劉橋礦二礦段采煤塌陷區(qū)治理工程設(shè)計(jì)

吳興付，王志強(qiáng)，張品楠

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽 合肥 230001）

引言

開(kāi)發(fā)煤炭資源過(guò)程中產(chǎn)生的地面塌陷、地裂縫等環(huán)境負(fù)效應(yīng)越來(lái)越受到重視，礦山環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題層出不窮，嚴(yán)重威脅著礦區(qū)居民人民的生命財(cái)產(chǎn)安全［1］。為了改變劉橋二礦段采煤塌陷區(qū)的環(huán)境現(xiàn)狀，對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行治理工程設(shè)計(jì)是很有必要的。喬剛［2］等結(jié)合采煤塌陷區(qū)形成規(guī)模、發(fā)育特征，就采煤塌陷區(qū)是否容易形成積水的情況，總結(jié)出兩種不同治理模式。劉飛［3］指出生態(tài)農(nóng)業(yè)復(fù)墾技術(shù)是治理采煤塌陷區(qū)的有效措施。本文根據(jù)塌陷區(qū)的地表破壞情況，結(jié)合當(dāng)?shù)赝恋貜?fù)墾規(guī)劃，設(shè)計(jì)了整個(gè)治理工程。本次設(shè)計(jì)對(duì)其它相似條件的地區(qū)具有重要的參考意義。

1 研究區(qū)概況

劉橋礦主要開(kāi)采4、6煤層，局部開(kāi)采3煤層。礦區(qū)面積為14.2604km2。井田開(kāi)拓方式為立井多水平開(kāi)拓，采煤方法為走向長(zhǎng)壁采煤法。劉橋礦采煤活動(dòng)引起的采空塌陷區(qū)，地面一般下沉0.5－1.5m，局部達(dá)4m；現(xiàn)狀下，地面標(biāo)高一般為26－32m。治理區(qū)范圍見(jiàn)圖1。劉橋礦治理地塊為劉橋礦二礦段采煤塌陷區(qū)，面積為76.1527ha，塌陷積水區(qū)面積22.9275ha。

圖1 劉橋礦二礦段治理區(qū)范圍

2 塌陷區(qū)治理工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)治理區(qū)所處的周邊環(huán)境，本設(shè)計(jì)擬將該礦區(qū)塌陷區(qū)域恢復(fù)為農(nóng)用地和養(yǎng)殖魚(yú)塘，其中：農(nóng)用地以耕地的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)配套農(nóng)田水利工程以及生產(chǎn)道路工程。

2.1 農(nóng)用地標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)耕植土層厚度0.5m，田面坡度1／300－1／500，田面相對(duì)高差小于10cm。田塊長(zhǎng)150－200m，田塊寬100－150m。邊角地帶隨地形布局為不規(guī)則田塊。共設(shè)計(jì)田塊9個(gè)。設(shè)計(jì)地面標(biāo)高＋31.45－＋31.56m。

2.2 道路工程標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)田間道標(biāo)準(zhǔn)為泥結(jié)碎石路面寬2m，碎石層厚度不小于0.5m；生產(chǎn)路線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)為泥結(jié)碎石路面寬4m，碎石厚度不小于0.5m。

2.3 農(nóng)田水利工程標(biāo)準(zhǔn)

斗渠采用U60、農(nóng)渠采用U40型斷面，斗渠渠深0.6m，水深0.5m，壁厚0.06m；農(nóng)渠渠深0.4m，水深0.3m，壁厚0.05m。斗溝采用梯形斷面設(shè)計(jì)，斗溝渠深0.7m，底寬0.6m，水深0.6m，采用C15混凝土預(yù)制塊護(hù)砌，壁厚0.1m；農(nóng)狗渠寬0.6m，底寬0.5m，水深0.5m。

3 塌陷區(qū)治理工程設(shè)計(jì)

3.1 農(nóng)用地工程設(shè)計(jì)

