張 勇 ，宋世杰 ，杜華棟 ，聶文杰

（1.陜西省水利廳，陜西 西安710004；2.西安科技大學(xué)，陜西 西安710054）

0 引言

煤炭作為我國(guó)重要的一次性能源，其在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期里不會(huì)有所改變[1]。截止2017年底，我國(guó)煤炭總產(chǎn)量達(dá)到34.5億t，其中90%以上是通過(guò)井工開(kāi)采方式獲取[2]。然而，大規(guī)模井工開(kāi)采在帶來(lái)豐碩煤炭資源的同時(shí)，也嚴(yán)重的破壞著煤礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境，不僅直接造成開(kāi)采沉陷、地（表）下水破壞，矸石棄土壓占污染土地、植被退化等地質(zhì)環(huán)境損害，更重要的是，通過(guò)這些損害不斷加劇著區(qū)域水土流失這一公認(rèn)的頭號(hào)環(huán)境問(wèn)題[3-5]。彬長(zhǎng)礦區(qū)作為陜西第二大煤炭生產(chǎn)基地，地處黃土高原溝壑區(qū)，總面積約為243.36 km2，現(xiàn)有煤礦18座，近10年高強(qiáng)度的井下采煤活動(dòng)使得礦區(qū)內(nèi)已形成塌陷面積20 km2以上，加之區(qū)域自然氣候惡劣、地形坡陡溝深、地表黃土蓋層結(jié)構(gòu)疏松等因素，為采煤沉陷區(qū)的水土流失創(chuàng)造了便利條件，以致該礦區(qū)特別是沉陷區(qū)水土流失大大加劇。最新調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，彬長(zhǎng)礦區(qū)沉陷內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)3367 t·km-2·a-1，是所處區(qū)域平均土壤侵蝕模數(shù)（2546 t·km-2·a-1）的132%，是同地域農(nóng)業(yè)區(qū)土壤侵蝕模數(shù)（2451 t·km-2·a-1）的137%，年平均沖刷深度2.3 mm[6]。

由此可見(jiàn)，地下采煤活動(dòng)是采煤沉陷區(qū)水土流失加劇的根本原因，而采煤沉陷區(qū)也必然成為煤礦區(qū)水土流失加劇的最大、最嚴(yán)重區(qū)域。因此，有效控制采煤沉陷區(qū)水土流失是實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)水土保持和環(huán)境保護(hù)急需解決的重大課題。鑒于此，本文從采煤沉陷區(qū)的區(qū)域特性出發(fā)，立足“地下控制地表”的新視角，分析和甄選顯著影響采煤沉陷區(qū)水土流失的地下采動(dòng)關(guān)鍵因子，不僅可以深化和拓展采煤沉陷區(qū)土壤侵蝕特征和基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)，而且可以從“地下與地表聯(lián)動(dòng)”的角度為采煤沉陷區(qū)水土流失的防控提供新的思路。

1 彬長(zhǎng)礦區(qū)自然環(huán)境及煤炭開(kāi)采概況

1.1 彬長(zhǎng)礦區(qū)自然環(huán)境特征

彬長(zhǎng)礦區(qū)位于陜西省關(guān)中地區(qū)西北部，彬縣及長(zhǎng)武縣城之間，見(jiàn)圖1。該礦區(qū)地處隴東黃土高原東南翼，屬陜北黃土高原南部塬梁溝壑區(qū)，地貌特征主要表現(xiàn)為塬梁破碎、溝壑縱橫。

圖1 彬長(zhǎng)礦區(qū)位置示意圖

彬長(zhǎng)礦區(qū)屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬春干旱，夏季炎熱，秋濕多雨，四季分明，平均氣溫9.7℃，年均降水量579 mm。該礦區(qū)水資源有地表水和地下水構(gòu)成，地表水主要有涇河、黑河、紅崖河、水簾溝、南溝、達(dá)溪河等支流；地下水主要包括第四系潛水、第三系裂隙水、白堊系和侏羅系裂隙承壓水。彬長(zhǎng)礦區(qū)內(nèi)，土壤以黃綿土、黑壚土等為主；糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物等人工植被構(gòu)成了植被主體。

