井工煤矿开采对坡面形态及侵蚀的影响研究

柳 宁，赵晓光，周文富，袁治程

(西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

煤炭作为我国重要的不可再生能源，促进了我国的经济发展，同时也给矿区的生态环境造成了严重的影响，水土流失是公认的头号矿区生态环境问题[1，2]。我国煤炭资源埋深较深，因此井工开采成为了主要的开采方式；井下采煤必定会引起大规模的围岩移动，这种移动会随着采煤的推进分层向地表传递[3]，导致地表形态(坡度、坡长)发生改变，最终造成土壤理化性质改变，地表植被破坏等生态环境问题，为水土流失提供了有利条件。研究者对井下采煤对地表形态的影响进行了大量的研究，张勇、宋世杰[4，5]等通过数值模拟的方法研究了采深、采厚、地表自然坡度、岩土比等影响因素对采煤沉陷区坡面形态的影响，并且从井下与地表相结合的新视角研究了上述因素对坡面侵蚀的影响。余学义[6]等通过在亭南煤矿开采区域地表布设监测点的方法研究了巨厚黄土层宽条带开采地表移动规律，运用概率积分和威尔逊理论得出了合理的条带开采参数。矿区水土流失是国内外研究者研究的热点问题之一。目前，国内外学者以地表外营力为研究对象，对煤炭开采造成的水土流失问题进行深入研究，陈思旭[7]等基于GIS技术和RUSLE模型对南方丘陵地区的土壤侵蚀状况进行了定量研究，分析了土壤侵蚀空间分布特征以及与坡度、海拔间的关系；白中科[8]等采用RS、GIS技术，研究了山西大同塔山矿采煤沉陷引发的土壤侵蚀和土地利用的变化，研究发现采煤使地表形态发生改变，土壤侵蚀量增加，耕作面积减小，土地利用率降低。这些研究都是基于地表外营力展开的，但是煤矿区水土流失不仅受到地表外营力的影响，同时也受到井下采动的影响。

在研究过程中笔者发现地表松散层厚度对采煤沉陷区坡面形态及侵蚀会产生明显的影响，但这方面的研究较少，并且研究者在研究过程中为了方便将现实不规则坡简化为直线坡来进行研究。基于此，笔者利用FLAC3D数值模拟软件以不规则坡面为例，从井下与地表相结合的视角对黄土层厚度对坡面形态及土壤侵蚀的影响进行了研究，以期为煤矿区土壤侵蚀治理提供借鉴。

1 研究区概况

本文选择位于陕西省咸阳市西北部彬长矿区的大佛寺煤矿作为研究对象，矿区地处咸阳市彬县与长武县交界处，距彬县县城12km。地理坐标：东经107°49′40″—108°01′00″，北纬35°00′00″—35°05′00″。大佛寺井田面积为86.3km2，煤矿主要含煤地层为延安组，4#煤为该组主采煤层，地层倾角很小，大部分在3°～5°之间，开采条件优越，其平均厚度为11.5m，采深为400～600m，采厚介于2.8～12.5m，工作面宽度一般为200～220m，年推进距离为1～2km，矿井采用综采放顶煤方法，顶板管理办法采用全部垮落法。

大佛寺煤矿属于黄土高原丘陵沟壑区，地形较为破碎，植被覆盖率不足30%，年降雨量为500～600mm，多集中在7、8、9月，雨季水土流失较为严重；土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主，风力和重力侵蚀为辅，年平均土壤侵蚀模数为3367t/(km2·a)，平均冲刷深度为23mm，属于国家及省级水土流失重点治理区。

2 FLAC3D数值模型构建

煤矿开采属于非线性大变形问题[9]，因此本文选用FLAC3D数值模拟软件对采煤引起的地表变形进行仿真模拟计算，它在处理非线性大变形问题上具有一定的优越性。FLAC3D是以有限差分原理对土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动。以大佛寺煤矿某钻孔柱状图信息为基础构建FLAC3D数值模型。

2.1 地表形态设计

大佛寺煤矿地形破碎，根据现实地表形态将所模拟地表划分为：凹坡、凸坡、混合坡、直线坡四类坡型，这四类可以基本涵盖现实中的所有地表形态；地表形态如图1所示。

图1 地表形态示意图

2.2 土层厚度设计

大佛寺煤矿主采煤层(4#)埋深在400m以上，为了研究土层厚度对于沉陷区坡面形态及土壤侵蚀的影响，在固定采深500m、坡度30°、顺坡开采的条件下，通过改变岩层厚度来调整土层厚度，将土层厚度划分为50m、100m、150m、200m、250m五个等级，最终建立20个数值模型。

