井工煤礦開采對(duì)坡面形態(tài)及侵蝕的影響研究

柳 寧，趙曉光，周文富，袁治程

(西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤炭作為我國重要的不可再生能源，促進(jìn)了我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)也給礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，水土流失是公認(rèn)的頭號(hào)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問題[1，2]。我國煤炭資源埋深較深，因此井工開采成為了主要的開采方式；井下采煤必定會(huì)引起大規(guī)模的圍巖移動(dòng)，這種移動(dòng)會(huì)隨著采煤的推進(jìn)分層向地表傳遞[3]，導(dǎo)致地表形態(tài)(坡度、坡長)發(fā)生改變，最終造成土壤理化性質(zhì)改變，地表植被破壞等生態(tài)環(huán)境問題，為水土流失提供了有利條件。研究者對(duì)井下采煤對(duì)地表形態(tài)的影響進(jìn)行了大量的研究，張勇、宋世杰[4，5]等通過數(shù)值模擬的方法研究了采深、采厚、地表自然坡度、巖土比等影響因素對(duì)采煤沉陷區(qū)坡面形態(tài)的影響，并且從井下與地表相結(jié)合的新視角研究了上述因素對(duì)坡面侵蝕的影響。余學(xué)義[6]等通過在亭南煤礦開采區(qū)域地表布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)的方法研究了巨厚黃土層寬條帶開采地表移動(dòng)規(guī)律，運(yùn)用概率積分和威爾遜理論得出了合理的條帶開采參數(shù)。礦區(qū)水土流失是國內(nèi)外研究者研究的熱點(diǎn)問題之一。目前，國內(nèi)外學(xué)者以地表外營力為研究對(duì)象，對(duì)煤炭開采造成的水土流失問題進(jìn)行深入研究，陳思旭[7]等基于GIS技術(shù)和RUSLE模型對(duì)南方丘陵地區(qū)的土壤侵蝕狀況進(jìn)行了定量研究，分析了土壤侵蝕空間分布特征以及與坡度、海拔間的關(guān)系；白中科[8]等采用RS、GIS技術(shù)，研究了山西大同塔山礦采煤沉陷引發(fā)的土壤侵蝕和土地利用的變化，研究發(fā)現(xiàn)采煤使地表形態(tài)發(fā)生改變，土壤侵蝕量增加，耕作面積減小，土地利用率降低。這些研究都是基于地表外營力展開的，但是煤礦區(qū)水土流失不僅受到地表外營力的影響，同時(shí)也受到井下采動(dòng)的影響。

在研究過程中筆者發(fā)現(xiàn)地表松散層厚度對(duì)采煤沉陷區(qū)坡面形態(tài)及侵蝕會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，但這方面的研究較少，并且研究者在研究過程中為了方便將現(xiàn)實(shí)不規(guī)則坡簡化為直線坡來進(jìn)行研究?；诖?，筆者利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件以不規(guī)則坡面為例，從井下與地表相結(jié)合的視角對(duì)黃土層厚度對(duì)坡面形態(tài)及土壤侵蝕的影響進(jìn)行了研究，以期為煤礦區(qū)土壤侵蝕治理提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

本文選擇位于陜西省咸陽市西北部彬長礦區(qū)的大佛寺煤礦作為研究對(duì)象，礦區(qū)地處咸陽市彬縣與長武縣交界處，距彬縣縣城12km。地理坐標(biāo)：東經(jīng)107°49′40″—108°01′00″，北緯35°00′00″—35°05′00″。大佛寺井田面積為86.3km2，煤礦主要含煤地層為延安組，4#煤為該組主采煤層，地層傾角很小，大部分在3°～5°之間，開采條件優(yōu)越，其平均厚度為11.5m，采深為400～600m，采厚介于2.8～12.5m，工作面寬度一般為200～220m，年推進(jìn)距離為1～2km，礦井采用綜采放頂煤方法，頂板管理辦法采用全部垮落法。

大佛寺煤礦屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地形較為破碎，植被覆蓋率不足30%，年降雨量為500～600mm，多集中在7、8、9月，雨季水土流失較為嚴(yán)重；土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，風(fēng)力和重力侵蝕為輔，年平均土壤侵蝕模數(shù)為3367t/(km2·a)，平均沖刷深度為23mm，屬于國家及省級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)。

