何 強，吳 侃，許 冬，姚丹丹

(中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

南四湖流域采煤沉陷區(qū)引黃復墾需沙量估算與分析

何 強，吳 侃，許 冬，姚丹丹

(中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

針對南四湖流域引黃復墾工程中需沙量計算的問題，本文根據(jù)實測資料及概率積分法模型，提出了利用煤炭產(chǎn)量估算沉陷面積及體積的方法，估算了截至2009年底的存量沉陷面積及體積，進而測算出了復墾所需的泥沙量及引入水量，對引黃復墾工程實施的可行性進行了分析。研究結果表明：①未來每年新增沉陷體積約0.57億m3，需沙量約1.07億t，伴隨黃河泥沙輸送引入的黃河水量約1.74億m3；②引黃復墾工程在修復塌陷土地的同時還可有效緩解旱情，取水量許可指標將成為其主要制約因素；③根據(jù)研究區(qū)目前的沉陷速度，短期內難以實現(xiàn)沉陷與復墾的動態(tài)平衡。通過本文的研究可為引黃復墾需沙量的計算、取水量許可指標的調度及復墾治理規(guī)劃、政策的制定提供參考的依據(jù)。

南四湖流域；引黃泥沙復墾；概率積分法；沉陷估算；泥沙量測算

隨著煤炭開采的進行，開采沉陷造成大量的耕地破壞，開采沉陷的治理與復墾也越來越受到關注[1-2]。目前我國礦區(qū)土地復墾已經(jīng)有一些成熟的經(jīng)驗和方法，比如挖深墊淺法、疏排法、平整土地與修建梯田法，矸石、粉煤灰充填復墾法[3-5]。這些方法已經(jīng)被大量使用，在現(xiàn)場實際的應用中也取得了很好的效果。在東部高潛水位平原礦區(qū)，由于采煤沉陷深度較大，地下潛水位埋深較淺等原因，煤炭資源采出后造成了大面積的積水。傳統(tǒng)的挖深墊淺、煤矸石和粉煤灰充填復墾技術因耕地恢復率低、充填材料的潛在污染性以及數(shù)量不足等原因，均不能很好地解決該類地區(qū)人多地少的矛盾[6]。

黃河是我國含沙量很高的河流，近年來一些學者提出了引黃河泥沙充填復墾礦區(qū)沉陷土地的方法，這是一種新的復墾方法[6-7]。該方法首先利用采沙船在黃河上進行采泥沙，然后通過管道輸送泥沙到待復墾區(qū)域進行充填，最后泥沙沉淀后排走清水，以達到充填復墾的目的，目前該方法已經(jīng)進行了試驗性研究，有望應用于大規(guī)模的沉陷復墾，有效的解決大范圍復墾充填材料的潛在污染性以及數(shù)量不足等難題。

引黃充填復墾需要比較準確的估算地面的沉陷面積和沉陷體積，進而確定引黃充填復墾需要的泥沙量。本文以概率積分法模型為基礎結合南四湖區(qū)域具體地質采礦條件，提出了較為準確的依據(jù)煤炭產(chǎn)量估算沉陷面積和沉陷體積的方法，在此基礎上測算了工程所需的泥沙量，對引黃復墾工程的可行性進行了分析，以期為引黃充填復墾工程提供科學的依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

南四湖水系主要分布在山東省濟寧市，與濟寧礦區(qū)有部分重疊，濟寧礦區(qū)分布面積3920km2，現(xiàn)已完成勘探投入開發(fā)的煤礦礦區(qū)面積為2239.6km2，累計探明煤炭資源儲量133億t。研究區(qū)域礦井及水系分布圖見圖1。濟寧市自20世紀70年代大規(guī)模開采以來，已累計生產(chǎn)原煤約10億t，境內現(xiàn)有生產(chǎn)礦井47對，閉坑礦井2對，在建礦井7對，生產(chǎn)能力8400萬t，另外還有境外9對礦井跨境開采，實際年生產(chǎn)能力約1億t。截至2009年底，濟寧市采煤沉陷地總面積為23432.49hm2。

