彬長采煤沉陷區水土流失地下關鍵影響因子甄選

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，陜西 西安710054）

0 引言

煤炭作為我國重要的一次性能源，其在我國能源結構中的主導地位在未來相當長的時期里不會有所改變[1]。截止2017年底，我國煤炭總產量達到34.5億t，其中90%以上是通過井工開采方式獲取[2]。然而，大規模井工開采在帶來豐碩煤炭資源的同時，也嚴重的破壞著煤礦區的地質環境，不僅直接造成開采沉陷、地（表）下水破壞，矸石棄土壓占污染土地、植被退化等地質環境損害，更重要的是，通過這些損害不斷加劇著區域水土流失這一公認的頭號環境問題[3-5]。彬長礦區作為陜西第二大煤炭生產基地，地處黃土高原溝壑區，總面積約為243.36 km2，現有煤礦18座，近10年高強度的井下采煤活動使得礦區內已形成塌陷面積20 km2以上，加之區域自然氣候惡劣、地形坡陡溝深、地表黃土蓋層結構疏松等因素，為采煤沉陷區的水土流失創造了便利條件，以致該礦區特別是沉陷區水土流失大大加劇。最新調查數據顯示，彬長礦區沉陷內土壤侵蝕模數高達3367 t·km-2·a-1，是所處區域平均土壤侵蝕模數（2546 t·km-2·a-1）的132%，是同地域農業區土壤侵蝕模數（2451 t·km-2·a-1）的137%，年平均沖刷深度2.3 mm[6]。

由此可見，地下采煤活動是采煤沉陷區水土流失加劇的根本原因，而采煤沉陷區也必然成為煤礦區水土流失加劇的最大、最嚴重區域。因此，有效控制采煤沉陷區水土流失是實現煤礦區水土保持和環境保護急需解決的重大課題。鑒于此，本文從采煤沉陷區的區域特性出發，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水土流失的地下采動關鍵因子，不僅可以深化和拓展采煤沉陷區土壤侵蝕特征和基本規律的認識，而且可以從“地下與地表聯動”的角度為采煤沉陷區水土流失的防控提供新的思路。

1 彬長礦區自然環境及煤炭開采概況

1.1 彬長礦區自然環境特征

彬長礦區位于陜西省關中地區西北部，彬縣及長武縣城之間，見圖1。該礦區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，地貌特征主要表現為塬梁破碎、溝壑縱橫。

圖1 彬長礦區位置示意圖

彬長礦區屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候區，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。該礦區水資源有地表水和地下水構成，地表水主要有涇河、黑河、紅崖河、水簾溝、南溝、達溪河等支流；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。彬長礦區內，土壤以黃綿土、黑壚土等為主；糧食作物、經濟作物等人工植被構成了植被主體。

1.2 彬長礦區水土流失特征

彬長礦區屬黃土高原丘陵溝壑區，該區內溝壑縱橫，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。根據水利部水土保持監測中心制定的《全國土壤侵蝕遙感調查技術規程》，彬長礦區土壤侵蝕涵蓋了微度、輕度、中度、強度和極強度5個土壤侵蝕強度等級，其土壤侵蝕類型統計面積見表1。

表1 土壤侵蝕類型面積統計表

煤炭開采過程中會對礦區土地造成各種損害，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。彬長礦區因開采歷史長、開采強度大等因素，地下采煤造成的地面沉陷具有下沉系數大、移動角大、移動變形周期短、傳遞速度快等特點，對采煤沉陷區水土流失的加劇作用尤為突出，加劇程度尤為劇烈。因此采煤沉陷區是彬長礦區水土流失的關鍵區域。

1.3 彬長礦區煤炭開采特征

彬長礦區位于黃隴侏羅紀煤田地處鄂爾多斯盆地南緣，煤炭資源儲量約為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，其中侏羅系中統的延安組是該區主要含煤地層。延安組共含煤8層，自上而下編號為1、2、3、4上-1、4上-2、4上、4-1、4煤，其中4號煤為全區可采煤層，平均厚度10.65 m。

彬長礦區內代表性煤礦主要有：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，總生產規模為41.0 Mt/a，其主要開采特征見表2。

表2 彬長礦區9座礦井開采情況表

2 采煤沉陷區水土流失地下關鍵影響因子甄選

2.1 地下影響因子初選與量化

（1）地下影響因子初選

針對彬長礦區采煤沉陷區特性，在廣泛征詢專家意見的基礎上，遵循科學性、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、工作面寬度、工作面年推進距離7個地下影響因子，見表3。

（2）地下影響因子量化

以彬長礦區9個代表性煤礦為數據樣本，收集并量化了各煤礦7個地下影響因子和采煤沉陷區土壤侵蝕模數增量，見表4。其中，考慮到采煤沉陷區土壤侵蝕模數增量因缺乏監測而難以獲得，故采用場地工程、場外道路、場外管線工程、排矸場等單元在施工期和自然恢復期第1年預測的土壤侵蝕模數增加量的算術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果

表4 彬長礦區生產礦井影響采煤沉陷區水土流失因子及新增水土流失量

2.2 地下關鍵影響因子甄選

（1）灰色關聯分析法基本原理[7]

灰色關聯分析主要用于分析系統各因素之間隨時間變化的動態關系及其特征，從而找到系統的主要因素。在系統發展過程中，如果兩個因素變化的態勢基本一致，即同步變化程度較高，則認為這兩個因素的關系密切，或關聯度大；否則稱其關聯度小。因此關聯度可以實現對系統各因素之間關聯程度的定量描述。

（2）甄選過程

根據上述原理，以土壤侵蝕模數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（X5）、工作面寬度（X6）、工作面年推進距離（X7）為子因素，甄選與土壤侵蝕模數平均增加量關系密切，對地表水土流失影響較大的因子。通過計算得到絕對差值矩陣（見式1）和關聯系數矩陣（見式2）。

（3）甄選結果與分析

通過計算，最終得到7個影響因子與采煤沉陷區土壤侵蝕模數增加量的關聯度：

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個影響因子與采煤沉陷區土壤侵蝕模數增加量的關聯序為：G（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>工作面年推進距離。

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

③結合相關選取原則，以P＞0.8為選取標準，確定采厚和采深作為采煤沉陷區水土流失的地下關鍵影響因子。

3 結論

（1）在對彬長礦區自然環境特征、水土流失特征和煤炭開采特征充分調查分析的基礎上，認為采煤沉陷區是彬長礦區水土流失的關鍵區域。針對采煤沉陷區的區域特性，從“地下控制地表”的新視角，分析和初選出7個顯著影響采煤沉陷區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、工作面年推進距離。

（2）以彬長礦區9個代表性煤礦為樣本，運用灰色關聯原理，計算得出采厚、采深與采煤沉陷區土壤侵蝕模數增加量的關聯度分別為0.822、0.803，均超過80%，根據相關標準，甄選采厚、采深作為影響采煤沉陷區水土流失的地下關鍵因子。

（3）研究結果不僅深化和拓展了對采煤沉陷區土壤侵蝕特征和基本規律的認識，更為采煤沉陷區水土流失的“地下與地表聯動防控”提供了理論基礎，并為最終實現采煤沉陷區水土流失的“采前預判”、“采中控制”、“采后治理”創造了有利條件。