梁北煤矿水土流失预测研究（李旭辉,刘辉,杨伟超）

［摘 要］ 煤矿建设不仅诱发和加剧了原生地貌的水土流失发生发展进程，而且形成区别于原地貌的再塑地貌，通过对煤矿实地查勘和定量分析，预测其产生的新增水土流失量和采空区的地表沉陷，进而为水土流失防治提供指导意见。

［关键词］ 煤矿 水土流失 预测

1 梁北煤矿简介

梁北煤矿位于许昌市辖的禹州市梁北镇，东距许昌市37km，是神火集团骨干矿井。井田东西走向长10～13km，南北倾斜宽1.2～4.9km，面积44.8km2，井田能利用的地质储量276.67Mt。设计为立井开拓，采用中央分区式通风方式，主采煤层二1煤，采用长壁综合机械化采煤法，全部冒落法管理顶板。

煤矿地处暖温带亚湿润型气候区，年平均气温14.4℃，≥10℃积温4 262.2℃，多年平均降水量656.9mm，多年平均蒸发量1 785.7mm，全年平均无霜期218d，最大冻土深度18cm，多年平均风速2.7m/s，土壤以褐土为主，植被类型有次生自然植被和草灌丛植被。

2 煤矿生产建设过程中的水土流失预测

矿区水土流失是在强烈人为作用下产生，自然因素的影响是潜在的和区域性的，而人为因素的影响是主导性的。建设过程中由于废弃建筑物的拆除、基础的开挖、土石方的回填会破坏原地貌和土壤植被，降低表层土壤的抗蚀性，造成水土流失。同时由于井下开采造成不同程度的地表沉陷，产生采空区。所有这些人为活动，加剧了水土流失发生发展的进程。

从水土流失影响因素分析可以看出，煤矿的水土流失形式不同于一般的开发建设项目，相同点为工业广场和附属工程对地表的扰动，不同点为煤矿地下开采对浅层地下水和地表水体的影响。以往的方案往往忽略采空区的水土流失影响，笔者认为，要做好煤矿的水土流失预测，就要兼顾这两个方面。

2.1 新增水土流失量预测

（1）预测方法

根据“区域水土流失制约因子的一致性、工程对地表植被扰动的近似性”为原则，将该工程划分为工业场地区、场外管线区、场外公路区、场外铁路区和矸石处置场区等预测单元。根据本工程特点，预测时段分为施工期（包括施工准备期）、自然恢复期和生产运行期。水土流失量预测采用经验公式法，公式如下：

式中

W——预测单元的水土流失量，t；

Fi——预测单元的占地面积，km2；

Mi——预测单元的土壤侵蚀模数，t/（km2·a）；

Ti——预测单元的预测时段，a；

i——预测单元，i=1、2、3、……、n。

（2）参数选取

公式中的i指五个预测单元，Ti根据各预测单元施工工期确定，Fi根据主体工程设计文件确定，Mi包括土壤侵蚀模数背景值和扰动后的土壤侵蚀模数值，前者根据当地水土保持资料和遥感图确定，后者是水土流失预测中的难点也是重点，一般有以下三种选取方法：数学模型、类比分析和专家判定。由于我国对开发建设项目土壤流失的基础数据较少，大部分数学模型的适应性并未得到验证，因此数学模型法的局限性较大，而专家判定法用于项目区的水土流失资料短缺，而又无法用其他预测方法时使用，误差较大，一般不用。故本工程采用目前较为成熟的类比分析法，即根据已建或在建的开发建设项目的水土流失实地调查来确定项目区土壤侵蚀模数的方法。

梁北煤矿选取工程类别和自然情况相似的平煤集团十三矿做为类比工程，通过水土流失主要影响因子对比分析后，按照0.9的系数对在类比工程实地调查所取得的土壤侵蚀模数值进行修正，以满足本工程预测的需要。

（3）预测结果

经预测分析，梁北煤矿水土流失总量5 941t，水土流失背景值830t，新增水土流失量5 112t，详见表1。

2.2 采空区地表沉降预测

（1）预测方法预测内容包括：沉陷区面积、沉陷区深度、沉陷变形值、冒落带及导水裂隙带等。其中沉陷区面积、沉陷区深度、沉陷变形值预测采用国家煤炭局《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中推荐的概率积分法。

