刘桥矿二矿段采煤塌陷区治理工程设计

吴兴付，王志强，张品楠

（安徽省地质环境监测总站，安徽 合肥 230001）

引言

开发煤炭资源过程中产生的地面塌陷、地裂缝等环境负效应越来越受到重视，矿山环境地质问题层出不穷，严重威胁着矿区居民人民的生命财产安全［1］。为了改变刘桥二矿段采煤塌陷区的环境现状，对塌陷区进行治理工程设计是很有必要的。乔刚［2］等结合采煤塌陷区形成规模、发育特征，就采煤塌陷区是否容易形成积水的情况，总结出两种不同治理模式。刘飞［3］指出生态农业复垦技术是治理采煤塌陷区的有效措施。本文根据塌陷区的地表破坏情况，结合当地土地复垦规划，设计了整个治理工程。本次设计对其它相似条件的地区具有重要的参考意义。

1 研究区概况

刘桥矿主要开采4、6煤层，局部开采3煤层。矿区面积为14.2604km2。井田开拓方式为立井多水平开拓，采煤方法为走向长壁采煤法。刘桥矿采煤活动引起的采空塌陷区，地面一般下沉0.5－1.5m，局部达4m；现状下，地面标高一般为26－32m。治理区范围见图1。刘桥矿治理地块为刘桥矿二矿段采煤塌陷区，面积为76.1527ha，塌陷积水区面积22.9275ha。

图1 刘桥矿二矿段治理区范围

2 塌陷区治理工程设计标准

根据治理区所处的周边环境，本设计拟将该矿区塌陷区域恢复为农用地和养殖鱼塘，其中：农用地以耕地的标准进行设计，同时设计配套农田水利工程以及生产道路工程。

2.1 农用地标准

设计耕植土层厚度0.5m，田面坡度1／300－1／500，田面相对高差小于10cm。田块长150－200m，田块宽100－150m。边角地带随地形布局为不规则田块。共设计田块9个。设计地面标高＋31.45－＋31.56m。

2.2 道路工程标准

设计田间道标准为泥结碎石路面宽2m，碎石层厚度不小于0.5m；生产路线标准为泥结碎石路面宽4m，碎石厚度不小于0.5m。

2.3 农田水利工程标准

斗渠采用U60、农渠采用U40型断面，斗渠渠深0.6m，水深0.5m，壁厚0.06m；农渠渠深0.4m，水深0.3m，壁厚0.05m。斗沟采用梯形断面设计，斗沟渠深0.7m，底宽0.6m，水深0.6m，采用C15混凝土预制块护砌，壁厚0.1m；农狗渠宽0.6m，底宽0.5m，水深0.5m。

3 塌陷区治理工程设计

3.1 农用地工程设计

（1）土地平整布局

根据塌陷区矿山地质环境条件，治理区共划分为12个地块，其中农用地块9个，鱼塘3个。采用挖深垫浅的治理方法，对塌陷区进行恢复治理。土方在塌陷区进行内部平衡，即通过对恢复为养殖鱼塘的区域挖土，回填至恢复为耕地的区域，垫高该区域高程，并使该耕地区域与周边地形地势条件相符。

（2）土地平整工程量

a.土方的计算方法：土方采用散点法计算，首先根据各个田块现状高程点，初步拟定各田块设计高程，再按各现状高程点控制面积的权重，计算各田块的挖方、填方量，然后根据挖方量和填方量，对设计高程进行修正，修正后重新计算各部分土方量，汇总得田块的总土方量。各田块现状高程、设计高程、田块面积挖方、填方见表1。

表1 各田块挖、填方量明细表

b.计算结果分析：经统计，本工程挖方量为111.57万m3，填方量109.70万m3；根据表1可知，挖方量还余18659.3m3，总挖方大于填方量，满足土方回填。

3.2 农田水利工程

（1）灌溉工程布置

治理区灌溉水源主要是从各区域周边现有水渠引水。灌溉工程拟采用明渠地面灌溉方式。规划治理区灌排分斗、农两级。斗渠和斗沟采用灌排分设布置，根据治理区地形特点，采用灌排相邻布置形式。

根据治理区水源情况，规划治理区内新建斗渠2支，其中斗渠1与田间路平行，斗渠2沿王引河河岸修建。设计斗渠总长2296.9m。其中斗渠1长1343.5m，斗渠2长953.4m。

新建农渠8支，总长度为1508.8m，其中农渠1长459.3m，农渠2长170.6m，农渠3长105.6m，农渠4长169.8m，农渠5长101.6m，农渠6长161.0m，农渠7长140.5m，农渠8长200.4m。斗渠、农渠建造采用U型混凝土结构。

