引黃河泥沙充填煤礦采空區研究

李林筱

【摘?要】本論文以黃河附近某煤礦采空區為研究對象，運用概率積分法和地表移動與變形預計系統計算獲得地表移動變形預計結果，并對山東省全年煤炭開采塌陷量預計進行了模擬，得出預計結果。根據山東省煤炭分布和引黃河泥沙充填采空區的可行性分析，設計了引黃河泥沙充填煤礦采空區具體方案，提出了覆蓋省內主要采空區的引黃輸沙管網系統規劃，并對長距離輸沙管道進行優化。

【關鍵詞】煤炭開采塌陷量;黃河泥沙;煤礦采空區;方法研究

【Abstract】This paper takes the goaf of a coal mine near the Yellow River as the research object， and uses the probability integral method and the surface movement and deformation prediction system to calculate the predicted results of surface movement deformation， and simulates the annual coal mining subsidence in Shandong Province. Expected results. According to the feasibility analysis of the coal distribution in Shandong Province and the silt filling of the Yellow River， the specific scheme of the silt filling coal mine in the Yellow River was designed， and the Yellow River sediment transport network system covering the main goaf in the province was proposed. Planning and optimizing long-distance sediment transport pipelines.

【Key words】Coal mining subsidence;Yellow River sediment;Coal mine goaf;Method research

1. 引言

山東省煤炭資源豐富，主要集中在濟寧、棗莊、泰安、濟南、淄博、萊蕪、濰坊、煙臺、臨沂、菏澤10個重點產煤市、33個產煤縣（區）。目前我國因采礦業每年占用和破壞的土地高達3.4萬hm2 ，其中僅煤炭開采每年造成的地面塌陷就達3.0萬hm2 ?，累計已達50萬 hm2 。[1～2]山東省地處黃河流域下游，黃河流經省內菏澤、濟寧、泰安、聊城、德州、濟南、淄博、濱州、東營9地市后注入渤海，黃河是世界聞名的多泥沙河流，由于水少沙多，泥沙大量淤積，河道年均升高10厘米左右，導致河床高于地面，形成“地上懸河”，因此，多年來黃河下游河道的清淤固防問題尤為突出。從地理位置分布上，省內部分煤礦分布在黃河流域山東段距離黃河較近的區域內。所以，如果通過遠距離輸送技術將黃河泥沙輸送至采空區作為充填材料加以利用，不僅能夠解決煤礦采空區充填材料缺乏的問題，而且對解決黃河下游河道清淤固防問題有積極的作用。

2. 山東省全年煤炭開采塌陷量預計

2.1?本研究預計計算采用的是利用MATLAB自行開發的地表移動與變形預計系統軟件，本次預計選取A煤礦7800采區作為地表移動與變形預計區域，該采區位于山東省西北部齊河縣和東阿縣境內。

2.2?觀察地表下沉預計等高線圖，每個獨立矩形工作面開采造成的塌陷在地表近似為圓角矩形，因此，可以使用倒立方錐體對塌陷體進行近似，從而求得采空區域的體積。本次共有兩個工作面參與計算，為了使計算結果更精確，可將兩個工作面開采引起的地表塌陷體近似為兩個倒立的方椎體，分別計算其體積再求和。

2.3?為了求取兩個方椎體的底面積，可以采用如下方法：首先，求取地表下沉邊界線，即下沉值為0的等高線。可以使用程序自帶的自定義繪圖功能，在程序完成預計計算自動繪圖后設置繪圖起始值為0，繪圖步長和終止值可設置為任意值，重新繪制地表下沉預計等高線圖，就可以在圖中繪出下沉值為0的等高線。再預計結果轉化為CAD圖，選中下沉值為0的等高線，通過CAD查看該多段線屬性來分別獲得兩個方椎體的底面積。

2.4?方椎體的高為兩個方椎體區域范圍內的最大下沉值，可以通過預計軟件直接獲得，采用上述方法求得椎體1的底面積為2973452.679m2、高1191.14mm、體積1180599.47468802m3，椎體2的底面積為1311714.4902m2、高999mm、體積436800.9252366m3。將兩椎體體積相加，從而求得塌陷體總體積為1617400.39992462 m3。