2 FLAC3D數(shù)值模型構(gòu)建

煤礦開采屬于非線性大變形問題[9]，因此本文選用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)采煤引起的地表變形進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，它在處理非線性大變形問題上具有一定的優(yōu)越性。FLAC3D是以有限差分原理對(duì)土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動(dòng)后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動(dòng)。以大佛寺煤礦某鉆孔柱狀圖信息為基礎(chǔ)構(gòu)建FLAC3D數(shù)值模型。

2.1 地表形態(tài)設(shè)計(jì)

大佛寺煤礦地形破碎，根據(jù)現(xiàn)實(shí)地表形態(tài)將所模擬地表劃分為：凹坡、凸坡、混合坡、直線坡四類坡型，這四類可以基本涵蓋現(xiàn)實(shí)中的所有地表形態(tài)；地表形態(tài)如圖1所示。

圖1 地表形態(tài)示意圖

2.2 土層厚度設(shè)計(jì)

大佛寺煤礦主采煤層(4#)埋深在400m以上，為了研究土層厚度對(duì)于沉陷區(qū)坡面形態(tài)及土壤侵蝕的影響，在固定采深500m、坡度30°、順坡開采的條件下，通過改變巖層厚度來調(diào)整土層厚度，將土層厚度劃分為50m、100m、150m、200m、250m五個(gè)等級(jí)，最終建立20個(gè)數(shù)值模型。

2.3 4#煤層上覆巖層設(shè)計(jì)

本文采用大佛寺某鉆孔柱狀圖地層信息為基礎(chǔ)來構(gòu)建本次模型的上覆巖層結(jié)構(gòu)，為方便計(jì)算，建模時(shí)對(duì)地層按其力學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行了一定合并，最終4#煤層上覆巖層共24層(為包含煤層和底板)，巖層主要類型為：砂質(zhì)泥巖、砂巖(粗、中、細(xì))、礫巖、黃土。各巖層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 模型主要巖層及巖性參數(shù)

2.4 模型構(gòu)建

4#煤層平均采深為500m，采厚9m，年推進(jìn)距離600m，工作面寬度200m，地表坡度為30°，即X=600m，Y=200m，Z=500，X軸方向?yàn)楸敬沃饔^測方向，由于該礦區(qū)地層傾角很小，因此地層傾角設(shè)置為0°；模形X方向兩個(gè)邊界面和Y軸兩個(gè)邊界面設(shè)為單約束邊界，Z軸方向底邊界面為全約束邊界，上邊界設(shè)定為自由邊界，利用以上幾何參數(shù)及上所述地表形態(tài)和4#煤層上覆巖層結(jié)構(gòu)，以黃土層厚度和坡型為變量構(gòu)建5組20個(gè)數(shù)值模型，F(xiàn)LAC3D三維地質(zhì)模型如圖2所示。為了方便分析主斷面的計(jì)算結(jié)果，在Y=100m處沿X方向在地表均勻設(shè)置24個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖3所示。

圖2 三維地質(zhì)模型

圖3 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖

3 黃土層厚度對(duì)坡面形態(tài)的影響

通過對(duì)上述20個(gè)模型的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，井下采動(dòng)推進(jìn)至500m時(shí)，達(dá)到充分采動(dòng)，此時(shí)停止采煤。運(yùn)用hist write命令流提取上述24個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的X、Y方向的位移數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總計(jì)算，得到固定采深和坡度的條件下，黃土層厚度與坡型變化量的關(guān)系。井下采動(dòng)后地表移動(dòng)變形結(jié)果見表2。

3.1 黃土層厚度對(duì)坡度的影響分析

基于提取的坡面24個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的X、Y方向的位移數(shù)據(jù)，整理計(jì)算得到不同坡型下黃土層厚度與坡度變化量的關(guān)系，如圖4所示。