圖1 研究區(qū)域礦井及水系分布圖

2 引黃復墾需沙量估算方法

2.1 地面沉陷面積估算方法

采煤引起的地面沉陷面積與采空區(qū)的大小，開采深度等密切相關。根據(jù)實測資料分析典型的沉陷

過程，如圖2所示。工作面開采由S點推進到達A點時由于未達到充分采動，地面的沉陷表現(xiàn)不充分，下沉曲線表現(xiàn)為A曲線，地面沉陷表現(xiàn)見圖3(a)。隨著工作面的推進到達B點時，達到充分采動臨界條件，下沉曲線表現(xiàn)為B曲線，地表出現(xiàn)最大下沉值，地面沉陷表現(xiàn)見圖3(b)。隨著工作面的繼續(xù)推進到達C點時，達到超充分采動程度，下沉曲線表現(xiàn)為C曲線，最大下沉值不再增大，地面沉陷出現(xiàn)穩(wěn)定的盆底，地面沉陷表現(xiàn)見圖3(c)。

圖2 開采位置與主斷面下沉曲線關系圖

圖3 地面沉陷過程圖

對地表沉陷面積與地下開采面積的比值進行計算，研究采用的是研究區(qū)域主要可采煤層的平均采厚2.9m，可以得到研究區(qū)域不同采深的單位面積開采引起地表沉陷面積的曲線圖，見圖4。據(jù)此可以分析不同采深、不同采動程度情況下，地下單位面積開采引起的地面沉陷面積之間的時空關系。

圖4 不同采深單位面積開采引起地表沉陷面積的曲線圖

在開采初期地表沉陷面積與開采面積比值較大，隨著開采的進行，比值明顯減小，曲線逐漸平緩，采空區(qū)達到一定規(guī)模后比值逐漸穩(wěn)定，單位面積開采引起的地表沉陷面積比值最后穩(wěn)定在1.2～1.6之間(采深300～700m)。通過對曲線分析可得到地表沉陷面積與煤炭產(chǎn)量之間的計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：a為地表沉陷面積(m2)；P為產(chǎn)量(t)；r為容重(t/m3)；m為所采煤層層厚(m)；H0為開采深度，此計算公式將10mm作為沉陷區(qū)邊界標準。

2.2 地面沉陷體積估算方法

根據(jù)體積守恒的思想[11]，地面沉陷盆地體積(容積)是采出煤巖的體積傳導到地表所致。在完全理想的狀態(tài)下體積守恒，地下采出單位體積為1的煤，傳導因子q=1，傳導至地表也會造成單位體積為1的地面沉陷。事實上，煤采出后形成的采空區(qū)上覆巖層存在冒落、裂縫以及離層等巖層移動現(xiàn)象，如圖5所示，煤采出后形成空間一部分留在巖體內部比如裂隙和離層中，一部分留在采空區(qū)巖石垮落、碎漲的空隙中，而絕大部分將傳導到地表引起地表下沉，以沉陷盆地的形式存在[12]。因此，導致體積傳導因子q<1，q即為下沉系數(shù)(q=W0/m)。

從上面的理論分析可知，在已知煤炭產(chǎn)量及該地區(qū)的下沉系數(shù)的情況下，可以估算地面沉陷體積，公式如式(2)所示。

圖5 采空區(qū)上覆巖層圖

(2)

式中：V為到達地表的沉陷體積(m3)；P為產(chǎn)量(t)；q為下沉系數(shù)；r為容重(t/m3)。

2.3 需沙量及引入水量計算方法

通過以上計算公式可得適宜充填的沉陷體積V，并且已知黃河下游區(qū)泥沙密度ρ情況下，可計算沉陷充填所需泥沙量M，公式如式(3)所示。

(3)

式中：M為充填所需泥沙量(t)；V為沉陷體積(m3)；ρ為黃河下游區(qū)泥沙密度(2.71 t/ m3)。

因為工程技術的原因，通過管道輸入的黃河泥沙是濕泥沙，所以在輸送黃河濕泥沙的同時也會引入大量黃河水，在已知長距離管道輸沙經(jīng)濟含沙量S后，可對引入水量進行計算。公式如式(4)所示。