（1）土地平整布局

根據(jù)塌陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境條件，治理區(qū)共劃分為12個(gè)地塊，其中農(nóng)用地塊9個(gè)，魚(yú)塘3個(gè)。采用挖深墊淺的治理方法，對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行恢復(fù)治理。土方在塌陷區(qū)進(jìn)行內(nèi)部平衡，即通過(guò)對(duì)恢復(fù)為養(yǎng)殖魚(yú)塘的區(qū)域挖土，回填至恢復(fù)為耕地的區(qū)域，墊高該區(qū)域高程，并使該耕地區(qū)域與周邊地形地勢(shì)條件相符。

（2）土地平整工程量

a.土方的計(jì)算方法：土方采用散點(diǎn)法計(jì)算，首先根據(jù)各個(gè)田塊現(xiàn)狀高程點(diǎn)，初步擬定各田塊設(shè)計(jì)高程，再按各現(xiàn)狀高程點(diǎn)控制面積的權(quán)重，計(jì)算各田塊的挖方、填方量，然后根據(jù)挖方量和填方量，對(duì)設(shè)計(jì)高程進(jìn)行修正，修正后重新計(jì)算各部分土方量，匯總得田塊的總土方量。各田塊現(xiàn)狀高程、設(shè)計(jì)高程、田塊面積挖方、填方見(jiàn)表1。

表1 各田塊挖、填方量明細(xì)表

b.計(jì)算結(jié)果分析：經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本工程挖方量為111.57萬(wàn)m3，填方量109.70萬(wàn)m3；根據(jù)表1可知，挖方量還余18659.3m3，總挖方大于填方量，滿(mǎn)足土方回填。

3.2 農(nóng)田水利工程

（1）灌溉工程布置

治理區(qū)灌溉水源主要是從各區(qū)域周邊現(xiàn)有水渠引水。灌溉工程擬采用明渠地面灌溉方式。規(guī)劃治理區(qū)灌排分斗、農(nóng)兩級(jí)。斗渠和斗溝采用灌排分設(shè)布置，根據(jù)治理區(qū)地形特點(diǎn)，采用灌排相鄰布置形式。

根據(jù)治理區(qū)水源情況，規(guī)劃治理區(qū)內(nèi)新建斗渠2支，其中斗渠1與田間路平行，斗渠2沿王引河河岸修建。設(shè)計(jì)斗渠總長(zhǎng)2296.9m。其中斗渠1長(zhǎng)1343.5m，斗渠2長(zhǎng)953.4m。

新建農(nóng)渠8支，總長(zhǎng)度為1508.8m，其中農(nóng)渠1長(zhǎng)459.3m，農(nóng)渠2長(zhǎng)170.6m，農(nóng)渠3長(zhǎng)105.6m，農(nóng)渠4長(zhǎng)169.8m，農(nóng)渠5長(zhǎng)101.6m，農(nóng)渠6長(zhǎng)161.0m，農(nóng)渠7長(zhǎng)140.5m，農(nóng)渠8長(zhǎng)200.4m。斗渠、農(nóng)渠建造采用U型混凝土結(jié)構(gòu)。

（2）灌溉渠道設(shè)計(jì)

劉橋礦區(qū)主要作物為小麥、大豆、玉米等旱作物。

a.設(shè)計(jì)灌水率：設(shè)計(jì)灌水率是單位灌溉面積上所需灌溉的凈流量，根據(jù)用水高峰期作物灌溉制度和作物種植比例確定。計(jì)算公式如下：

q＝αm／8.64T，式中：q－灌水率，m3／s／萬(wàn)畝；α－各種作物種植面積占總面積的百分?jǐn)?shù)；m－各種作物的各次灌水定額，m3／畝；T－各次灌水延續(xù)時(shí)間，以天計(jì)。