當(dāng)坡度為30°、順坡開采時(shí)，4種坡型條件下，井下采動(dòng)都會(huì)引起地表坡度增加，但隨著黃土層厚度的增加，坡度增大幅度呈現(xiàn)減小的趨勢，黃土層厚度小于100m時(shí)，坡度增大幅度較黃土層厚度大于100m時(shí)的大。例如，坡型為水平坡時(shí)，隨著黃土層厚度從50m增加到100m，坡度增加量減小了0.68°，但隨著黃土層厚度從100m增加到250m，黃土層厚度增加了150m，坡度增加量僅減小了0.65°，這說明黃土層厚度大于100m時(shí)，有減小井下采動(dòng)對(duì)地表坡度的干擾。不同坡型坡度增大量由大到小的排序?yàn)椋核狡?、凸坡、凹坡、混合坡。例如，隨著黃土層厚度從50m增加到250m，直線坡度增加量減小了1.33°，混合坡坡度坡度增加量減小了0.82°，前者是后者的1.6倍，這說明增大黃土層厚度對(duì)控制井下采動(dòng)對(duì)直線坡坡度的影響更加有效。

表2 井下采動(dòng)后地表移動(dòng)變形結(jié)果

圖4 不同坡型下黃土層厚度對(duì)坡度的影響

3.2 黃土層厚度對(duì)坡長的影響分析

不同坡型下黃土層厚度與坡長變化量的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 不同坡型下黃土層厚度對(duì)坡長的影響

當(dāng)坡度為30°、順坡開采時(shí)，4種坡型條件下，井下采動(dòng)都會(huì)引起自燃坡面坡長減小，但隨著黃土層厚度的增大，坡長的減小幅度呈現(xiàn)減小的趨勢。例如，直線坡，隨著黃土層厚度由50m增加到100m，坡長減小量為0.46m，但黃土層厚度由100m增加到250m，坡長減小累積量僅為0.42m，說明黃土層厚度大于100m時(shí)，有降低井下采動(dòng)對(duì)自然坡面坡長減小的效應(yīng)。不同自然坡型，井下采動(dòng)引起的坡長減小量不同，減小量由大到小對(duì)應(yīng)的自然坡型的排序?yàn)椋褐本€坡、凸坡、凹坡、混合坡；例如，隨著黃土層厚度從50m增加到100m，直線坡坡長減小了1.37～0.49m，而混合坡坡長減小了0.78～0.28m，前者平均是后者的1.8倍；并且坡長減小量的減小幅度直線坡是混合坡的1.8倍，這說明井下采動(dòng)對(duì)于混合坡的影響較小，但增加黃土層厚度對(duì)于控制直線坡坡長減小更為有效。

4 黃土層厚度對(duì)坡面侵蝕的影響

4.1 數(shù)據(jù)采集與處理

坡面侵蝕在環(huán)境條件相對(duì)不變的情況下，主要受制于坡度與坡長的作用。坡度與侵蝕的關(guān)系，前人已做過大量的研究，從中可知，坡度與侵蝕呈冪函數(shù)關(guān)系，土壤侵蝕量隨坡度的增大而增大；坡長與土壤侵蝕也呈現(xiàn)冪指數(shù)函數(shù)的關(guān)系(M=aLb)，b<0時(shí)侵蝕量與坡長呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)b>0時(shí)侵蝕量與坡長程正相關(guān)性[10]。彬長礦區(qū)屬于黃土高原地區(qū)，以水力侵蝕為主，因此降雨因子也是坡面侵蝕的重要影響因子，謝云等研究表明黃土高原坡面侵蝕雨量標(biāo)準(zhǔn)為12mm[11]。根據(jù)吳起發(fā)[10]等關(guān)于黃土溝壑地區(qū)地形與坡面侵蝕之間的關(guān)系的研究成果，選擇接近侵蝕雨量標(biāo)準(zhǔn)的16.6mm時(shí)，坡度和坡長與侵蝕產(chǎn)沙產(chǎn)流的量化關(guān)系見表3。

4.2 黃土層厚度對(duì)坡面侵蝕的影響分析

利用表1中坡度S、坡長L與侵蝕產(chǎn)沙Ms、產(chǎn)流Mw)關(guān)系計(jì)算得到不同黃土層厚度和坡型條件下井下采動(dòng)前后坡面侵蝕模數(shù)和徑流模數(shù)，結(jié)果見表4。