计算公式如下:

式中

Weoi(x,y)——i单元开采引起地表（x,y）点的下沉值；

W(x,y)——单元开采引起地表（x,y）点的下沉值；

D——开采煤层区域； ——走向方向倾斜值(mm/m)； ix——倾斜方向倾斜值(mm/m)； iy——走向方向曲率值(10-3/m) ； Kx——倾斜方向曲率值(10-3/m)； Ky(x,y)——走向方向水平移动值（mm）； Ux(x,y)——倾斜方向水平移动值（mm）； Uy

εx——走向方向水平变形值(mm/m)；

εy——倾斜方向水平变形值(mm/m)；

θ0——开采影响传播角，°；

M——煤层开采厚度，mm；

α——煤层倾角；

q——下沉系数；

b——水平移动系数；

r——主要影响半径，m，r=H/tgβ；

H——煤层埋深，m；

冒落带及导水裂隙带沉陷区最大高度采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中推荐的公式：

① 冒落带最大高度：

（2）参数选取

由于项目区有经鉴定认可并推广应用的《新峰矿区地表移动规律研究报告》（1995年6月，焦作工学院、新峰矿务局和河南省煤炭厅），因此相关参数可以直接引用，详见表2。

（3）预测结果

经预测分析，地表沉陷产生的采空区面积1 205.66hm2，不同下沉深度区面积见表3，采空区地表最大移动变形值见表4。

由预测结果可以看出，采空区地表最大下沉深度达3.4m，受影响区的浅层地下水位埋深大于5m，从地形图和地表下沉等值线因素分析，浅层地下水位不会因下沉而漏出地表，有部分低洼地带的地表径流受到影响，但整个区域的地表径流方向不会改变。采区煤层累计平均采厚为2.1m，经计算煤层开采引起的冒落带的最大高度为9m，导水裂隙带最大高度为38m。在开采煤层上覆岩层内的Ⅲ含水层直接覆盖于二1煤层上部，将受到严重破坏，Ⅳ含水层距二1煤层大于100m，受塌陷影响较小，不会与采空区导通，浅层地下水不会因二1煤层上覆岩层的移动而涌入地下，从而影响浅层地下水位。

采空区涉及梁北镇的12个村庄，受影响总户数为4 914户，受影响总人口为18 075人。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，如果不留设保护煤柱，上述受影响村庄的建筑物会受到IV级破坏，村庄需全部搬迁。村庄搬迁后需拆除原有建筑物、剥离硬化表层、清理建筑垃圾、并实施绿化复垦或复垦为耕地，同时注意在接受移民区建设住宅等工程时要采取适当的水土保持措施以减少村庄搬迁对水土流失的影响。

3 结语

梁北煤矿施工期的水土流失量3 748t，占总流失量的63%,是工程建设水土流失防治的关键时期。工业场地和矸石处置场的新增水土流失量分别占新增总量的35%和54%，是水土流失防治的重点地段。井下煤层开采导致项目区地形变化，局部地区地面坡度增加导致水土流失加剧，可能产生地下水位下降和植被生态系统退化等现象，下阶段需要做好地表移动观测和土地综合整治。

开发建设项目水土流失预测是水土保持措施布局和设计的基础，是项目区水土保持动态监测与分析评价的重要内容，因此如何科学地确定预测参数是水土流失预测的关键。梁北煤矿采取了广泛使用的类比分析法，通过修正类比工程的调查成果，确保参数的选择贴近实际，做到了预测方法正确、参数选取得当、预测成果可信。

通过合理预测建设项目的水土流失,可以找准防治的重点,对位配置相应的防治措施,才能达到项目建设与生态环境建设同步进行的目标,实现可持续发展战略。

参考文献

［1］ 李文银等，工矿区水土保持，北京，科学出版社，1996

［2］ 王礼先，水土保持工程学，北京，中国林业出版社，2000

［3］ 赵永军，开发建设项目水土保持方案编制技术，北京，中国大地出版社，2007