風(fēng)沙區(qū)采煤沉陷裂縫對表層土壤含水量的影響?

臺曉麗 胡振琪 陳 超

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所,北京市海淀區(qū),100083)

★節(jié)能與環(huán)?！?/p>

風(fēng)沙區(qū)采煤沉陷裂縫對表層土壤含水量的影響?

臺曉麗 胡振琪 陳 超

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所,北京市海淀區(qū),100083)

為探究西部風(fēng)沙區(qū)采煤沉陷裂縫對周邊表層土壤含水量的影響特征,采用TDR對動態(tài)裂縫和邊緣裂縫兩側(cè)不同距離處的含水量進(jìn)行了動態(tài)精細(xì)監(jiān)測。通過統(tǒng)計分析,確定了動態(tài)裂縫和邊緣裂縫對周邊表層含水量的影響范圍和周期。結(jié)果表明：在動態(tài)裂縫整個發(fā)育周期內(nèi),裂縫周邊表層土壤含水量呈現(xiàn)出一個先下降后上升再小幅度下降又上升的趨勢,相對出露側(cè)的含水量損失量普遍大于相對塌陷側(cè);相對于動態(tài)裂縫,邊緣裂縫的影響范圍和周期更大,但在土壤自修復(fù)作用下含水量均能得到恢復(fù)。采煤沉陷裂縫對表層土壤含水量影響不大,是短暫的,在較短時間內(nèi)可實現(xiàn)自修復(fù)。

風(fēng)沙區(qū) 裂縫 相對出露側(cè) 相對塌陷側(cè) 自修復(fù)

煤炭開采在推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時,不可避免的對生態(tài)環(huán)境造成破壞。神東礦區(qū)煤炭資源賦存條件較好,開采強(qiáng)度高,給原本脆弱的生態(tài)環(huán)境帶來更大損害,主要表現(xiàn)為地裂縫對表層土壤水分的破壞,土壤水分因此成為制約當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的主要因素。邊緣裂縫多分布在工作面開采邊界的內(nèi)側(cè),動態(tài)裂縫則分布在工作面中間區(qū)域,隨開采進(jìn)度發(fā)生變化。在區(qū)分兩種裂縫的基礎(chǔ)上,根據(jù)裂縫發(fā)育特征,對12406綜采工作面裂縫周邊不同距離處的土壤含水量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測,探討開采對裂縫周邊土壤含水量的影響特征,以期為風(fēng)沙區(qū)采煤沉陷地土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)工作提供理論參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選為神東補連塔礦區(qū)12406工作面,處于毛烏素沙漠和黃土丘陵過渡地帶。屬中溫帶半干旱大陸性氣候,冰凍期時間長。土壤以蓋沙黃土為主,顆粒組成較粗、疏松無結(jié)構(gòu)、儲水保肥能力差。受狂暴雨、大風(fēng)等惡劣氣候因素的影響,土壤侵蝕嚴(yán)重,加之采礦活動影響,礦區(qū)生態(tài)環(huán)境不斷惡化。

工作面采用長壁開采、垮落式管理頂板方式,開采1-2煤層,工作面長度為300 m,走向長度為3591.98 m,平均煤層厚度約為4.81 m,煤層埋深為190～220 m,煤層傾角為1°～3°,屬近水平煤層。平均進(jìn)尺量為12～13 m/d,月推進(jìn)量為390～400 m,目前已完成全部回采。煤炭開采導(dǎo)致地表下沉的最大值為2500 mm,下沉系數(shù)約為0.55,地裂縫為主要的地表破壞形式。

1.2 試驗設(shè)計

為消除地形起伏對表層土壤含水量的影響,選取距離開切眼300～500 m,地形相對平坦的區(qū)域作為動態(tài)裂縫主要監(jiān)測區(qū),邊緣裂縫監(jiān)測區(qū)為從開切眼一直到距離開切眼500 m處,如圖1所示。

圖1 開采工作面上方監(jiān)測區(qū)示意圖

由于裂縫兩側(cè)受力不同,在形成裂縫時會導(dǎo)致裂縫兩側(cè)高度不同甚至形成臺階,分別將裂縫兩側(cè)稱為相對出露側(cè)和相對塌陷側(cè)。分別對動態(tài)裂縫和邊緣裂縫的相對出露側(cè)和相對塌陷側(cè)的表層土壤含水量進(jìn)行監(jiān)測。