由于該治理區(qū)灌溉期以小麥種植為主，故采用小麥田灌溉定額作為計(jì)算依據(jù)。參考《安徽省行業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)》，小麥一次灌水定額，采用小麥返青時(shí)期最大一次灌水定額60m3／畝，一次灌水天數(shù)以8天計(jì)算，每天灌水時(shí)間，取24h。由此計(jì)算得灌水率為0.856m3／s／萬(wàn)畝。

b.渠道設(shè)計(jì)流量：灌溉渠道分斗、農(nóng)兩級(jí)，灌水方式均采用續(xù)灌。斗渠的設(shè)計(jì)流量采用以下公式計(jì)算：Q＝q×F／η，式中：Q－設(shè)計(jì)流量，m3／s；q－灌水率，m3／s／萬(wàn)畝；F－灌溉面積，萬(wàn)畝；η－渠道水利系數(shù)。

考慮到斗、農(nóng)渠采用U型槽護(hù)砌，農(nóng)渠水利用系數(shù)，取0.95，斗渠水利用系數(shù)取0.9。

各斗渠設(shè)計(jì)流量成果見(jiàn)表2。上式算得的流量是按渠道正常引水計(jì)算的?？紤]到治理實(shí)施后在管理運(yùn)用中可能出現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)未能預(yù)料的變化，如種植比例變化、稀遇的干旱氣候和短時(shí)加大輸水的要求等，計(jì)算渠道的加大流量。按下式計(jì)算：

由于各斗渠設(shè)計(jì)流量均小于1m3／s，故加大系數(shù)取30%，據(jù)此計(jì)算得各斗渠的加大流量。

c.渠道設(shè)計(jì)水位：設(shè)計(jì)灌溉渠道時(shí)，要使渠道斷面能夠通過(guò)設(shè)計(jì)流量，還要保證其水位滿(mǎn)足自流灌溉的要求。渠道的水位控制，應(yīng)各結(jié)合沿渠地形條件及灌溉田塊高程進(jìn)行。為了保證渠道所控制的灌溉面積都能進(jìn)行自流灌溉，各級(jí)渠道在分水點(diǎn)處都具有足夠的水位高程。斗渠進(jìn)水口水位的控制高程，按下式計(jì)算：

式中H設(shè)－斗渠節(jié)點(diǎn)進(jìn)水閘閘上設(shè)計(jì)水位，m；H0－渠道控制灌溉面積內(nèi)參考點(diǎn)地面高程，m；Δh－灌水深度，取0.1m；l－渠道長(zhǎng)度，m；i－渠道比降，取值1／2000；φ－水流通過(guò)渠系建筑物的水頭損失，斗渠進(jìn)水閘和農(nóng)門(mén)進(jìn)水口水頭損失取0.1m，田間道和生產(chǎn)路橋取0.03m。各斗渠進(jìn)口水閘設(shè)計(jì)水位見(jiàn)表2。

表2 斗渠設(shè)計(jì)流量、水位成果表

d.渠道設(shè)計(jì)：斗渠：灌溉渠道的設(shè)計(jì)包括渠道的縱橫斷面設(shè)計(jì)。根據(jù)工程規(guī)劃區(qū)土地地面比降（沿渠線(xiàn)方向）較大的特點(diǎn)，為減少渠道工程量，斗渠比降同地面比降。灌溉斗渠采用預(yù)制砼U型槽護(hù)砌，其糙率n取為0.015，根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)流量和擬定的比降，按設(shè)計(jì)水位采用合適的水深。各斗渠橫斷面積尺寸具體數(shù)值見(jiàn)表3。在兩支斗渠的交匯處設(shè)置1座斗門(mén)，用于兩渠的連通。

農(nóng)渠：農(nóng)渠采用預(yù)制砼U型槽護(hù)砌，其糙率n取為0.015，比降采用1／2000，設(shè)計(jì)流量0.001m3／s，設(shè)計(jì)水深0.3m，渠深0.4m，壁厚0.05m。

農(nóng)渠的計(jì)算流量為0.08m3／s，按此斷面復(fù)核，能滿(mǎn)足排水流量0.001m3／s要求。每支農(nóng)渠中間部位預(yù)留一農(nóng)門(mén)缺口，用于田間的灌溉和排水。

（3）排水工程設(shè)計(jì)

