Characteristics and applications of gas resources in abandoned coal seam groups within mining areas
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摘要:
受产能过剩、资源保护、国际环境等因素影响，两淮地区关闭煤矿数量较多，但废弃矿井可利用资源丰富多样，废弃矿井瓦斯资源二次开发利用对当前社会发展具有现实意义。针对废弃矿井瓦斯资源开发中的瓦斯资源量准确预测问题，通过分析废弃矿井瓦斯的储集空间和含量特征，提出邻近上下采空区覆岩垮落裂隙空间分布形态近似2个“上下串联梯形体”；构建“先固后气−双源分步”理念(首先分水平、分块段预测剩余煤炭资源量和可采煤炭储量；其次利用分水平、分块段的煤炭资源量结合煤层瓦斯含量，预测瓦斯资源量)的废弃矿井瓦斯资源量评估模型和方法。运用建立的评估模型和方法，对淮南潘一矿废弃矿井13个可采煤层进行了剩余煤炭资源量、可采煤炭储量和瓦斯资源量的分水平、分块段的评估，采空区游离瓦斯资源量采用瓦斯卸压运移“新三带”理论，计算了13–1煤层部分采空区工作面的采空区、垮落带、导气裂隙带的游离态瓦斯资源量，采用地面L型试验井抽采了采空区下部瓦斯。研究表明：“上下串联梯形体”贯通的采空区体积大于未贯通的采空区体积；该矿剩余煤炭资源量为85 981×104 t，可采煤层煤炭资源量44 499×104 t，剩余煤炭资源量下的瓦斯资源量为
42.690334 ×108 m3，可采煤炭储量下的瓦斯资源量为22.397501 ×108 m3，采空区游离态瓦斯资源量为5612.868585 ×104 m3，抽采瓦斯总量为1 209.5×104 m3，潘一矿瓦斯资源规模较大，瓦斯资源丰富，抽采效果良好，为废弃矿井瓦斯资源利用提供方向。Abstract:Affected by overcapacity, resource protection, international environment and other factors, the number of closed coal mines in Huainan and Huaibei areas is large, but the available resources of abandoned mines are rich and diverse. The secondary development and utilization of gas resources in abandoned mines is of practical significance to the current social development. Aiming at the problem of accurate prediction of gas resources in the development of gas resources in abandoned mines, by analyzing the reservoir space and content characteristics of gas in abandoned mines, it is proposed that the spatial distribution pattern of overlying strata caving cracks in adjacent upper and lower goafs is approximately two’ upper and lower series trapezoidal bodies '. Construct the concept of “solid before gas-dual source step by step” ( first, predict the remaining coal resources and recoverable coal reserves by level and block section; secondly, the evaluation model and method of gas resources in abandoned mines are predicted by using the coal resources of sub-level and sub-block sections combined with the gas content of coal seams. Using the established evaluation model and method, the remaining coal resources, recoverable coal reserves and gas resources of 13 minable coal seams in the abandoned mine of Panyi Coal Mine in Huainan were evaluated at different levels and blocks. The free gas resources in the goaf were calculated by using the theory of ‘new three zones’ of gas pressure relief and migration. The free gas resources in the goaf, caving zone and gas-conducting fracture zone of the working face in the goaf of 13–1 coal seam were calculated, and the gas in the lower part of the goaf was extracted by using the ground L-type test well. The research shows that the volume of the mined-out area connected by the upper and lower series trapezoidal bodies is larger than that of the unconnected mined-out area. The amount of remaining coal resources in the mine is 85 981×104 t, the amount of coal resources in the minable coal seam is 44 499×104 t, the amount of gas resources under the remaining coal resources is