表3 黃土高原地區(qū)降雨條件下綜合因素與土壤侵蝕的關(guān)系

表4 不同黃土層厚度和坡型條件下井下采動(dòng)前后坡面侵蝕模數(shù)和徑流模數(shù)

當(dāng)坡度為30°、順坡開采時(shí)，4種坡型條件下，井下采動(dòng)都會(huì)引起地表坡面侵蝕模數(shù)和徑流模數(shù)的增大，但隨著黃土層厚度的增加侵蝕模數(shù)和徑流模數(shù)的增加幅度呈現(xiàn)減小的趨勢。自然坡型為直線坡時(shí)，黃土層厚度從50m增大到100m時(shí)，地表坡面侵蝕模數(shù)增大量減小了0.48t/km2，徑流模數(shù)增大量減小了51.59t/km2，而黃土層厚度從100m增大到150m時(shí)，地表坡面侵蝕增大量減小僅為0.22t/km2，徑流模數(shù)增大量減小是前者的0.5倍；說明大于100m的黃土層有減小井下采動(dòng)引起的坡面侵蝕的效應(yīng)。當(dāng)黃土層厚度一定時(shí)，地表坡面侵蝕模數(shù)和徑流模數(shù)隨著坡型的不同而不同，坡面侵蝕增大量由大到小對(duì)應(yīng)的自然坡型排序?yàn)椋褐本€坡、凸坡、凹坡、混合坡，隨著黃土層厚度由50m增加到250m，直線坡坡面侵蝕模數(shù)和徑流模數(shù)增大量的減小幅度最大，說明增加黃土層厚度能有效控制均勻坡的坡面侵蝕。 不同坡型下黃土層厚度與侵蝕模數(shù)、徑流模數(shù)的量化關(guān)系，見表5。

表5 不同坡型下黃土層厚度與侵蝕模數(shù)、徑流模數(shù)的量化關(guān)系

5 結(jié) 論

1)當(dāng)坡度為30°、順坡開采時(shí)，4種坡型條件下，井下采動(dòng)都會(huì)引起地表坡度增加，但隨著黃土層厚度的增加，坡度增大幅度呈現(xiàn)減小的趨勢，黃土層厚度大于100m時(shí)，有減小井下采動(dòng)對(duì)地表坡度的影響效應(yīng)。不同坡型坡度增大量由大到小的排序?yàn)椋核狡?、凸坡、凹坡、混合坡，因此，增大黃土層厚度對(duì)控制井下采動(dòng)對(duì)直線坡坡坡度的影響更加有效。

2)當(dāng)坡度為30°、順坡開采時(shí)，4種坡型條件下，井下采動(dòng)都會(huì)引起自然坡面坡長減小，但隨著黃土層厚度的增大，坡長的減小幅度呈現(xiàn)減小的趨勢。黃土層厚度大于100m時(shí)，有降低井下采動(dòng)對(duì)自然坡面坡長減小的效應(yīng)。不同自然坡型，井下采動(dòng)引起的坡長減小量不同，減小量由大到小對(duì)應(yīng)的自然坡型的排序?yàn)椋褐本€坡、凸坡、凹坡、混合坡隨著黃土層厚度從50m增加到100m，這說明井下采動(dòng)對(duì)于混合坡的影響較小，但增加黃土層厚度對(duì)于控制直線坡坡長減小更為有效。

3)當(dāng)坡度為30°、順坡開采時(shí)，4種坡型條件下，井下采動(dòng)都會(huì)引起地表坡面侵蝕模數(shù)和徑流模數(shù)的增大，但隨著黃土層厚度的增加侵蝕模數(shù)和徑流模數(shù)的增加幅度呈現(xiàn)減小的趨勢。大于100m的黃土層有減小井下采動(dòng)引起的坡面侵蝕的效應(yīng)。當(dāng)黃土層厚度一定時(shí)，地表坡面侵蝕模數(shù)和徑流模數(shù)隨著坡型的不同而不同，坡面侵蝕增大量由大到小對(duì)應(yīng)的自然坡型排序?yàn)椋褐本€坡、凸坡、凹坡、混合坡，隨著黃土層厚度增加直線坡坡面侵蝕模數(shù)和徑流模數(shù)增大量的減小幅度最大，因此，增加黃土層厚度能一定程度上控制直線坡的坡面侵蝕。