摘要： 采煤沉陷区的水土流失防治已经成为黄河中游生态保护与高质量发展亟需重点突破的关键问题。覆 岩层状结构作为煤炭地质赋存的重要特征和地下采动效应自下而上传递的载体,在相同采矿条件下控制着采动后地 表的基本形态,进而深刻影响着采煤沉陷区的土壤侵蚀效应及变化规律。以陕北黄土沟壑区2-2 主采煤层地质赋存 特征为原型,以砂层系数(60%、67%、71%、75%、83%、88%)、砂泥比(6 ∶4、7 ∶3、8 ∶2)2 个覆岩层状结构关键特征及采 厚(3 m、5 m)为变量,共构建了36 个不同类型的数值模型;基于FLAC3D 数值模拟软件,研究了不同覆岩层状结构类 型下采煤沉陷区25°凹形黄土坡面的形变特征和规律,分别采用中国水土流失方程(CSLE 模型)和区域经验模型,计 算与分析了凹形黄土沉陷坡面的土壤侵蚀效应。结果表明:① 在既定采厚且任意砂泥比条件下,凹形黄土沉陷坡面 坡度的增幅随砂层系数的增加均增大,当砂层系数超过71%时,会消除不同采厚对凹形黄土沉陷坡面形态变化的影 响差异,当超过75%时则基本丧失对凹形黄土沉陷坡面形态变化的影响;② 无论是年侵蚀降雨尺度(M1 )还是典型场 次侵蚀降雨尺度(M2)下,凹形黄土沉陷坡面土壤侵蚀模数的增幅均会随砂层系数的增加而增大,并存在迅速增大、趋 于稳定的两段式变化过程,M1 增幅为4. 18%~5. 39%,M2 增幅为6. 71%~8. 05%,当砂层系数超过75%时,基本丧失 对凹形黄土沉陷坡面不同尺度土壤侵蚀模数变化的影响;③ 在既定砂层系数条件下,砂泥比≤60%对应的M1 和M2 增幅明显高于砂泥比>60%;④ 砂层系数是影响凹形黄土沉陷坡面土壤侵蚀变化的首要覆岩层状结构特征,可作为陕 北采煤沉陷区坡面尺度水土流失效应“地下超前防控”的重要地质依据。对于“砂层系数≤75%”的采煤沉陷区,可以 通过控制地下采厚的方式实现坡面尺度水土流失效应的超前防控;对于“砂层系数>75%”的采煤沉陷区,地表坡面土 壤侵蚀的加剧程度已不再对地下采厚敏感,以致在满足区域土壤侵蚀强度总体控制目标的前提下,还存在增大采厚、 提高采煤效率的空间。

关键词: 采煤沉陷　覆岩层状结构　砂层系数　土壤侵蚀　黄河中游