42.690 334 ×108 m3, the amount of gas resources under the recoverable coal reserves is22.397 501 ×108 m3, the amount of free gas resources in the goaf is 5612.868 585 ×104 m3, and the total amount of extracted gas is 1 209.5×104 m3. The scale of gas resources in Panyi Mine is large, the gas resources are abundant, and the extraction effect is good, which provides a direction for the utilization of gas resources in abandoned mines. -
0. 引 言
在“双碳”目标的驱动下，煤炭在我国未来能源生产消费结构中的地位将从主体能源向主要能源转变，继续在保障国家能源安全方面发挥兜底作用[1-2]。黄河流域尤其是中游地区，作为我国煤炭生产重心战略西移的关键接续地，对国民经济持续健康发展的支撑作用日益显著。2023年，黄河流域煤炭总产量超过37亿t，占全国总产量的78.6%，其中黄河上中游煤炭总产量超过35亿t，在支撑国民经济稳步前行以及保障国家能源安全稳固推进的进程中，发挥着极为关键且无可替代的重要作用[3-4]。陕北矿区作为黄河中游重要且特色鲜明的煤炭生产基地，高强度大规模开采已导致一系列采动损害及衍生的水土流失问题，激化了煤炭开采活动与水土保持之间的矛盾，其中采煤沉陷区尤甚[5]。因此，2024−09−12习近平总书记主持召开全面推动黄河流域生态保护和高质量发展座谈会[6]，强调“采煤沉陷区的综合治理，是黄河流域生态保护和高质量发展亟待突破的主攻方向”。
土壤抗侵蚀能力指的是土壤针对侵蚀营力所造成的分散、剥离与搬运等作用所展现出的抵抗特性，在水土流失防控进程中占据着举足轻重的地位[7-8]。ELLISON[9]和MEYER[10]将土壤抗侵蚀能力分为土壤抗溅蚀性与土壤抗冲性。朱显漠院士[11]于20世纪50年代提出土壤抗侵蚀能力是由抗蚀和抗冲2种性能构成，并认为黄土高原区的土壤侵蚀主要是由少数几场大暴雨所致，径流冲刷动力远大于降雨侵蚀动力产生的泥沙量流失。因此，黄土高原土壤侵蚀主要源于径流冲刷，以致国内外学者逐渐关注土壤抗冲能力的研究。吴普特等[12]采取人工模拟降雨的试验方法，发现不同种类的土壤在冲刷作用下展现出的抗冲性能各有差异，而侵蚀沟所呈现出的各式各样的形态与土壤质地之间存在着极为紧密的联系；李勇等[13]、蒋定生等[14]采取原状土冲刷槽法，得到不同植被类型下土壤的抗冲性，并分析得到植被类型和土壤理化性质都是影响土壤抗冲性的主要因素；柏兰峰等[15]基于原位监测、野外自然冻融和原状土冲刷试验3个方法，揭示了黄土高原在冻融及不同土地利用方式条件下土壤抗冲性的变化规律；郭明明等[16]将黄土沟壑区自然退耕的农业用地作为研究对象，通过径流小区冲刷法研究发现了水稳性团聚体对黄土沟壑区土壤的抗冲性起决定性作用；沙小燕等[17]采用原状土槽冲刷法，研究了黄土沟壑区100 cm以内的土壤理化性质和抗冲性特征，得到黄土沟壑区土壤水稳性团聚体质量分数、有机质质量分数以及植物根长密度等理化性质指标和土壤抗冲性之间存在着极为显著的相关性。
目前大量研究多集中于植被类型和土地利用类型对土壤抗冲性的影响，而针对采动地裂缝发育区土壤抗冲性的相关研究在国内外还鲜有报道。采动地裂缝作为陕北煤炭基地最为典型的采动损害形式，其对地表生态环境产生的影响已成为确凿无疑的客观事实。鉴于此，本研究以陕北煤矿区采动地裂缝周边表层土壤（水平距离80 cm以内）为研究对象，测定>0.25 mm水稳性团聚体、土壤机械组成、有机质等土壤抗冲性影响因素及土壤抗冲系数，揭示不同宽度的采动地裂缝对周围土壤抗冲性影响因子及土壤抗冲系数的影响规律，构建陕北采动地裂缝发育区表层土壤抗冲系数预测模型。研究结果对丰富和深化对黄河中游煤矿采动损害区水土流失效应的科学认识具有重要意义。
1. 研究区概况
研究区坐落于陕北柠条塔井田，所处地理位置介于东经109.67°—110.90°，北纬38.22°—39.45°。该区气候呈现出典型的中温带半干旱大陆性气候特征，年平均降雨量约400 mm。研究区可划分为风沙草滩与黄土沟壑两大类型地貌，区内土壤结构疏松，地表植被稀少，水土流失严重，生态环境十分脆弱[18]。研究区域土壤侵蚀剧烈，常年土壤侵蚀模数超出5 000 t/(km2·a)，近年来表现出土壤侵蚀强度由中度及以下向强度及以上演变[19]。研究区主采煤层具有埋藏深度浅、煤层厚度大、上覆基岩薄等突出特性，在长壁综采方式下极易导致高密度的采动地裂缝发育[20]。据现场调查，宽度0～30 cm采动地裂缝的数量约占研究区60%以上[20]，对地表生态环境造成极为严重的损害，水土流失现象也随之急剧恶化，如图1所示。
2. 材料与方法
2.1 样品采集
以陕北柠条塔井田北翼采煤沉陷区为采样区，中心坐标为E110°18′71″，N39°08′79″。区内坡面形状呈现出均匀一致的态势，坡面平均坡度22°，坡长平均50 m，坡向（SW）与工作面的推进方向大体上保持一致，坡面植被覆盖度43%左右[21]。