1.3 研究方法

為快速、準(zhǔn)確監(jiān)測表層土壤含水量,選用兩針式TDR監(jiān)測,探針長度為20 cm。起始監(jiān)測時間為2011年5月,工作面已開采300 m,分別對動態(tài)裂縫和邊緣裂縫周圍含水量進(jìn)行監(jiān)測。以動態(tài)裂縫為例,找出監(jiān)測區(qū)最前端(即距開切眼最遠(yuǎn)端)裂縫,此時距離開切眼414 m。平行于裂縫走向,分別在裂縫兩側(cè)距離裂縫10 cm、20 cm、30 cm、 50 cm、75 cm、100 cm和150 cm處布設(shè)監(jiān)測條帶,在監(jiān)測條帶上每間隔50 cm布設(shè)一個監(jiān)測點,如圖2所示,取每條帶上各監(jiān)測點的水分含量平均值作為該監(jiān)測條帶的實際含水量。監(jiān)測頻率為1次/d,進(jìn)行水分含量持續(xù)動態(tài)監(jiān)測,直到不同距離上的各監(jiān)測條帶的水分含量監(jiān)測值相同為止。

圖2 動態(tài)裂縫周圍監(jiān)測點布點示意圖

在監(jiān)測動態(tài)裂縫周圍含水量時,同時觀測邊緣裂縫周圍含水量。邊緣裂縫最前端出現(xiàn)在距開切眼312 m處,沿背離工作面開采方向,布設(shè)5個監(jiān)測區(qū),分別為LF-01、LF-02、LF-03、LF-04、LF-05,每個監(jiān)測區(qū)具體布點方法與動態(tài)裂縫基本相同：平行于地裂縫走向,在裂縫兩側(cè)按照距地裂縫10 cm、30 cm、50 cm、75 cm、100 cm、150 cm和200 cm處,分別布設(shè)監(jiān)測條帶,每條監(jiān)測條帶上間距50 cm布設(shè)一個監(jiān)測點,每條條帶上監(jiān)測點的平均值作為本條監(jiān)測條帶土壤含水量。

1.4 數(shù)據(jù)計算分析

利用TDR監(jiān)測土壤含水量,首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。將烘干法測試的土壤含水量與TDR測試結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析,得出回歸方程：

式中：X——TDR測得的土壤含水量,%;

Y——烘干法測得的土壤含水量,%;

R2——可決系數(shù)。

利用回歸方程可得到各監(jiān)測點最終土壤含水量。采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)計算、圖形繪制以及曲線方程的擬合,用SPSS20.0軟件進(jìn)行顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 動態(tài)裂縫對周邊表層土壤含水量的影響

2.1.1 動態(tài)裂縫對相對出露側(cè)的影響

(1)動態(tài)裂縫對土壤含水量的影響范圍。動態(tài)裂縫相對出露側(cè)不同距離處土壤含水量統(tǒng)計指標(biāo)見表1。由表1可知,各觀測距離的土壤含水量的最大值基本相同,越靠近裂縫處含水量最小值越小;由均值變化情況來看,75 cm以內(nèi)含水量隨著距裂縫相對距離的增大而增大;方差和變異系數(shù)隨著相對距離的增大而減小?？梢?裂縫對周圍土壤的影響程度隨著距離的增大而減小。

表1 動態(tài)裂縫相對出露側(cè)不同距離處土壤含水量統(tǒng)計指標(biāo)

為更好的探究裂縫對周圍土壤含水量的影響范圍,對各點位的含水量進(jìn)行顯著性差異分析。10 cm、20 cm、30 cm、50 cm均與100 cm、150 cm處形成顯著性差異,75 cm處與50 cm、100 cm、 150 cm處差異性不顯著,100 cm與150 cm差異性不顯著。由此可見,裂縫對周邊土壤的影響范圍為0～75 cm。

(2)動態(tài)裂縫對土壤含水量的影響周期。以150 cm處的土壤含水量作為基準(zhǔn)值,根據(jù)同源可比原則,得到不同點位表層土壤含水量損失量,如圖3所示。