（2）灌溉渠道设计

刘桥矿区主要作物为小麦、大豆、玉米等旱作物。

a.设计灌水率：设计灌水率是单位灌溉面积上所需灌溉的净流量，根据用水高峰期作物灌溉制度和作物种植比例确定。计算公式如下：

q＝αm／8.64T，式中：q－灌水率，m3／s／万亩；α－各种作物种植面积占总面积的百分数；m－各种作物的各次灌水定额，m3／亩；T－各次灌水延续时间，以天计。

由于该治理区灌溉期以小麦种植为主，故采用小麦田灌溉定额作为计算依据。参考《安徽省行业用水标准》，小麦一次灌水定额，采用小麦返青时期最大一次灌水定额60m3／亩，一次灌水天数以8天计算，每天灌水时间，取24h。由此计算得灌水率为0.856m3／s／万亩。

b.渠道设计流量：灌溉渠道分斗、农两级，灌水方式均采用续灌。斗渠的设计流量采用以下公式计算：Q＝q×F／η，式中：Q－设计流量，m3／s；q－灌水率，m3／s／万亩；F－灌溉面积，万亩；η－渠道水利系数。

考虑到斗、农渠采用U型槽护砌，农渠水利用系数，取0.95，斗渠水利用系数取0.9。

各斗渠设计流量成果见表2。上式算得的流量是按渠道正常引水计算的。考虑到治理实施后在管理运用中可能出现规划设计未能预料的变化，如种植比例变化、稀遇的干旱气候和短时加大输水的要求等，计算渠道的加大流量。按下式计算：

由于各斗渠设计流量均小于1m3／s，故加大系数取30%，据此计算得各斗渠的加大流量。

c.渠道设计水位：设计灌溉渠道时，要使渠道断面能够通过设计流量，还要保证其水位满足自流灌溉的要求。渠道的水位控制，应各结合沿渠地形条件及灌溉田块高程进行。为了保证渠道所控制的灌溉面积都能进行自流灌溉，各级渠道在分水点处都具有足够的水位高程。斗渠进水口水位的控制高程，按下式计算：

式中H设－斗渠节点进水闸闸上设计水位，m；H0－渠道控制灌溉面积内参考点地面高程，m；Δh－灌水深度，取0.1m；l－渠道长度，m；i－渠道比降，取值1／2000；φ－水流通过渠系建筑物的水头损失，斗渠进水闸和农门进水口水头损失取0.1m，田间道和生产路桥取0.03m。各斗渠进口水闸设计水位见表2。

表2 斗渠设计流量、水位成果表

d.渠道设计：斗渠：灌溉渠道的设计包括渠道的纵横断面设计。根据工程规划区土地地面比降（沿渠线方向）较大的特点，为减少渠道工程量，斗渠比降同地面比降。灌溉斗渠采用预制砼U型槽护砌，其糙率n取为0.015，根据规划设计流量和拟定的比降，按设计水位采用合适的水深。各斗渠横断面积尺寸具体数值见表3。在两支斗渠的交汇处设置1座斗门，用于两渠的连通。

农渠：农渠采用预制砼U型槽护砌，其糙率n取为0.015，比降采用1／2000，设计流量0.001m3／s，设计水深0.3m，渠深0.4m，壁厚0.05m。

农渠的计算流量为0.08m3／s，按此断面复核，能满足排水流量0.001m3／s要求。每支农渠中间部位预留一农门缺口，用于田间的灌溉和排水。

（3）排水工程设计

治理区斗沟和农沟采用梯形断面设计。根据治理区地形、水系情况，结合灌溉工程布设。新建斗沟2支，总长度为2561.1m，其中斗沟1长1413.5m，斗沟2长1147.6m。斗沟每隔50m预留一毛门缺口，用于田间的灌溉和排水。新建农沟8支，总长度为1316.8m，其中农沟1长278.7m，农沟2长170.6m，

农沟3长196.0m，农沟4长99.4m，农沟5长169.9m，农沟6长99.1m，农沟7长158.9m，农沟8长144.2m。

a.设计排水流量：排水沟设计流量是确定排水沟断面和沟道上各种建筑规模的依据。本次排水沟设计排水流量以排涝流量控制，排涝流量参考《土地开发整理规范》，采用平均排除法设计排涝流量计算公式计算确定，其公式如下：