琚成远等[22]、吴群英等[23]、毕银丽等[24]及笔者团队[25]已取得的研究成果充分证实了陕北煤矿区采动地裂缝对土壤质量、植被群落的影响主要集中在裂缝两侧水平距离100 cm以内，而核心影响范围在水平距离80 cm以内。基于上述科学认识，制定采样方案如下：首先，选择坡向一致、形态相似且位置相近的黄土沉陷坡面作为样地目标，在该类坡面上选择形成时间约为1～2个月，裂缝宽度介于0～10 cm、10～20 cm以及20～30 cm的3个区间，且每种宽度的裂缝各取3条，共9条。对于每条被选定的地裂缝，依循10～15 m的等距间隔标准布置3个采样断面，在各个采样断面上沿着与裂缝垂直的法向方向设置水平距离分别为20、40、60、80 cm的4个采样点；随后，在各采样点一方面采用自制环刀（长10 cm，宽10 cm，高5 cm）及铝盒（直径4 cm，高2.5 cm）采集原状土样品进行土壤抗冲系数及>0.25 mm水稳性团聚体含量实测，共计216个样品，另一方面采用土钻采集表层土壤样品进行土壤质地等抗冲影响因素检测，共计108个样品；最后，在相邻未开采区域内选取坡面形态、植被群落及覆盖程度相近或相似的黄土坡面，依前法随机选取3个采样点采集土样作为空白对照（图2），共计6个样品；总计采集330个土壤样品。将野外采集的土壤样品带回实验室，剔除土壤里混杂的石块、植物根系等杂质异物以便后续试验检测。
2.2 土壤抗冲性关键影响因子选取
根据李勇等[13]、蒋定生等[14]关于土壤抗冲性关键因素的研究成果，充分结合研究区植被覆盖度低、植被类型单一等实际特点，本文将土壤机械组成、有机质、水稳性团聚体等作为采动地裂缝发育区土壤抗冲性的影响因子进行研究，见表1。
表 1 土壤抗冲性影响因子Table 1. Influencing factors of soil anti-scourability2.3 试验方法
土壤机械组成采用MS2000型激光粒度仪通过激光衍射法测定，依照中国制土壤粒级分类标准以黏粒（<0.002 mm）、粉粒（0.002～0.050 mm）和砂粒（>0.05 mm）的百分比质量分数来进行描述；土壤水稳性团聚体（>0.25 mm）采用XY-100型土壤团聚体分析仪进行测定；土壤有机质采用德国普兰德Titrette滴定仪进行测定；为精准获取土壤抗冲系数这一关键数据，本文参照了李勇等[13]、蒋定生等[14]、柏兰峰等[15]所运用的原状土冲刷法（图3）进行测定，按研究区沉陷坡面的平均坡度确定试验坡度为22°，以该地区极端降雨量进行折算[15,26]，将冲刷流量设置为4 L/min。大量实测与研究结果显示[13,27]，随着时间增加，土壤中易被冲刷的颗粒逐渐变少，在10 min时基本达到稳定状态，故将此作为本次试验时长。冲刷结束后将其静置沉淀，随后将沉淀桶中的泥沙烘干，并称取泥沙质量（单位为g），并通过式（1）计算土壤抗冲系数。
2.4 数据处理及分析方法
本文借助Excel 2016 对试验数据整理归类，采用Origin2021、Arcgis10.2、Coreldraw2022等软件绘制图片，使用SPSS 24.0软件统计分析，显著性分析采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和双因素方差分析（two-way ANOVA），并用最小显著性差异法（LSD）进行多重比较，采用蒋定生等[12]提出的土壤抗冲系数当作衡量土壤抗冲性的指标，其具体含义为在冲刷过程中，每冲刷单位质量的土壤所必需消耗的水量与所花费时间两者的乘积，计算式见式（1）。
$$ K_{\mathrm{c}}=Q t / W $$ (1) 式中：Kc为抗冲系数，L/g；Q为冲刷流量，L/ min；t为冲刷时间，min；W为冲刷掉的土壤干重，g。
3. 结果与分析
3.1 采动地裂缝对周围土壤理化特性的影响
冲刷作用产生的累积径流泥沙量可直接反映土壤稳定性与水土流失程度的核心物理指标之一，土壤抗冲系数作为体现土壤抵抗径流侵蚀能力的关键物理参数，这两者均是直接反映土壤的抗冲性的重要指标；土壤的机械组成（土壤质地）、有机质和>0.25 mm水稳性团聚体，对土壤孔隙状况、水力特性以及土壤肥力状况等关键的土壤物理化学特性产生极为强劲的影响作用，均是评价土壤抗冲性的重要影响因子[16-17]。分别测定了研究区内距不同宽度（0～10、10～20、20～30 cm）裂缝下不同水平距离（20、40、60、80 cm）处表层土壤机械组成、水稳性团聚体、有机质、累积径流泥沙量等指标，并通过式（1）计算土壤抗冲系数。
3.1.1 对土壤机械组成的影响
针对不同宽度的采动地裂缝，绘制了在距离裂缝不同水平距离位置上的表层土壤质地分布情况三角图，如图4所示。
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图 4 不同宽度采动地裂缝的周围土壤质地三角图Figure 4. Triangular diagram of soil texture around mining-induced ground fissures with different widths不同宽度采动地裂缝的周围表层土壤质地类型均为粉质壤土，与CK一致，其中粉粒和砂粒（>0.05 mm）占绝对优势，二者之和可达85%～95%，但砂粒质量分数呈明显上升趋势，黏粒质量分数呈下降趋势。当采动地裂缝宽度介于0～10 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤中砂粒质量分数的增幅依次为30.9%（p<0.05）、23.0%（p<0.05）、10.8%（p<0.05）、7.0%，黏粒质量分数的降幅依次为28.7%（p<0.05）、20.8%（p<0.05）、8.2%（p<0.05）、2.5%；当采动地裂缝宽度介于10～20 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤中砂粒质量分数的增幅分别为38.4%（p<0.05）、20.6%（p<0.05）、12.4%（p<0.05）、6.4%，黏粒质量分数的降幅依次为45.4%（p<0.05）、21.8%（p<0.05）、16.5%（p<0.05）、11.3%（p<0.05）；当采动地裂缝宽度介于20～30 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤中砂粒质量分数的增幅分别为56.9%（p<0.05）、44.8%（p<0.05）、37.4%（p<0.05）、26.6%（p<0.05），黏粒质量分数的降幅依次为58.1%（p<0.05）、46.8%（p<0.05）、42.7%（p<0.05）、37.1%（p<0.05）。由此可见：无论在何种宽度下，采动地裂缝均会导致周围表层土壤（水平距离80 cm以内）黏粒质量分数降低和砂粒质量分数增加，并且表现出裂缝宽度愈宽、距裂缝水平距离愈近，该增大效应越强的规律。