(4)

式中：W為引入水量(t)；M為充填所需泥沙量(t)；S為長距離管道輸沙經(jīng)濟含沙量(500kg/m3)；ρ為黃河下游區(qū)泥沙密度(2.71 t/ m3)；ρs為水的密度(1t/ m3)。

3 采煤沉陷區(qū)需沙量計算

3.1 2009年底存量沉陷面積與體積結構分析

截至2009年底，濟寧市已累計生產(chǎn)原煤約10億t，通過對濟寧市境內的地質采礦條件及實測數(shù)據(jù)資料分析得到研究區(qū)主要可采煤層的平均采厚2.9m，平均采深在480m左右，容重為1.4t/m3[13-15]，下沉系數(shù)為0.8。將以上的數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)可得截止2009年底的沉陷面積為33990.15hm2和沉陷體積為5.71億m3。由于研究區(qū)域水系發(fā)達，部分采煤工作面被布置在湖泊水體下，采煤沉陷主要只造成湖泊深度的增加，沉陷面積增加可以忽略不計，在沉陷監(jiān)測中不能被發(fā)現(xiàn)，因而造成估算的沉陷面積與資料顯示有偏差。

通過數(shù)據(jù)分析可知水體下沉陷面積占到了總沉陷面積的31.1%，地表適宜充填的沉陷面積占到總面積的68.9%，因為沉陷面積和沉陷體積在位置和數(shù)量都存在對應與一致關系，可認為水體下沉陷面積的占比也適用于沉陷體積的占比，計算可得適宜充填的沉陷面積約為23432.5hm2，沉陷體積約為3.94億m3。

3.2 存量沉陷地復墾需沙量、引水量計算

通過對黃河干支流水文站的泥沙樣品進行測試，得到了黃河下游區(qū)泥沙密度為2.71 g/ cm3[16]。通過對研究區(qū)域截至2009年底的沉陷預計和適宜引黃充填的沉陷體積分析，對需沙量進行測算得到了研究區(qū)域總的需沙量測算結果。但由于引黃充填采用的是管道輸送，需經(jīng)過沉沙排水等過程，所以在輸送大量黃河泥沙的同時也會引入大量黃河水。長距離管道輸沙經(jīng)濟含沙量為400～600kg/m3，取平均500kg/m3。結合沉陷預計和需沙量測算結果，可得隨泥沙輸送而帶入到南四湖流域的黃河水量，如表1所示。

3.3 未來每年新增沉陷區(qū)泥沙復墾計算

研究區(qū)域2010年后每年煤炭產(chǎn)量在1億t左右，利用南四湖流域沉陷面積和沉陷體積的估算方法計算得到研究區(qū)域2010年以后每年新增需沙量及引入水量，見表2。

表1 存量沉陷區(qū)需沙量及引入水量測算表

表2 研究區(qū)域每年新增沉陷面積及體積表

4 結果分析

4.1 引沙量可行性分析

由表2可知適宜充填的沉陷體積2010年之后以0.39億m3/a的速度增加，考慮到原有沉陷盆地的存在，年均復墾需沙量只有在1.07億t/a以上時，才能對新產(chǎn)生沉陷區(qū)域全部實現(xiàn)復墾，并保證待墾沉陷區(qū)域不進一步擴大。

根據(jù)黃河下游利津水文站水文資料顯示1990～2000年間多年平均水量、沙量分別為122.8億m3，3.47億t[17]。截至20世紀末，黃河下游河段淤積累計量超過 55 億m3[18]。由此可以看出引黃復墾的年均引沙量是足夠的，且黃河下游存在大量的泥沙淤積，每年都投入大量人力與物力進行清淤，采沙可有效減少黃河泥沙淤積，能達到清淤效果，對于當?shù)氐狞S河治理也具有積極作用。