1.2 彬長(zhǎng)礦區(qū)水土流失特征

彬長(zhǎng)礦區(qū)屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，該區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，溝深坡陡，降水集中，水土流失類型以水力侵蝕為主，土壤侵蝕容許值為1000 t/km2·a。根據(jù)水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心制定的《全國(guó)土壤侵蝕遙感調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，彬長(zhǎng)礦區(qū)土壤侵蝕涵蓋了微度、輕度、中度、強(qiáng)度和極強(qiáng)度5個(gè)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)，其土壤侵蝕類型統(tǒng)計(jì)面積見(jiàn)表1。

表1 土壤侵蝕類型面積統(tǒng)計(jì)表

煤炭開(kāi)采過(guò)程中會(huì)對(duì)礦區(qū)土地造成各種損害，并引起或加劇水土流失，其中尤以采煤沉陷影響范圍最廣、影響程度最大。彬長(zhǎng)礦區(qū)因開(kāi)采歷史長(zhǎng)、開(kāi)采強(qiáng)度大等因素，地下采煤造成的地面沉陷具有下沉系數(shù)大、移動(dòng)角大、移動(dòng)變形周期短、傳遞速度快等特點(diǎn)，對(duì)采煤沉陷區(qū)水土流失的加劇作用尤為突出，加劇程度尤為劇烈。因此采煤沉陷區(qū)是彬長(zhǎng)礦區(qū)水土流失的關(guān)鍵區(qū)域。

1.3 彬長(zhǎng)礦區(qū)煤炭開(kāi)采特征

彬長(zhǎng)礦區(qū)位于黃隴侏羅紀(jì)煤田地處鄂爾多斯盆地南緣，煤炭資源儲(chǔ)量約為8978.83 Mt。其地層由老至新有三疊系、侏羅系、白堊系、第三系和第四系，其中侏羅系中統(tǒng)的延安組是該區(qū)主要含煤地層。延安組共含煤8層，自上而下編號(hào)為1、2、3、4上-1、4上-2、4上、4-1、4煤，其中4號(hào)煤為全區(qū)可采煤層，平均厚度10.65 m。

彬長(zhǎng)礦區(qū)內(nèi)代表性煤礦主要有：大佛寺、孟村、胡家河、小莊、亭南、下溝、官牌、蔣家河、水簾洞等9座煤礦，總生產(chǎn)規(guī)模為41.0 Mt/a，其主要開(kāi)采特征見(jiàn)表2。

表2 彬長(zhǎng)礦區(qū)9座礦井開(kāi)采情況表

2 采煤沉陷區(qū)水土流失地下關(guān)鍵影響因子甄選

2.1 地下影響因子初選與量化

（1）地下影響因子初選

針對(duì)彬長(zhǎng)礦區(qū)采煤沉陷區(qū)特性，在廣泛征詢專家意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，遵循科學(xué)性、代表性、易操作性的基本原則，初選了采深、采厚、煤層傾角、覆巖綜合硬度、下沉系數(shù)、工作面寬度、工作面年推進(jìn)距離7個(gè)地下影響因子，見(jiàn)表3。

（2）地下影響因子量化

以彬長(zhǎng)礦區(qū)9個(gè)代表性煤礦為數(shù)據(jù)樣本，收集并量化了各煤礦7個(gè)地下影響因子和采煤沉陷區(qū)土壤侵蝕模數(shù)增量，見(jiàn)表4。其中，考慮到采煤沉陷區(qū)土壤侵蝕模數(shù)增量因缺乏監(jiān)測(cè)而難以獲得，故采用場(chǎng)地工程、場(chǎng)外道路、場(chǎng)外管線工程、排矸場(chǎng)等單元在施工期和自然恢復(fù)期第1年預(yù)測(cè)的土壤侵蝕模數(shù)增加量的算術(shù)平均值加以替代表征。

表3 井下影響地表水土流失的因子初選結(jié)果

表4 彬長(zhǎng)礦區(qū)生產(chǎn)礦井影響采煤沉陷區(qū)水土流失因子及新增水土流失量

2.2 地下關(guān)鍵影響因子甄選

（1）灰色關(guān)聯(lián)分析法基本原理[7]