3.1.2 对土壤有机质的影响
针对不同宽度的采动地裂缝，绘制了距裂缝不同水平距离位置处表层土壤有机质质量分数的对比，如图5所示。
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图 5 不同宽度采动地裂缝周围土壤有机质质量分数变化注：图中不同小写字母表示p<0.05水平上差异显著。Figure 5. Variation of soil organic matter mass fraction around mining ground fissures with different widths不同宽度采动地裂缝的周围表层土壤有机质质量分数为4.04%～7.76%，且采动地裂缝的发育会产生降低周围表层土壤有机质质量分数的效应。当采动地裂缝宽度介于0～10 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤中有机质质量分数的增幅分别为22.3%（p<0.05）、17.7%（p<0.05）、11.2%（p<0.05）、3.9%；当采动地裂缝宽度介于10～20 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤中有机质质量分数的增幅分别为36.6%（p<0.05）、32.0%（p<0.05）、25.5%（p<0.05）、19.6%（p<0.05）；当采动地裂缝宽度介于20～30 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤中有机质质量分数的增幅分别为47.9%（p<0.05）、43.6%（p<0.05）、36.0%（p<0.05）、30.2%（p<0.05）。由此可见：无论在何种宽度下，采动地裂缝都会产生降低周围土壤有机质的效应，且表现出裂缝宽度愈宽、距裂缝水平距离愈近，该效应越强的规律。
3.1.3 对土壤水稳性团聚体的影响
绘制了不同宽度采动地裂缝周围不同水平距离上表层土壤>0.25 mm水稳性团聚体质量分数对比，如图6所示。
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图 6 不同宽度采动地裂缝周围土壤>0.25 mm水稳性团聚体质量分数变化注：图中不同小写字母表示p<0.05水平上差异显著。Figure 6. Variation of mass fraction of >0.25 mm water-stable aggregates in soil around mining-induced ground fissures with different widths不同宽度采动地裂缝的周围表层土壤>0.25 mm水稳性团聚体质量分数的范围为20.20%～45.36%，且采动地裂缝会产生降低周围表层土壤>0.25 mm水稳性团聚体质量分数的效应。当采动地裂缝宽度介于0～10 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤中>0.25 mm水稳性团聚体质量分数增幅分别为31.0%、23.9%、20.0%、15.2%；当采动地裂缝宽度介于10～20 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤中>0.25 mm水稳性团聚体质量分数增幅分别为42.1%、38.5%、29.9%、26.4%；当采动地裂缝宽度介于20～30 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤中>0.25 mm水稳性团聚体质量分数增幅分别为55.5%、50.0%、46.5%、45.8%，以上数据均达到显著差异（p<0.05）。由此可见：无论在何种宽度下，采动地裂缝都会产生降低周围土壤>0.25 mm水稳性团聚体质量分数的效应，且表现出裂缝宽度愈宽、距裂缝水平距离愈近，该效应越强的规律。
3.2 采动地裂缝对周围土壤抗冲性的影响
3.2.1 对径流泥沙量的影响
冲刷过程中径流泥沙量随时间的动态变化可直接反映冲刷作用导致泥沙流失与土壤抗冲性能的动态演变过程。为此，本文绘制了研究区内不同宽度采动地裂缝周围表层土壤经冲刷作用产生的泥沙量随时间的变化过程（图7），以及经冲刷作用达到平衡状态（3 min）下的累径流泥沙量的增幅、增量变化，如图8所示。由图7和图8可知：
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图 7 不同冲刷时间下径流泥沙量的变化Figure 7. Variation of runoff and sediment under different scouring time![]()
