陕北黄土沟壑区采煤沉陷对黄土坡面形态的影响及土壤侵蚀效应

如何破解煤炭开采与水土保持之间的矛盾是实现黄河中游生态环境保护与高质量发展的关键科学问题.以陕北黄土沟壑采煤沉陷区为研究对象,针对主采煤层典型地质赋存特征,以地下采厚(9、7、5 m)、地表黄土自然坡面坡形(直线坡、凹形坡、凸形坡、复合坡)及坡度(5°、15°、25°、35°、45°)为变量,共构建了60个数值模型,基于FLAC3D数值模拟软件,研究了黄土自然坡面形态及采厚耦合作用下坡面形态演变过程与规律,基于中国水土流失方程(CSLE模型)和经验模型,计算与分析了沉陷坡面土壤侵蚀效应.研究结果表明:①采煤沉陷会导致地表黄土坡面的坡度增大,且采厚越大,坡度增幅越大,大采厚对采煤沉陷导致地表黄土坡面坡度的增大会产生明显的放大效应.凹形坡普遍对沉陷坡面坡度的影响显著,特别是在"采厚5 m、自然坡度>5°""采厚7 m、任意自然坡度""采厚9 m、自然坡度≤35°"条件下.无论在何种采厚及自然坡形情况下,≤5°的自然坡度对沉陷坡面坡度增幅的影响均最大.②采煤沉陷会导致"年侵蚀降雨"尺度下地表黄土坡面的土壤侵蚀模数M1增大,且采厚越大,M1增幅越大;当采厚从5 m增大到9 m时,M1增幅增大了1倍左右;4种坡形中凹形坡对沉陷坡面M1的增幅影响最大;≤15°自然坡度对沉陷坡面的M1增幅影响较大,在"采厚9 m,凹形坡"条件下超过了20％.③采煤沉陷会导致"典型场次侵蚀降雨"尺度下地表黄土坡面的土壤侵蚀模数M2增大,且采厚越大,M2增幅越大;当采厚从5 m增大到9 m时,M2增幅增大了1倍左右;4种坡形中凹形坡对沉陷坡面M2的增幅影响最大;≤15°自然坡度对沉陷坡面的M2增幅影响较大,在"采厚9 m,凹形坡"条件下超过了17％.该结果可为陕北矿区乃至黄河流域中游的水土流失精准防控与高质量发展提供科学依据.