灰色關(guān)聯(lián)分析主要用于分析系統(tǒng)各因素之間隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)關(guān)系及其特征，從而找到系統(tǒng)的主要因素。在系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，如果兩個(gè)因素變化的態(tài)勢(shì)基本一致，即同步變化程度較高，則認(rèn)為這兩個(gè)因素的關(guān)系密切，或關(guān)聯(lián)度大；否則稱其關(guān)聯(lián)度小。因此關(guān)聯(lián)度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各因素之間關(guān)聯(lián)程度的定量描述。

（2）甄選過(guò)程

根據(jù)上述原理，以土壤侵蝕模數(shù)平均增加量為母因素（X0），以采深（X1）、采厚（X2）、煤層傾角（X3）、覆巖綜合硬度（X4）、下沉系數(shù)（X5）、工作面寬度（X6）、工作面年推進(jìn)距離（X7）為子因素，甄選與土壤侵蝕模數(shù)平均增加量關(guān)系密切，對(duì)地表水土流失影響較大的因子。通過(guò)計(jì)算得到絕對(duì)差值矩陣（見(jiàn)式1）和關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣（見(jiàn)式2）。

（3）甄選結(jié)果與分析

通過(guò)計(jì)算，最終得到7個(gè)影響因子與采煤沉陷區(qū)土壤侵蝕模數(shù)增加量的關(guān)聯(lián)度：

G（0，1）=0.803；G（0，2）=0.822；G（0，3）=0.755；G（0，4）=0.752；G（0，5）=0.749；G（0，6）=0.768；G（0，7）=0.745；

由此分析得出：

①7個(gè)影響因子與采煤沉陷區(qū)土壤侵蝕模數(shù)增加量的關(guān)聯(lián)序?yàn)椋篏（0，2）＞G（0，1）＞G（0，6）＞G（0，3）＞G（0，4）＞G（0，5）＞G（0，7）；即采厚>采深>工作面寬度>煤層傾角>覆巖綜合硬度>下沉系數(shù)>工作面年推進(jìn)距離。

②從關(guān)聯(lián)度大小看：采厚、采深的關(guān)聯(lián)度分別為0.822和0.803，二者與采煤沉陷區(qū)土壤侵蝕模數(shù)增加量的關(guān)聯(lián)程度最高；工作面寬度、煤層傾角、覆巖綜合硬度、下沉系數(shù)、工作面年推進(jìn)距離的關(guān)聯(lián)度依次是 0.768、0.755、0.752、0.749、0.745，與采煤沉陷區(qū)土壤侵蝕模數(shù)增加量的關(guān)聯(lián)程度均在0.75左右之間，對(duì)土壤侵蝕模數(shù)平均增加量有一定的影響。

③結(jié)合相關(guān)選取原則，以P＞0.8為選取標(biāo)準(zhǔn)，確定采厚和采深作為采煤沉陷區(qū)水土流失的地下關(guān)鍵影響因子。

3 結(jié)論

（1）在對(duì)彬長(zhǎng)礦區(qū)自然環(huán)境特征、水土流失特征和煤炭開(kāi)采特征充分調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，認(rèn)為采煤沉陷區(qū)是彬長(zhǎng)礦區(qū)水土流失的關(guān)鍵區(qū)域。針對(duì)采煤沉陷區(qū)的區(qū)域特性，從“地下控制地表”的新視角，分析和初選出7個(gè)顯著影響采煤沉陷區(qū)水土流失的地下因子，即采厚、采深、工作面寬度、煤層傾角、覆巖綜合硬度、下沉系數(shù)、工作面年推進(jìn)距離。

（2）以彬長(zhǎng)礦區(qū)9個(gè)代表性煤礦為樣本，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)原理，計(jì)算得出采厚、采深與采煤沉陷區(qū)土壤侵蝕模數(shù)增加量的關(guān)聯(lián)度分別為0.822、0.803，均超過(guò)80%，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，甄選采厚、采深作為影響采煤沉陷區(qū)水土流失的地下關(guān)鍵因子。

（3）研究結(jié)果不僅深化和拓展了對(duì)采煤沉陷區(qū)土壤侵蝕特征和基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)，更為采煤沉陷區(qū)水土流失的“地下與地表聯(lián)動(dòng)防控”提供了理論基礎(chǔ)，并為最終實(shí)現(xiàn)采煤沉陷區(qū)水土流失的“采前預(yù)判”、“采中控制”、“采后治理”創(chuàng)造了有利條件。