图 8 不同宽度采动地裂缝周围累计径流泥沙量（3 min内）增量、增幅变化注：图中不同小写字母表示p<0.05水平上差异显著。Figure 8. Accumulated runoff and sediment increment ( within 3 minutes ) around mining ground fissures with different widths1）在原状土冲刷试验过程中，随冲刷时间的增加，径流泥沙量呈“速增（0～1 min）、缓增（1～3 min）、稳持（3～10 min）”三段式变化规律。冲刷初始时，水流凭借强大冲击力迅速剥离土壤表层松散颗粒导致泥沙量急剧上升；随着冲刷的持续进行，土壤表层易被径流冲刷的颗粒减少，泥沙量增长速率显著放缓；经历一段时间后，土壤结构历经破坏后易被径流冲刷的颗粒物质所剩无几，泥沙量不再有明显波动。当采动地裂缝宽度介于0～10 cm时，水平距离0～80 cm表层土壤经冲刷作用后在0～1、1～3、3～10 min冲刷时间段内产生的径流泥沙量对总径流泥沙量（10 min）的贡献率依次介于65.2%～72.2%、22.4%～29.4%、5.4%～6.4%；当采动地裂缝宽度介于10～20 cm时，水平距离0～80 cm表层土壤经冲刷作用后在0～1、1～3、3～10 min冲刷时间段内产生的径流泥沙量对总径流泥沙量的贡献率依次介于63.9%～72.4%、22.3%～30.2%、5.3%～6.3%；当采动地裂缝宽度介于20～30 cm时，水平距离0～80 cm表层土壤经冲刷作用后在0～1、1～3、3～10 min冲刷时间段内产生的径流泥沙量对总径流泥沙量的贡献率依次介于62.4%～76.8%、19.4%～32.2%、3.8%～7.9%。因此，距任意宽度采动地裂缝的任意水平距离下的表层土壤在经冲刷3 min后均达到平衡状态，其对总径流泥沙量的贡献占比均在90%以上，这与伏耀龙等[28]、金晓等[29]、韩美清等[30]的研究结论一致。
2）当采动地裂缝宽度介于0～10 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤经冲刷达到平衡状态（3 min）后累积径流泥沙量的平均增量依次为0.52、0.16、0.03、0.01 g，平均增幅为19.5%（p<0.05），6.0%，1.1%，0.4%；当采动地裂缝宽度介于10～20 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤经冲刷达到平衡状态后累积径流泥沙量的平均增量依次为0.62、0.26、0.09、0.05 g，平均增幅为23.3%（p<0.05），9.8%（p<0.05），3.4%，1.9%；当采动地裂缝宽度介于20～30 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤经冲刷达到平衡状态后累积径流泥沙量的平均增量依次为1.15、0.64、0.2、0.11 g，平均增幅为43.2%（p<0.05），24.1%（p<0.05），7.5%，4.1%。由此可见：随着采动地裂缝宽度的增大，其周围表层土壤在冲刷过程中所产生的径流泥沙量呈现增大的趋势，平均增幅介于0.4%～43.2%，且裂缝宽度愈宽、距裂缝水平距离愈近，该趋势愈明显。
3.2.2 对土壤抗冲系数的影响
土壤抗冲系数作为体现土壤抵抗径流侵蚀能力的关键物理参数，也是直接反映土壤的抗冲性的重要指标。绘制了不同宽度采动地裂缝周围表层土壤在平衡状态下（0～3 min）土壤抗冲系数增幅、增量变化，如图9所示。
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图 9 不同宽度采动地裂缝周围土壤抗冲系数增量、增幅变化注：图中不同小写字母表示p<0.05水平上差异显著。Figure 9. Variation of soil anti-scour coefficient increment and amplification around mining ground fissures with different widths由图9可知：相较于对照组，当采动地裂缝宽度介于0～10 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤冲刷时间3 min内的土壤抗冲系数分别减小了0.85、0.34、0.13、0.11，降幅依次为18.2%（p<0.05）、7.3%、2.8%、2.4%；当采动地裂缝宽度介于10～20 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤冲刷时间3 min内的土壤抗冲系数分别减小了0.97、0.48、0.24、0.17，降幅依次为20.7%（p<0.05）、10.3%（p<0.05）、5.1%、3.6%；当采动地裂缝宽度介于20～30 cm时，在水平距离分别为20、40、60、80 cm位置上的表层土壤冲刷时间3 min内的土壤抗冲系数分别减小了1.5、0.99、0.42、0.38，降幅依次为32.1%（p<0.05）、21.2%（p<0.05）、9.0%、8.1%。由此可见：① 随着采动地裂缝宽度的增大，其周围表层土壤抗冲系数呈现减小的趋势，降幅介于2.4%～32.1%，且裂缝宽度愈宽、距裂缝水平距离愈近，该趋势越明显。② 建立了平衡状态下（3 min内）陕北采动地裂缝发育区土壤抗冲系数预测模型，见式（2），并计算发现宽度为0～10，10～20，20～30 cm的采动地裂缝对周围表层土壤抗冲系数的影响在距裂缝水平距离分别超过102、132、158 cm时基本消失。
$$\begin{array}{c} K_{{\mathrm{c i}}}=-1\;250 \varphi^2+1.43 \varphi-2.88 d^2+4.38 d+4.45 \\ R^2=0.96 \end{array} $$ (2) 式中：Kci为裂缝区的土壤抗冲系数，L/g；φ为裂缝宽度，m；d为距裂缝水平距离，m。
需要说明的是，本文所构建的陕北采动地裂缝发育区土壤抗冲系数预测模型的精度与适用范围还需通过非采样区的相关实测数据进行验证与优化，这也是下一步工作的重点。
3.3 土壤抗冲性与土壤理化特性的相关性分析
考虑到采动地裂缝影响土壤的核心范围（0～80 cm）内土壤理化特性指标与土壤抗冲性指标的变化规律存在高度一致性，故将核心范围视为一个整体，分析>0.25 mm水稳性团聚体、土壤机械组成、有机质等土壤理化特性指标与土壤抗冲系数、累积径流泥沙量（0～3 min）等土壤抗冲性指标的相关性，结果如图10所示。由此可知，不同宽度采动地裂缝周围表层土壤经冲刷作用产生的累积径流泥沙量及土壤抗冲系数与黏粒、粉粒、砂粒、有机质和>0.25 mm水稳性团聚体5个变量均达到极显著相关性（p<0.01）。其中，砂粒与累积径流泥沙量呈极显著正相关（p<0.01），黏粒、粉粒、有机质和>0.25 mm水稳性团聚体均与累积径流泥沙量呈极显著负相关（p<0.01）；黏粒、粉粒、有机质和>0.25 mm水稳性团聚体均与土壤抗冲系数呈极显著正相关（p<0.01），砂粒与土壤抗冲系数呈极显著负相关（p<0.01）。由于砂粒、粉粒、黏粒质量分数土壤机械组成中存在共线属性，而砂粒质量分数不仅在土壤结构中起着关键的物理支撑作用，而且与土壤抗冲性的相关系数最高。因此，根据相关系数大小排序，将砂粒（r=−0.93）、有机质（r=0.82）、>0.25 mm水稳性团聚体质量分数（r=0.77）作为陕北采动地裂缝发育区土壤抗冲性的主控因素。