治理區(qū)斗溝和農(nóng)溝采用梯形斷面設(shè)計(jì)。根據(jù)治理區(qū)地形、水系情況，結(jié)合灌溉工程布設(shè)。新建斗溝2支，總長(zhǎng)度為2561.1m，其中斗溝1長(zhǎng)1413.5m，斗溝2長(zhǎng)1147.6m。斗溝每隔50m預(yù)留一毛門(mén)缺口，用于田間的灌溉和排水。新建農(nóng)溝8支，總長(zhǎng)度為1316.8m，其中農(nóng)溝1長(zhǎng)278.7m，農(nóng)溝2長(zhǎng)170.6m，

農(nóng)溝3長(zhǎng)196.0m，農(nóng)溝4長(zhǎng)99.4m，農(nóng)溝5長(zhǎng)169.9m，農(nóng)溝6長(zhǎng)99.1m，農(nóng)溝7長(zhǎng)158.9m，農(nóng)溝8長(zhǎng)144.2m。

a.設(shè)計(jì)排水流量：排水溝設(shè)計(jì)流量是確定排水溝斷面和溝道上各種建筑規(guī)模的依據(jù)。本次排水溝設(shè)計(jì)排水流量以排澇流量控制，排澇流量參考《土地開(kāi)發(fā)整理規(guī)范》，采用平均排除法設(shè)計(jì)排澇流量計(jì)算公式計(jì)算確定，其公式如下：

式中：Q澇——設(shè)計(jì)排澇流量，m3／s；q澇——設(shè)計(jì)排澇模數(shù)，m3／s／km2；

F——排水溝設(shè)計(jì)斷面所控制的除澇排水面積，km2；

R ——設(shè)計(jì)凈雨深，mm；α——徑流系數(shù)，旱地α＝0.6；

P——設(shè)計(jì)暴雨量，一日暴雨量，P＝215.8mm；3日暴雨量，P＝267.2mm；

h1——田間允許滯蓄水深，旱地菜地0mm；

f——?dú)v時(shí)二天的水田滲漏量，取f＝6mm；

E——?dú)v時(shí)二天的水田蒸發(fā)量，E＝4mm；

t——排水歷時(shí)，旱地t＝3天；

經(jīng)計(jì)算，旱地的排澇模數(shù)為0.46m3／s／Km2。

b.排水溝設(shè)計(jì)：斗溝：為減少斗溝的開(kāi)挖量和占地面積，斗溝比降取地面比降基本相同，斗溝采用梯形斷面型式，邊坡取為1∶1，通過(guò)不同的b和h試算，并控制溝內(nèi)水流流速滿(mǎn)足渠道的不沖和不淤流速要求，確定各斗溝的斷面尺寸，采用的公式同斗渠的計(jì)算公式。結(jié)合治理區(qū)實(shí)際情況，該礦塌陷區(qū)相鄰較近，且處于淮北平原地區(qū)，地面高程相差很小，因此設(shè)計(jì)斗溝統(tǒng)一設(shè)計(jì)為底寬0.6m，溝深0.7m，設(shè)計(jì)水深0.5m，壁厚0.1m，底板0.1m，比降1∶1000，經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)排澇流量為0.49m3／s。

農(nóng)溝：新建農(nóng)溝采用梯形斷面型式，邊坡取為1∶1，比降為1／2000，通過(guò)不同的溝深和水深試算，并考慮控制地下水位要求，最終確定農(nóng)溝底寬采用0.4m，溝深0.48m，水深0.28m。

農(nóng)涵是為田間道，生產(chǎn)路跨斗渠、農(nóng)渠、斗溝、農(nóng)溝而設(shè)，因此將農(nóng)涵分為田間道穿斗渠涵管（涵A）、生產(chǎn)路穿斗渠涵管（涵B）、田間道穿斗溝涵管（涵C）、生產(chǎn)路穿斗溝涵管（涵D）、田間道穿農(nóng)溝涵管（涵E）、生產(chǎn)路穿農(nóng)溝涵管（涵F）、田間道穿農(nóng)渠涵管（涵G）、生產(chǎn)路穿農(nóng)渠涵管（涵H）共8種形式。涵洞均設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土園管涵。具體各農(nóng)涵設(shè)計(jì)見(jiàn)該型號(hào)農(nóng)涵設(shè)計(jì)單體圖。

