引黄河泥沙充填煤矿采空区研究
李林筱
【摘?要】本论文以黄河附近某煤矿采空区为研究对象，运用概率积分法和地表移动与变形预计系统计算获得地表移动变形预计结果，并对山东省全年煤炭开采塌陷量预计进行了模拟，得出预计结果。根据山东省煤炭分布和引黄河泥沙充填采空区的可行性分析，设计了引黄河泥沙充填煤矿采空区具体方案，提出了覆盖省内主要采空区的引黄输沙管网系统规划，并对长距离输沙管道进行优化。
【关键词】煤炭开采塌陷量;黄河泥沙;煤矿采空区;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
山東省煤炭资源丰富，主要集中在济宁、枣庄、泰安、济南、淄博、莱芜、潍坊、烟台、临沂、菏泽10个重点产煤市、33个产煤县（区）。目前我国因采矿业每年占用和破坏的土地高达3.4万hm2 ，其中仅煤炭开采每年造成的地面塌陷就达3.0万hm2 ?，累计已达50万 hm2 。[1～2]山东省地处黄河流域下游，黄河流经省内菏泽、济宁、泰安、聊城、德州、济南、淄博、滨州、东营9地市后注入渤海，黄河是世界闻名的多泥沙河流，由于水少沙多，泥沙大量淤积，河道年均升高10厘米左右，导致河床高于地面，形成“地上悬河”，因此，多年来黄河下游河道的清淤固防问题尤为突出。从地理位置分布上，省内部分煤矿分布在黄河流域山东段距离黄河较近的区域内。所以，如果通过远距离输送技术将黄河泥沙输送至采空区作为充填材料加以利用，不仅能够解决煤矿采空区充填材料缺乏的问题，而且对解决黄河下游河道清淤固防问题有积极的作用。
2. 山东省全年煤炭开采塌陷量预计
2.1?本研究预计计算采用的是利用MATLAB自行开发的地表移动与变形预计系统软件，本次预计选取A煤矿7800采区作为地表移动与变形预计区域，该采区位于山东省西北部齐河县和东阿县境内。
2.2?观察地表下沉预计等高线图，每个独立矩形工作面开采造成的塌陷在地表近似为圆角矩形，因此，可以使用倒立方锥体对塌陷体进行近似，从而求得采空区域的体积。本次共有两个工作面参与计算，为了使计算结果更精确，可将两个工作面开采引起的地表塌陷体近似为两个倒立的方椎体，分别计算其体积再求和。
2.3?为了求取两个方椎体的底面积，可以采用如下方法：首先，求取地表下沉边界线，即下沉值为0的等高线。可以使用程序自带的自定义绘图功能，在程序完成预计计算自动绘图后设置绘图起始值为0，绘图步长和终止值可设置为任意值，重新绘制地表下沉预计等高线图，就可以在图中绘出下沉值为0的等高线。再预计结果转化为CAD图，选中下沉值为0的等高线，通过CAD查看该多段线属性来分别获得两个方椎体的底面积。
2.4?方椎体的高为两个方椎体区域范围内的最大下沉值，可以通过预计软件直接获得，采用上述方法求得椎体1的底面积为2973452.679m2、高1191.14mm、体积1180599.47468802m3，椎体2的底面积为1311714.4902m2、高999mm、体积436800.9252366m3。将两椎体体积相加，从而求得塌陷体总体积为1617400.39992462 m3。
2.5?查询矿区统计资料可知，7800采区采煤量224.57万吨，煤的密度按1300Kg/m3 计算，求得煤的总体积为：
从而求得出煤量与塌陷量之间的相关系数近似为：
2.6?由于整个山东省范围相对较小，地质采矿条件相似，煤层深度和厚度差别不大，所以可以采用该采区求得的相关系数对整个山东省的年塌陷量进行估算，查阅相关统计资料可知，山东省全年的出煤量为1.5亿吨左右，从而可用下式近似估算塌陷量：