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图 10 土壤抗冲性与土壤理化性质相关分析注：*为p<0.05；**为p<0.01。Figure 10. Correlation analysis of soil anti-scourability and soil physical and chemical properties4. 讨 论
陕北黄土沟壑区由于地表梁峁起伏及黄土力学属性（垂直节理发育、湿陷性强、高孔隙比等）等特殊的地质条件，致使地下采煤活动更容易导致采动地裂缝的多形态发育和不规则分布[24]。加之区域内植被覆盖低，对土壤加固作用弱，降水影响下土壤水分分布不均，促进了采动地裂缝的产生[20]。采动地裂缝对土壤孔隙特征、植物根系性状以及微生物的影响集中体现在土壤质地、有机质质量分数、水稳性团聚体质量分数等土壤特性的改变，进而深刻影响着土壤的抗冲性[19]。
1）采动地裂缝发育后，直接导致周边土壤松动，造成土壤容重降低，孔隙率增大，从而对土壤的物理结构产生显著性影响，相关研究[31-32]已充分证实了这一科学认识。首先，增大的孔隙率使土壤与大气之间的交换速率得到显著增强，土壤孔隙中的氧气含量大幅提高。在氧气的“催化”下，土壤有机质的氧化分解速率持续上升，其分解进程不断加快，此情形直接造成土壤有机质含量呈递减趋势，而有机质又是土壤颗粒的重要胶结物质，随着有机质含量的减少，其胶结作用逐渐减弱，使原本紧密结合的团聚体开始瓦解，分解成更小的颗粒单元，这无疑改变了土壤中的团聚体结构和不同粒径颗粒的分布格局。其次，增大的孔隙率为降水和地表径流入渗创造了更多的可能性。在地表径流的强劲冲蚀与地表风的持续吹拂之下，土壤里的微小粒径物质（例如<0.002 mm黏粒）连同可溶性有机质，皆会被裹胁并沿着地裂缝通道发生垂向迁移，这种持续的流失现象使得土壤中的固相物质成分逐渐发生改变，进而引起土壤机械组成的变化[33]。最后，采动地裂缝的产生，使得周围土壤孔隙率增大，以致土壤的蒸发表面积得以扩张，土壤水分加速逃逸，持水能力直线下降。同时，土壤溶液浓度持续升高，促使小粒径颗粒在“聚沉效应”这一作用下，不断向大粒径颗粒转变，进而推动土壤砂粒、粉粒质量分数不断攀升[8]。因此，采动地裂缝越宽或距裂缝愈近，土壤孔隙率增幅越大，黏粒与有机质损失越多，土壤团聚体水稳性越低。
2）采动地裂缝的发育作为煤炭开采等活动引发的显著采动损害形式[21]，对土壤生态系统产生了多维度的深刻影响。土壤与外界空气和热量之间，其交互作用显著强化，交换强度呈持续上升之势；与此同时，土壤内部水、肥、气、热这些关键要素的固有平衡被打破，对土壤微生物群落造成了强劲冲击[34-35]。据相关研究表明[36]，地裂缝周边土壤中的细菌、真菌以及放线菌等各类微生物的数量均呈现出不同程度的下降，最大可减少70.2%。首先，当土壤微生物数量下降时，其对土壤团聚体胶结复合作用的就会明显削弱作用[37-38]，其原因是真菌菌丝及微生物细胞所携带的电荷、分泌的细胞外聚合物质（EPS）等均是构建团聚体不可或缺的关键胶结剂[39]。其次，在土壤生态系统中，植物凋落物等有机物质若要转化为腐殖质这一稳定形态，必须借助微生物的分解代谢作用。当微生物数量减少时，这一有机物质转化链条便会断裂，土壤有机质的生成与积累速率必然减缓，质量分数也会相应降低[40]。最后，微生物数量的降低削弱了团聚体的胶结复合能力，大团聚体分解为小团聚体或单粒，改变了各粒径颗粒的比例关系，从而影响土壤机械组成[41]。因此，采动地裂缝越宽或距裂缝愈近，土壤微生物受到的干扰和破坏就越强烈，进而导致土壤中有机质质量分数、水稳性团聚体质量分数减小，土壤的结构稳定性越差[16-17]，土壤抗冲性也就越弱。
3）采动地裂缝发育后，土壤的物理结构被破坏，变得松散且不稳定。植物根系在生长过程中遇到地裂缝时，其延伸方向会被改变，部分根系可能会因陷入裂缝而受损甚至断裂，导致根系无法正常地在土壤中拓展和吸收养分与水分[42-44]。首先，植物根系生长受限不仅会直接导致土壤中有机质输入的减少，而且会降低植物根系分泌黏液、糖类等物质的能力，从而使得土壤微生物活性因碳源不足而降低，进而影响土壤有机质的合成与分解平衡，导致有机质含量下降[45]。其次，当根系生长不良，其在土壤中的分布密度降低，对土壤的“固土作用”减弱，植物根系于土壤内凭借穿插包裹作用催生水稳性大团聚体的效能被削弱[46-47]。最后，地裂缝破坏了土壤的整体性和连续性，根系的机械缠结效果被严重削弱，土体的水稳结构变得松散脆弱，抗冲性显著下降，土壤更容易遭受侵蚀和破坏[48]。同时，植被的地上部分生长也会受到抑制，植被覆盖度降低[49]，雨滴对土壤表面的直接冲击增加，地表径流更容易产生，进一步破坏土壤结构，持续降低土壤的抗冲性。
此外，砂粒质量分数、>0.25 mm 水稳性团聚体质量分数和有机质含量之间也存在着密切的相互关系。土壤有机质是土壤团聚体的重要胶结物质，会影响水稳性团聚体的稳定性。当土壤有机质减少时，>0.25 mm 水稳性团聚体更容易破碎，其质量分数随之下降[50]；同时，砂粒质量分数的增加会占据原本团聚体之间的空间，进一步削弱土壤团聚体的稳定性，以致土壤团聚体在水流等外力作用下加速破碎[51]；砂粒对土壤有机质的吸附远不如黏粒[40]，以致砂粒质量分数的增大不利于有机质在土壤中的保存和分布。这3个因素相互耦合共同影响着土壤抗冲性。砂粒质量分数增加、>0.25 mm 水稳性团聚体质量分数降低以及有机质含量减少共同作用，使得土壤结构变得松散，抗冲性大幅下降[24]。以致在降雨过程中，地表径流能够轻易地冲刷表层土壤，带走土壤颗粒，加剧水土流失[46]。更为重要的是，土壤抗冲性的降低会进一步增强土壤侵蚀，而土壤侵蚀的增强又会导致砂粒的进一步分选和团聚体的进一步破坏以及有机质的进一步流失，进而再次降低土壤抗冲性，形成一个恶性循环。
