河泥沙运输至煤矿，填充采煤坑道。

公路运输线路选择现有道路和新建专线两个方案，由于工程运料量大，运行时间长，利用现有道路运输将会严重影响到地方交通，且沿线与多处建筑物交叉，一般的桥梁设计荷载偏低，难以满足大型载重车辆通过，因此一般选择修建专线运输。

公路运输的主要优点是:技术可靠，运输能力有保障;对地形条件适应性强，方便灵活;运营管理简单。

公路运输的缺点是:运输成本高、车辆磨损快、路面维修费用高、需耗用较多油料;运输会受季节气候变化影响;修建公路施工占地较多。

2.3 皮带机输送方案

皮带机输沙方案是采用多条长距离皮带机接力输送的方式将泥沙输送至目的地。采用大型挖泥船将黄河河槽内的泥沙泵送到岸边预设的淤沙池淤积，经装载机装自卸汽车转运至首部皮带机的受料坑，后经多条长距离皮带机接力输送至煤矿采空区，最后经推土机等机械辅助填坑。

皮带机输沙方案可分为普通皮带机输沙方案和管状带式皮带机输沙方案。普通皮带机输料皮带开敞，其运行受环境和气候影响较大，运送散粒物料容易散落，污染周围环境，且普通皮带机在平面上只能直线布置，对地形和环境适应性较差。管状带式皮带机是近几十年兴起的一种新型、环保带式输送机，其输料皮带为密闭管状，受环境和气候影响较小，其输送线路适应性强，能爬山过河，可沿地表三维转弯和垂直爬坡，十分适合长距离越野输送散粒料和小块状料。

管状带式皮带机输送方案的优点是:长距离管状带式皮带机在煤矿、港口及水利水电工程等大运量、长距离输送中应用较广，技术成熟;输送能力大，管径700 mm的皮带机输送量可达6 300 m3/h;运行可靠，零部件更换及输送带修补方便，运行费、维修费相对较低;输送线路对地形和环境适应性较强，能爬山过河，可沿地表三维转弯和垂直爬坡;输料皮带密闭布置，运行受环境和气候影响较小，不污染环境。

管状带式皮带机输送方案的缺点是:给料和卸料填坑灵活性较差，使整个系统运行费用增加;长距离管状带式皮带机采用的高压电机及钢丝绳芯胶带价格较贵，使得皮带机运输方案设备一次性投入较高。

3 工程实例及输沙方案选择

巨野煤田位于山东省境内，总面积1 210 km2，地质储量55.7亿t，共有7对矿井，设计生产能力1 800万t。以巨野煤田输送黄河泥沙工程为例，从技术条件、运输能力、运输成本、基建费用、运行管理、施工干扰、工程占地等方面对输沙方案进行了综合比较，比较情况详见表1。

表1 输沙方案比较

三个输沙方案技术上都是可行的，管道水力输送方案的基建费用最低，运输成本比其他两个方案更低，且运行管理方便，运输过程中污染小、损耗少，工程运行过程中干扰少，因此黄河下游沿岸煤矿利用黄河泥沙来填充煤矿塌陷区的输沙工程推荐采用管道水力输送泥浆方案。

采用管道水力输送黄河泥沙，每年需从黄河输送750万m3泥沙填充巨野煤田采空塌陷区。管线始于左营乡石庙附近黄河漫滩上，跨过黄河大堤，走鄄郓河，过国庄进入洙水河，过赵海到龙堌镇煤矿，全长71 km。采用多级泵串联接力，中间设集浆池中转的方式进行输送。为保证泥沙的供应，采取挖泥船对主河槽进行开采和水力冲挖机对边滩和嫩滩进行开挖的配合作业方式。根据黄河下游放淤工程中常用挖泥设备的情况以及机械设备的特点，选用136 kW冲吸式挖泥船和136 kW组合泵。

4 结语

泥沙在河道内的大量淤积威胁到黄河兴利功能的正常发挥，建设放淤工程可以在一定程度上减少泥沙所带来的危害，有利于黄河的除害兴利。煤矿地面塌陷威胁到区域的经济发展、社会稳定和生态环境，建设放淤工程恢复地面原有的地貌和功能可以基本上消除煤矿地面塌陷所带来的危害。因此，利用黄河泥沙对采煤塌陷区进行科学有效的土地复垦，既符合循环经济和科学发展观的要求，又可有效破解土地瓶颈制约，加快经济发展，是一项双赢的造福工程，其建设重要性和长期性是显而易见的，对黄河下游地区的综合治理具有十分重要的意义。

［1］张绍良，张国良.土地复垦的基础研究［J］.中国矿业大学学报，1999，28(4):389-392.

［2］刘荣厚，刘广柱.黄河下游泥沙资源多途径利用研究［J］.山东水利，2010(11):41-44.