2.3 4#煤层上覆岩层设计

本文采用大佛寺某钻孔柱状图地层信息为基础来构建本次模型的上覆岩层结构，为方便计算，建模时对地层按其力学性质特点进行了一定合并，最终4#煤层上覆岩层共24层(为包含煤层和底板)，岩层主要类型为：砂质泥岩、砂岩(粗、中、细)、砾岩、黄土。各岩层物理力学性质见表1。

表1 模型主要岩层及岩性参数

2.4 模型构建

4#煤层平均采深为500m，采厚9m，年推进距离600m，工作面宽度200m，地表坡度为30°，即X=600m，Y=200m，Z=500，X轴方向为本次主观测方向，由于该矿区地层倾角很小，因此地层倾角设置为0°；模形X方向两个边界面和Y轴两个边界面设为单约束边界，Z轴方向底边界面为全约束边界，上边界设定为自由边界，利用以上几何参数及上所述地表形态和4#煤层上覆岩层结构，以黄土层厚度和坡型为变量构建5组20个数值模型，FLAC3D三维地质模型如图2所示。为了方便分析主断面的计算结果，在Y=100m处沿X方向在地表均匀设置24个监测点，如图3所示。

图2 三维地质模型

图3 监测点布设图

3 黄土层厚度对坡面形态的影响

通过对上述20个模型的数值模拟实验，井下采动推进至500m时，达到充分采动，此时停止采煤。运用hist write命令流提取上述24个监测点的X、Y方向的位移数据，对数据进行汇总计算，得到固定采深和坡度的条件下，黄土层厚度与坡型变化量的关系。井下采动后地表移动变形结果见表2。

3.1 黄土层厚度对坡度的影响分析

基于提取的坡面24个监测点的X、Y方向的位移数据，整理计算得到不同坡型下黄土层厚度与坡度变化量的关系，如图4所示。

当坡度为30°、顺坡开采时，4种坡型条件下，井下采动都会引起地表坡度增加，但随着黄土层厚度的增加，坡度增大幅度呈现减小的趋势，黄土层厚度小于100m时，坡度增大幅度较黄土层厚度大于100m时的大。例如，坡型为水平坡时，随着黄土层厚度从50m增加到100m，坡度增加量减小了0.68°，但随着黄土层厚度从100m增加到250m，黄土层厚度增加了150m，坡度增加量仅减小了0.65°，这说明黄土层厚度大于100m时，有减小井下采动对地表坡度的干扰。不同坡型坡度增大量由大到小的排序为：水平坡、凸坡、凹坡、混合坡。例如，随着黄土层厚度从50m增加到250m，直线坡度增加量减小了1.33°，混合坡坡度坡度增加量减小了0.82°，前者是后者的1.6倍，这说明增大黄土层厚度对控制井下采动对直线坡坡度的影响更加有效。

表2 井下采动后地表移动变形结果

图4 不同坡型下黄土层厚度对坡度的影响

3.2 黄土层厚度对坡长的影响分析

不同坡型下黄土层厚度与坡长变化量的关系，如图5所示。

图5 不同坡型下黄土层厚度对坡长的影响

当坡度为30°、顺坡开采时，4种坡型条件下，井下采动都会引起自燃坡面坡长减小，但随着黄土层厚度的增大，坡长的减小幅度呈现减小的趋势。例如，直线坡，随着黄土层厚度由50m增加到100m，坡长减小量为0.46m，但黄土层厚度由100m增加到250m，坡长减小累积量仅为0.42m，说明黄土层厚度大于100m时，有降低井下采动对自然坡面坡长减小的效应。不同自然坡型，井下采动引起的坡长减小量不同，减小量由大到小对应的自然坡型的排序为：直线坡、凸坡、凹坡、混合坡；例如，随着黄土层厚度从50m增加到100m，直线坡坡长减小了1.37～0.49m，而混合坡坡长减小了0.78～0.28m，前者平均是后者的1.8倍；并且坡长减小量的减小幅度直线坡是混合坡的1.8倍，这说明井下采动对于混合坡的影响较小，但增加黄土层厚度对于控制直线坡坡长减小更为有效。