5. 结 论
1）采动地裂缝周围表层土壤经冲刷作用产生的径流泥沙量随着冲刷时间的增加呈现出“速增（0～1 min）、缓增（1～3 min）、稳持（3～10 min）”三段式变化过程，裂缝区因冲刷而产生的泥沙流失量主要集中在3 min以内，其贡献率达到90%以上。在相同冲刷时间下，采动地裂缝周围表层土壤经冲刷作用产生的径流泥沙量会随裂缝宽度的增大和距裂缝水平距离的减小而增加，最大增幅为43.2%。
2）采动地裂缝会产生大幅降低周围表层土壤抗冲性的效应，最大降幅为32.1%，且这种负面效应会随着裂缝宽度的增大和距离裂缝水平距离的减小而逐渐增大。基于相关性分析，土壤抗冲系数与砂粒质量分数呈极显著负相关（p<0.01），与黏粒、>0.25 mm水稳性团聚体、有机质质量分数呈极显著正相关（p<0.01），其中砂粒、有机质、>0.25 mm水稳性团聚体质量分数可作为陕北采动地裂缝发育区土壤抗冲性的主控因素。
3）基于实测数据，构建了以采动地裂缝宽度、距裂缝水平距离为变量的采动地裂缝发育区表层土壤抗冲系数预测模型，通过计算发现宽度为0～30 cm采动地裂缝降低周围表层土壤抗冲性的最大影响边界为158 cm，其可作为陕北采动地裂缝发育区土壤水蚀防控的靶向区域。
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图 1 潘一煤矿区段划分及位置关系
Figure 1. Division and position relationship of panyi coal mine sections
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图 4 采空区相邻采空区裂隙“上下串联梯形体”简化模型
Figure 4. Simplified model of “up and down connected ladder shaped” fractures in adjacent goaf areas
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图 6 煤层瓦斯含量与煤层埋深的关系
Figure 6. Relationship between coal seam gas content and coal seam burial depth
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图 7 煤层瓦斯含量与煤层面积关系
Figure 7. Relationship between coal seam gas content and coal seam area
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图 11 L型试验井位置示意
（a） PX2–1试验井（b）PX2–2试验井
Figure 11. Schematic diagram of L-shaped test well location
表 1 剩余煤炭资源储量预测结果
Table 1 Prediction results of remaining coal resource reserves
估算
单元(煤层)正常块段
资源储量/104 t各类煤柱
资源量/104 t剩余煤炭
资源储量/104 t17–1 2702 552 3254 16–2 2670 705 3375 13–1 14257 4154 18411 11–2 5409 1679 7088 8 8259 2375 10634 7–1 6124 1680 7804 6–1 3803 1299 5102 5–2 1853 508 2361 5–1 2369 645 3014 4–2 2481 687 3168 4–1 7467 2172 9639 3 3870 2040 5910 1 4059 2162 6221 合计 65 323 20 658 85981 
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表 2 部分块段剩余煤炭资源储量预测结果
Table 2 Prediction results of remaining coal resource reserves in some blocks
采区 水平 块段号 煤类 水平面积/104 m2 倾角/(°) 煤厚/m 视密度/(t·m−3) 储量/104 t 中央区 风(氧)化带下限～露头防水煤柱 P2111 011 QM 2.86 6.7 4.03 1.42 16.00 露头防水煤柱～–530 m P2132 231 QM 19.58 6.0 3.62 1.42 101.00 −530～–800 m P2143 871 QM 4.14 8.4 5.23 1.42 31.00 中央工广区 露头防水煤柱～–530 m Q2122 191 QM 3.27 3.8 4.67 1.42 22.00 −530～–800 m Q2123 171 QM 17.90 6.2 3.70 1.42 95.00 东区 露头防水煤柱～–530 m S2002 721 QM 15.97 19.6 3.02 1.42 73.00 −530～–800 m S2003 561 QM 188.09 5.7 4.26 1.42 1 144.00 东区工广区 −530～–800 m T2123 611 QM 110.71 7.0 3.05 1.42 483.00
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表 3 可采煤炭储量预测结果
Table 3 Predicted results of recoverable coal reserves