2.5?查詢礦區統計資料可知，7800采區采煤量224.57萬噸，煤的密度按1300Kg/m3 計算，求得煤的總體積為：

從而求得出煤量與塌陷量之間的相關系數近似為：

2.6?由于整個山東省范圍相對較小，地質采礦條件相似，煤層深度和厚度差別不大，所以可以采用該采區求得的相關系數對整個山東省的年塌陷量進行估算，查閱相關統計資料可知，山東省全年的出煤量為1.5億噸左右，從而可用下式近似估算塌陷量：

2.7?由此可知，山東省全年因采煤造成的地表塌陷量約為1.08億立方米。

3. 引黃河泥沙充填煤礦采空區可行性分析

3.1?黃河流域山東段泥沙量預計。

前文預計得出山東省年采煤塌陷量約1.08億 ，而黃河山東段年輸沙量約0.5億 m3，即5000萬m3 ，假設將黃河年輸送泥沙全部用于充填采空區治理，按平均塌陷深度2.0m計算，每年可充填塌陷地2500hm2 ，如果采用工程技術將黃河河床多年淤沙進行抽取利用，可利用的泥沙量更多，不但解決黃河泥沙處理問題，還能夠緩解采空區充填材料來源不足問題。

3.2?引黃輸沙管網系統規劃。

3.2.1?沿黃河南北兩岸向三個方向沿省道、國道布設引黃輸沙管道系統主管道，可將泥沙漿輸送至省內各主要采煤區域，分別為：（1）黃河北方向;（2）濟南東、淄博方向;（3）菏澤、濟寧、棗莊方向。濟南東、淄博方向主管道可延長至濰坊地區;菏澤、濟寧、棗莊方向主管道可延長至臨沂地區。根據主管道走向，沿通向各礦區的道路兩側向各采空區布設加密管道，部分相鄰較近地區加密管道可實現串接聯通，形成覆蓋省內各煤礦采空區的引黃輸沙管網系統。加壓泵站可根據地形條件、輸沙距離等因素，在管道走向節點處進行設置。

3.2.2?為了實現將黃河泥沙輸送至距離較遠的采空區，需鋪設長距離輸沙管道，本著投入經費合理、治理效果良好的原則，通過對長距離輸沙管道進行優化設計。根據泥沙漿在起點的初始狀態（初始壓力、成分、流速等）及輸送到終點時的末狀態都已知，長距離輸沙管道系統的布局、泥沙輸出量和礦區對泥沙的需求量也已知，輸沙管道的優化設計，按年供沙量求解使總費用最小來進行，其中包含了管道投資及年運行費用。其約束條件包括反映管道長度和流量平衡的等式約束，及反映對泥沙漿初始壓力、輸送壓力和泵站壓比限制的不等式約束。

4. 引黃河泥沙充填煤礦采空區方法研究

引黃河泥沙充入采空區有兩種渠道：一、通過輸送管道或帶式輸送機將黃河泥沙充入采空區;二、通過地面打孔將黃河泥沙灌注入采空區。引黃河泥沙充入井下采空區后，利用膠結材料令其固結。引黃河泥沙充填采空區采用開放式充填方法，具體做法是：自工作面開始推進一段適當距離后，就可以充填井下采空區，伴隨采空區充填工作的進行，逐漸上升的充填材料將低于工作面位置水平以下的采空區充填密實，如果存在垮落矸石等，則一起固結起來，形成支撐好上覆巖層的充填體。本文提出引黃河泥沙充填煤礦采空區，通過輸送黃河泥沙至沉砂池，經排水、過濾脫水后，利用垂直充填系統輸送至井下工作面實施充填。

5. 結語

本文對引黃河泥沙充填采空區做了一些研究工作，但其規模巨大且情況復雜，還有許多問題需要進一步研究和解決。規劃的引黃輸沙管網系統是在理想狀態下提出的，實際操作中還要考慮地形起伏、分級布設、運行管理、經濟合理等因素，很有必要更具體的研究管網優化模型，為解決采空區治理問題提供理論依據。引黃輸沙充填實踐研究需進一步加強，特別是針對不同的開采條件，應加強對實施充填的方案、步驟及產生的效果等方面的研究。

參考文獻

[1]?付梅臣.煤礦區復墾農田景觀演變及其控制研究[D].北京：中國礦業大學，2004.

[2]?鄧曉梅.古冶區典型采煤塌陷地復墾設計研究[D].山東農業大學，2012.

[3]?黃河水利委員會，《黃河泥沙公報》[M]，黃河水利出版社，2017.

[文章編號]1619-2737（2019）02-25-119