4.2 取水量可行性分析

由表2可知2010年以后隨黃河泥沙引入的水量年均在1.74億m3以上，根據(jù)1987年國務院批準的黃河可供水量分配方案，山東省許可取水指標為70億m3。1988～2000年間，山東省年均實際取水量為84億m3，已經(jīng)超出許可取水指標，2000年6月黃委開展了取水許可證換發(fā)工作，基本暫停了已沒有水量指標的省區(qū)新、改、擴建項目的取水許可審批[19]。可見引黃充填的取水指標的取得與協(xié)調是困難的，這將影響引黃復墾工程的有序開展。由于取水指標的制約短期內難以實現(xiàn)大規(guī)模引黃復墾，可考慮改進采沙設備及長距離管道輸送技術，提高管道輸送含沙量以減少黃河取水量。

4.3 排水量可行性分析

近五十年來，南四湖流域年均入湖徑流量為19.6億m3[20]，流域內人均水資源量不足300m3，其中人均地表水資源量僅128m3，按照國際人均水資源量不足500m3為嚴重缺水的控制線，屬于資源性嚴重缺水地區(qū)[21]。按照年均引入水量1.74億m3計算，引黃復墾的沉沙排水過程能有效的補充流域徑流量，對于緩解流域干旱是有積極作用的。

5 結論

1)根據(jù)實測資料及結合概率積分法理論模型，提出了利用研究區(qū)域煤炭產(chǎn)量估算沉陷面積和沉陷體積的方法。結合已有資料及沉陷估算，得到研究區(qū)域截至2009年底沉陷面積和體積，并對2010年以后每年新增沉陷面積和體積進行了估算。

2)根據(jù)沉陷面積及體積的估算結果，結合黃河下游泥沙密度及長距離管道輸沙經(jīng)濟含沙量等參數(shù)，測算得到每年新增沉陷體積約0.57億m3、引黃復墾所需泥沙量約1.07億t、伴隨黃河泥沙輸送引入的黃河水量約1.74億m3。

3)黃河下游泥沙淤積量滿足引沙量需要，隨泥沙引入而排出的水量可有效緩解地區(qū)干旱情況；取水量許可指標將成為引黃復墾工程的制約因素，可通過改進采沙設備及長距離管道輸送技術，提高管道輸送含沙量以減少黃河取水量。

4)在研究區(qū)域難以實現(xiàn)沉陷與復墾的動態(tài)平衡，引黃復墾工程作為一個多學科交叉的工程，尚有很多問題亟待解決。但通過本文的研究可為需沙量的計算、取水量許可指標的調度及復墾治理規(guī)劃、政策的制定提供參考的依據(jù)。

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Estimation and analyses of sediment demand in the reclamation with the Yellow River in the mining subsidence land of Nansihu Lake drainage area

HE Qiang，WU Kan，XU Dong,YAO dan-dan

(School of Environmental Science and Spatial Informatics,China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

With the purpose of measuring sediment demands of the reclamation project with the Yellow River in Nansihu Lake drainage area，this paper presents a method to evaluate subsidence area and volume by the coal production with the adoption of measured data as well as the probability integral method.It also estimates the stock subsidence areas and volumes by the end of 2009，calculates the sediment volumes in reclamation and water diversion volumes，and then analyzes the feasibility of the reclamation project.The research results showed that：①In the future，the annual newly-increased subsidence volume is about 57 million m3，the sediment demand about 107 million tons and the water diversion volume from the Yellow River about 174 million m3；②The reclamation project in the repair of subsidence land can at the same time effectively alleviate the drought，and the permission index of intake water quantity is the main restrictive factor；③Based on the the present velocity of subsidence，it is difficult to achieve a dynamic balance between subsidence and reclamation in the short term.The study of this paper can be used as references for the calculation of sediment，the management of intake water permission index，and the planning or policy-making of land reclamation.

Nansihu Lake drainage area；the Yellow River sediment reclamation；probability integral method；subsidence estimation；sediment measurement

2014-04-05

國家“十二五”科技支撐計劃課題資助(編號：2012BAC04B03)

何強(1991-)，四川宜賓人，碩士研究生，主要從事開采沉陷預計與復墾的研究。 E-mail：weheqiang@126.com。

TD88;TD82

A

1004-4051(2015)02-0067-05