煤层 煤类 合计/104 t 煤层 煤类 合计/104 t 17–1 QM 1322 5–1 1/3 JM 1 378 17–1 1/3 JM 214 4–2 1/3 JM 1 415 16–2 QM 1527 4-1 QM 1 124 13–1 QM 10432 4-1 1/3 JM 4 551 11–2 QM 723 3 QM 474 11–2 1/3 JM 3406 3 1/3 JM 1 131 8 QM 1633 1 QM 415 8 1/3 JM 4585 1 1/3 JM 1 338 7–1 QM 1324 1 WY 324 7–1 1/3 JM 3315 总计 QM 19 373 6-1 QM 399 1/3 JM 24 802 6-1 1/3 JM 2397 WY 324 5–2 1/3 JM 1 072 44 499
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表 4 剩余煤炭资源量下瓦斯资源量预测结果
Table 4 Prediction results of gas resources under remaining coal resources
估算单元(煤层) 煤炭资源量/104 t 原煤空气干燥基甲烷含量/(m3·t−1) 瓦斯资源量/108 m3 非煤柱 各类煤柱 非煤柱 各类煤柱 合计 17–1 2 702 552 2.62 0.707 924 0.144624 0.852548 16–2 2 670 705 2.68 0.715 560 0.188 940 0.904 500 13–1 14 257 4 154 5.65 8.005 520 5 2.347 010 10.402215 11–2 5 409 1 679 5.22 2.823 498 0.876438 3.699936 8 8 259 2 375 4.97 4.104 723 1.180375 5.285098 7–1 6 124 1 680 5.39 3.300 836 0.905 520 4.206356 6–1 3 803 1 299 5.78 2.198 134 0.750822 2.948956 5–2 1 853 508 3.42 0.633 723 0.173736 0.807462 5–1 2 369 645 4.72 1.118 168 0.304 440 1.422608 4–2 2 481 687 5.70 1.414 170 0.391 590 1.805 760 4–1 7 467 2 172 5.14 3.838 038 1.116408 4.954446 3 3 870 2 040 4.53 1.753 110 0.924 120 2.677 230 1 4 059 2 162 4.15 1.684 485 0.897 230 2.581715 合计 65 323 20658 32.347 577 10.201 253 42.548 830
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表 5 可采煤炭储量下的瓦斯资源量预测结果
Table 5 Prediction results of gas resources under recoverable coal reserves
估算单元(煤层) 煤炭资源量/104 t 原煤空气干燥基甲烷含量/(m3·t−1) 瓦斯资源量/108 m3 17–1 1 536 2.62 0.402432 16–2 1 527 2.68 0.409236 13–1 10 432 5.65 5.894 080 11–2 4 129 5.22 2.155338 8 6 218 4.97 3.090346 7–1 4 639 5.39 2.500421 6–1 2 796 5.78 1.616088 5–2 1 072 3.42 0.366624 5–1 1 378 4.72 0.650416 4–2 1 415 5.70 0.806 550 4–1 5 675 5.14 2.916 950 3 1 605 4.53 0.727065 1 2077 4.15 0.861955 合计 44 499 22.397 501
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表 6 采空区游离态瓦斯资源量预测结果
Table 6 Prediction results of free coalbed methane resources in goaf
区域 面积/m2 采厚/m 采空区游离瓦斯资源量/104 m3 东三采区采空区 1 715489.12 8 5 612.868585 东一、东二采区采空区 4 798596.95 8 西一、西二、西三采区采空区 6 014638.45 8
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表 7 13–1煤层部分采空区游离态瓦斯资源量预测结果
Table 7 Prediction results of free coalbed methane resources in partially goaf areas
工作面 采空区 垮落带 (裂隙带)导气裂隙带 面积/
m2采高/
m资源量/
104 m3高度/
m体积/
m3资源量/
104 m3高度/
m体积/
m3资源量/
104 m31401(3) 91 200 1.80 9.18 5.97 544 464 10.50 22.61 2 062 032 27.92 1402(3) 172 700 2.20 21.26 7.34 379 940 24.50 36.50 6 303 550 92.66 14021(3) 81 740 2.00 9.15 7.74 632 667.6 12.95 17.61 1 439 441.4 14.84 14032(3) 113 420 2.20 13.96 6.70 759 914 14.29 19.36 2 195 811.2 26.42 1511(3) 144 000 4.64 37.38 13.80 1 987 200 36.41 37.90 5 457 600 63.86 1602(3) 105 000 2.20 12.92 9.00 945 000 19.71 25.00 2 625 000 30.91
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