式中：Q涝——设计排涝流量，m3／s；q涝——设计排涝模数，m3／s／km2；

F——排水沟设计断面所控制的除涝排水面积，km2；

R ——设计净雨深，mm；α——径流系数，旱地α＝0.6；

P——设计暴雨量，一日暴雨量，P＝215.8mm；3日暴雨量，P＝267.2mm；

h1——田间允许滞蓄水深，旱地菜地0mm；

f——历时二天的水田渗漏量，取f＝6mm；

E——历时二天的水田蒸发量，E＝4mm；

t——排水历时，旱地t＝3天；

经计算，旱地的排涝模数为0.46m3／s／Km2。

b.排水沟设计：斗沟：为减少斗沟的开挖量和占地面积，斗沟比降取地面比降基本相同，斗沟采用梯形断面型式，边坡取为1∶1，通过不同的b和h试算，并控制沟内水流流速满足渠道的不冲和不淤流速要求，确定各斗沟的断面尺寸，采用的公式同斗渠的计算公式。结合治理区实际情况，该矿塌陷区相邻较近，且处于淮北平原地区，地面高程相差很小，因此设计斗沟统一设计为底宽0.6m，沟深0.7m，设计水深0.5m，壁厚0.1m，底板0.1m，比降1∶1000，经计算，设计排涝流量为0.49m3／s。

农沟：新建农沟采用梯形断面型式，边坡取为1∶1，比降为1／2000，通过不同的沟深和水深试算，并考虑控制地下水位要求，最终确定农沟底宽采用0.4m，沟深0.48m，水深0.28m。

农涵是为田间道，生产路跨斗渠、农渠、斗沟、农沟而设，因此将农涵分为田间道穿斗渠涵管（涵A）、生产路穿斗渠涵管（涵B）、田间道穿斗沟涵管（涵C）、生产路穿斗沟涵管（涵D）、田间道穿农沟涵管（涵E）、生产路穿农沟涵管（涵F）、田间道穿农渠涵管（涵G）、生产路穿农渠涵管（涵H）共8种形式。涵洞均设计为钢筋混凝土园管涵。具体各农涵设计见该型号农涵设计单体图。

治理区共新建农涵9座，其中涵B为3座、涵C为1座、涵D为2座、涵G为2座、涵H为1座。

3.3 生产道路工程

（1）工程布置

根据《土地开发整理标准》，本治理区内道路分4m宽田间道和2m宽生产路2种规格。田间道沿斗渠一侧布置，生产路沿农渠一侧布置。田间道路面宽4.0m，生产路路面宽2.0m。4m宽田间道共1条为南东－北西向，总长1054.5m，主要用于村与村之间的连接。2m宽生产路5条，共1488.9m。田间道、生产路全部为新建。

（2）工程设计

a.田间道：田间道沿斗渠平行布置。田间道总长1054.5m，碎石路面宽4m，两侧路肩各宽0.355m，路面高程高出地面0.355m，两侧边坡为1∶1。田间道采用泥结碎石路面，泥结碎石路面厚0.15m，上铺0.03m粗砂面层，路面下为碎石基层，厚0.15m，素土路基应分层压实，压实度不小于0.93。

b.生产路：生产路沿农渠平行布置，宽2m的生产路共5条，总长1488.9m。生产路采用泥结碎石路面，泥结碎石路面厚0.1m。路面高出地面0.213m，两侧边坡为1∶1，路基应压实，压实度不小于0.93。

4 结语

根据农用地标准、生产道路工程标准和农田水利标准，对塌陷区治理工程进行了工程设计，主要设计如下：

（1）采用挖深垫浅的方法，对塌陷区农用地进行了恢复治理。本工程挖方量剩余18659.3m3，满足土方回填；

（2）根据水源情况设计了斗渠2支，农渠8支。该治理区灌水率为0.856m3／s／万亩，渠道设计最大流量为0.091m／s，斗渠1和斗渠2的渠道设计水位分别为32.18m和32.04m，旱地的排涝模数为0.46m3／s／km2。

（3）治理区内道路分为4m宽田间道和2m宽生产路2种规格，田间道沿斗渠一侧布置，生产路岩农渠一侧布置，田间道总长为1054.5m，碎石路面宽4m，两侧路肩0.355m，路面高程高出地面0.355m，两侧边坡为1∶1。生产线路总长1488.9m，路面高出地面0.213m，两侧边坡为1∶1，路基应压实，压实度不小于0.93。

［1］ 武强，陈奇.矿山环境问题诱发的综合环境效应［J］.水文地质工程地质，2008，35（5）：81－85.

［2］ 乔冈，徐友宁，何芳，等.采煤塌陷区矿山地质环境治理模式［J］.中国矿业，2012，21（11）：55－58.

［3］ 刘飞，陆林.淮北市洪庄村采煤塌陷区生态农业系统优化研究［J］.安徽师范大学学报（自然科学版），2013，36（3）：263－267.