2.7?由此可知，山东省全年因采煤造成的地表塌陷量约为1.08亿立方米。
3. 引黄河泥沙充填煤矿采空区可行性分析
3.1?黄河流域山东段泥沙量预计。
前文預计得出山东省年采煤塌陷量约1.08亿 ，而黄河山东段年输沙量约0.5亿 m3，即5000万m3 ，假设将黄河年输送泥沙全部用于充填采空区治理，按平均塌陷深度2.0m计算，每年可充填塌陷地2500hm2 ，如果采用工程技术将黄河河床多年淤沙进行抽取利用，可利用的泥沙量更多，不但解决黄河泥沙处理问题，还能够缓解采空区充填材料来源不足问题。
3.2?引黄输沙管网系统规划。
3.2.1?沿黄河南北两岸向三个方向沿省道、国道布设引黄输沙管道系统主管道，可将泥沙浆输送至省内各主要采煤区域，分别为：（1）黄河北方向;（2）济南东、淄博方向;（3）菏泽、济宁、枣庄方向。济南东、淄博方向主管道可延长至潍坊地区;菏泽、济宁、枣庄方向主管道可延长至临沂地区。根据主管道走向，沿通向各矿区的道路两侧向各采空区布设加密管道，部分相邻较近地区加密管道可实现串接联通，形成覆盖省内各煤矿采空区的引黄输沙管网系统。加压泵站可根据地形条件、输沙距离等因素，在管道走向节点处进行设置。
3.2.2?为了实现将黄河泥沙输送至距离较远的采空区，需铺设长距离输沙管道，本着投入经费合理、治理效果良好的原则，通过对长距离输沙管道进行优化设计。根据泥沙浆在起点的初始状态（初始压力、成分、流速等）及输送到终点时的末状态都已知，长距离输沙管道系统的布局、泥沙输出量和矿区对泥沙的需求量也已知，输沙管道的优化设计，按年供沙量求解使总费用最小来进行，其中包含了管道投资及年运行费用。其约束条件包括反映管道长度和流量平衡的等式约束，及反映对泥沙浆初始压力、输送压力和泵站压比限制的不等式约束。
4. 引黄河泥沙充填煤矿采空区方法研究
引黄河泥沙充入采空区有两种渠道：一、通过输送管道或带式输送机将黄河泥沙充入采空区;二、通过地面打孔将黄河泥沙灌注入采空区。引黄河泥沙充入井下采空区后，利用胶结材料令其固结。引黄河泥沙充填采空区采用开放式充填方法，具体做法是：自工作面开始推进一段适当距离后，就可以充填井下采空区，伴随采空区充填工作的进行，逐渐上升的充填材料将低于工作面位置水平以下的采空区充填密实，如果存在垮落矸石等，则一起固结起来，形成支撑好上覆岩层的充填体。本文提出引黄河泥沙充填煤矿采空区，通过输送黄河泥沙至沉砂池，经排水、过滤脱水后，利用垂直充填系统输送至井下工作面实施充填。
5. 结语
本文对引黄河泥沙充填采空区做了一些研究工作，但其规模巨大且情况复杂，还有许多问题需要进一步研究和解决。规划的引黄输沙管网系统是在理想状态下提出的，实际操作中还要考虑地形起伏、分级布设、运行管理、经济合理等因素，很有必要更具体的研究管网优化模型，为解决采空区治理问题提供理论依据。引黄输沙充填实践研究需进一步加强，特别是针对不同的开采条件，应加强对实施充填的方案、步骤及产生的效果等方面的研究。
参考文献
[1]?付梅臣.煤矿区复垦农田景观演变及其控制研究[D].北京：中国矿业大学，2004.
[2]?邓晓梅.古冶区典型采煤塌陷地复垦设计研究[D].山东农业大学，2012.
[3]?黄河水利委员会，《黄河泥沙公报》[M]，黄河水利出版社，2017.
[文章编号]1619-2737（2019）02-25-119