4 黄土层厚度对坡面侵蚀的影响

4.1 数据采集与处理

坡面侵蚀在环境条件相对不变的情况下，主要受制于坡度与坡长的作用。坡度与侵蚀的关系，前人已做过大量的研究，从中可知，坡度与侵蚀呈幂函数关系，土壤侵蚀量随坡度的增大而增大；坡长与土壤侵蚀也呈现幂指数函数的关系(M=aLb)，b<0时侵蚀量与坡长呈负相关，当b>0时侵蚀量与坡长程正相关性[10]。彬长矿区属于黄土高原地区，以水力侵蚀为主，因此降雨因子也是坡面侵蚀的重要影响因子，谢云等研究表明黄土高原坡面侵蚀雨量标准为12mm[11]。根据吴起发[10]等关于黄土沟壑地区地形与坡面侵蚀之间的关系的研究成果，选择接近侵蚀雨量标准的16.6mm时，坡度和坡长与侵蚀产沙产流的量化关系见表3。

4.2 黄土层厚度对坡面侵蚀的影响分析

利用表1中坡度S、坡长L与侵蚀产沙Ms、产流Mw)关系计算得到不同黄土层厚度和坡型条件下井下采动前后坡面侵蚀模数和径流模数，结果见表4。

表3 黄土高原地区降雨条件下综合因素与土壤侵蚀的关系

表4 不同黄土层厚度和坡型条件下井下采动前后坡面侵蚀模数和径流模数

当坡度为30°、顺坡开采时，4种坡型条件下，井下采动都会引起地表坡面侵蚀模数和径流模数的增大，但随着黄土层厚度的增加侵蚀模数和径流模数的增加幅度呈现减小的趋势。自然坡型为直线坡时，黄土层厚度从50m增大到100m时，地表坡面侵蚀模数增大量减小了0.48t/km2，径流模数增大量减小了51.59t/km2，而黄土层厚度从100m增大到150m时，地表坡面侵蚀增大量减小仅为0.22t/km2，径流模数增大量减小是前者的0.5倍；说明大于100m的黄土层有减小井下采动引起的坡面侵蚀的效应。当黄土层厚度一定时，地表坡面侵蚀模数和径流模数随着坡型的不同而不同，坡面侵蚀增大量由大到小对应的自然坡型排序为：直线坡、凸坡、凹坡、混合坡，随着黄土层厚度由50m增加到250m，直线坡坡面侵蚀模数和径流模数增大量的减小幅度最大，说明增加黄土层厚度能有效控制均匀坡的坡面侵蚀。 不同坡型下黄土层厚度与侵蚀模数、径流模数的量化关系，见表5。

表5 不同坡型下黄土层厚度与侵蚀模数、径流模数的量化关系

5 结 论

1)当坡度为30°、顺坡开采时，4种坡型条件下，井下采动都会引起地表坡度增加，但随着黄土层厚度的增加，坡度增大幅度呈现减小的趋势，黄土层厚度大于100m时，有减小井下采动对地表坡度的影响效应。不同坡型坡度增大量由大到小的排序为：水平坡、凸坡、凹坡、混合坡，因此，增大黄土层厚度对控制井下采动对直线坡坡坡度的影响更加有效。

2)当坡度为30°、顺坡开采时，4种坡型条件下，井下采动都会引起自然坡面坡长减小，但随着黄土层厚度的增大，坡长的减小幅度呈现减小的趋势。黄土层厚度大于100m时，有降低井下采动对自然坡面坡长减小的效应。不同自然坡型，井下采动引起的坡长减小量不同，减小量由大到小对应的自然坡型的排序为：直线坡、凸坡、凹坡、混合坡随着黄土层厚度从50m增加到100m，这说明井下采动对于混合坡的影响较小，但增加黄土层厚度对于控制直线坡坡长减小更为有效。

3)当坡度为30°、顺坡开采时，4种坡型条件下，井下采动都会引起地表坡面侵蚀模数和径流模数的增大，但随着黄土层厚度的增加侵蚀模数和径流模数的增加幅度呈现减小的趋势。大于100m的黄土层有减小井下采动引起的坡面侵蚀的效应。当黄土层厚度一定时，地表坡面侵蚀模数和径流模数随着坡型的不同而不同，坡面侵蚀增大量由大到小对应的自然坡型排序为：直线坡、凸坡、凹坡、混合坡，随着黄土层厚度增加直线坡坡面侵蚀模数和径流模数增大量的减小幅度最大，因此，增加黄土层厚度能一定程度上控制直线坡的坡面侵蚀。