治理區(qū)共新建農(nóng)涵9座，其中涵B為3座、涵C為1座、涵D為2座、涵G為2座、涵H為1座。

3.3 生產(chǎn)道路工程

（1）工程布置

根據(jù)《土地開(kāi)發(fā)整理標(biāo)準(zhǔn)》，本治理區(qū)內(nèi)道路分4m寬田間道和2m寬生產(chǎn)路2種規(guī)格。田間道沿斗渠一側(cè)布置，生產(chǎn)路沿農(nóng)渠一側(cè)布置。田間道路面寬4.0m，生產(chǎn)路路面寬2.0m。4m寬田間道共1條為南東－北西向，總長(zhǎng)1054.5m，主要用于村與村之間的連接。2m寬生產(chǎn)路5條，共1488.9m。田間道、生產(chǎn)路全部為新建。

（2）工程設(shè)計(jì)

a.田間道：田間道沿斗渠平行布置。田間道總長(zhǎng)1054.5m，碎石路面寬4m，兩側(cè)路肩各寬0.355m，路面高程高出地面0.355m，兩側(cè)邊坡為1∶1。田間道采用泥結(jié)碎石路面，泥結(jié)碎石路面厚0.15m，上鋪0.03m粗砂面層，路面下為碎石基層，厚0.15m，素土路基應(yīng)分層壓實(shí)，壓實(shí)度不小于0.93。

b.生產(chǎn)路：生產(chǎn)路沿農(nóng)渠平行布置，寬2m的生產(chǎn)路共5條，總長(zhǎng)1488.9m。生產(chǎn)路采用泥結(jié)碎石路面，泥結(jié)碎石路面厚0.1m。路面高出地面0.213m，兩側(cè)邊坡為1∶1，路基應(yīng)壓實(shí)，壓實(shí)度不小于0.93。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)農(nóng)用地標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)道路工程標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)田水利標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)塌陷區(qū)治理工程進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)如下：

（1）采用挖深墊淺的方法，對(duì)塌陷區(qū)農(nóng)用地進(jìn)行了恢復(fù)治理。本工程挖方量剩余18659.3m3，滿(mǎn)足土方回填；

（2）根據(jù)水源情況設(shè)計(jì)了斗渠2支，農(nóng)渠8支。該治理區(qū)灌水率為0.856m3／s／萬(wàn)畝，渠道設(shè)計(jì)最大流量為0.091m／s，斗渠1和斗渠2的渠道設(shè)計(jì)水位分別為32.18m和32.04m，旱地的排澇模數(shù)為0.46m3／s／km2。

（3）治理區(qū)內(nèi)道路分為4m寬田間道和2m寬生產(chǎn)路2種規(guī)格，田間道沿斗渠一側(cè)布置，生產(chǎn)路巖農(nóng)渠一側(cè)布置，田間道總長(zhǎng)為1054.5m，碎石路面寬4m，兩側(cè)路肩0.355m，路面高程高出地面0.355m，兩側(cè)邊坡為1∶1。生產(chǎn)線(xiàn)路總長(zhǎng)1488.9m，路面高出地面0.213m，兩側(cè)邊坡為1∶1，路基應(yīng)壓實(shí)，壓實(shí)度不小于0.93。

［1］ 武強(qiáng)，陳奇.礦山環(huán)境問(wèn)題誘發(fā)的綜合環(huán)境效應(yīng)［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008，35（5）：81－85.

［2］ 喬岡，徐友寧，何芳，等.采煤塌陷區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理模式［J］.中國(guó)礦業(yè)，2012，21（11）：55－58.

［3］ 劉飛，陸林.淮北市洪莊村采煤塌陷區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化研究［J］.安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，36（3）：263－267.