圖3 動態(tài)裂縫相對出露側(cè)表層土壤含水量損失量隨時間的變化

動態(tài)裂縫周圍75 cm之內(nèi),損失量隨裂縫發(fā)育均呈先上升后下降再小幅度上升又下降最后趨于平緩的趨勢,這與裂縫發(fā)育周期內(nèi)裂縫寬度的變化趨勢完全一致。距離裂縫10 cm、20 cm和30 cm處的損失量峰值均分別出現(xiàn)在裂縫發(fā)育7 d和12 d,裂縫在6 d內(nèi)一直處于開裂狀態(tài),裂縫對水分影響的滯后性,造成7 d時達(dá)到損失量峰值,分別為1.2%、1%和0.8%,又因為裂縫的二次開裂,達(dá)到損失量峰值,分別為1%、0.7%和0.6%,之后在土壤的自修復(fù)作用下逐漸下降。因裂縫再次閉合不再開裂,從而減小了土壤的比表面積,關(guān)閉了土壤蒸發(fā)的通道,水分得以恢復(fù)。在邊緣裂縫發(fā)育17 d后表層土壤含水量損失量基本得到恢復(fù),即裂縫對出露側(cè)表層土壤含水量的影響周期為17 d。

2.1.2 動態(tài)裂縫對相對塌陷側(cè)的影響

(1)動態(tài)裂縫對土壤含水量的影響范圍。動態(tài)裂縫相對塌陷側(cè)不同距離處土壤含水量系統(tǒng)指標(biāo)見表2。從表2可以看到,塌陷側(cè)含水量統(tǒng)計指標(biāo)呈現(xiàn)出與出露側(cè)相同的變化規(guī)律。但相比出露側(cè),各點位的含水量最大值、最小值和均值有所增大,方差和變異系數(shù)均較小且組間差異不大,可見裂縫對相對塌陷側(cè)的影響程度明顯小于相對出露側(cè),可能是因為塌陷側(cè)與空氣的接觸頻率明顯低于出露側(cè)的緣故。

由顯著性差異分析可知,距離裂縫30 cm以內(nèi)的土壤含水量的差異性明顯,10 cm、20 cm均與30～150 cm處形成顯著性差異,30～150 cm之間的差異不顯著。由此可見,裂縫對相對塌陷側(cè)土壤的影響范圍約為30 cm。

(2)動態(tài)裂縫對土壤含水量的影響周期。相比出露側(cè),塌陷側(cè)的含水量損失量也有先上升后下降再小幅度上升又下降最后趨于平緩的趨勢,區(qū)別在于裂縫對水分的影響開始于4 d,終止于15 d,影響周期為11 d,小于裂縫發(fā)育的生命周期,且含水量損失量相對較小。

表2 動態(tài)裂縫相對塌陷側(cè)不同距離處土壤含水量統(tǒng)計指標(biāo)

2.2 邊緣裂縫對周邊表層土壤相對出露側(cè)含水量的影響

2.2.1 邊緣裂縫對土壤含水量的影響范圍

以相對出露側(cè)為例,距離裂縫200 cm范圍內(nèi),土壤含水量呈現(xiàn)先降低又上升后趨于平緩的趨勢。距離裂縫10 cm處的土壤含水量最高,距離30 cm處最低,30～150 cm的土壤含水量呈遞增趨勢,如圖4所示。距離裂縫10 cm處,由于裂縫的存在,形成了剖面如漏斗似的匯集區(qū),受匯集作用影響,土壤含水量得到了顯著提高;而距離裂縫30 cm處,表層土壤含水量垂直方向大量丟失,匯集作用減弱,無法形成有效的補充,再加上受地表風(fēng)蝕和水蝕的影響,土壤含水量最低。

圖4 邊緣裂縫相對塌陷側(cè)表層土壤含水量損失量隨時間的變化

LF-01、LF-02、LF-03和LF-04、LF-05之間的土壤含水量差距較大,主要是由于LF-04、LF-05(人工林地區(qū))相對于LF-01、LF-02、LF-03(沙生植被區(qū))來說,植被覆蓋度較高,而植被對土壤含水量具有富集性和減蝕性。

5個監(jiān)測區(qū)域內(nèi),距離裂縫10 cm、30 cm、 50 cm、75 cm、100 cm和150 cm、200 cm處均呈現(xiàn)顯著性差異,而150 cm和200 cm處差異不顯著,說明距裂縫150 cm范圍內(nèi)土壤含水量發(fā)生了變化,即裂縫對土壤含水量的影響邊界約為150 cm,如圖5所示。

圖5 邊緣裂縫相對出露側(cè)不同距離處土壤含水量

2.2.2 邊緣裂縫對土壤含水量的影響周期

研究邊緣裂縫兩側(cè)10 cm處表層土壤含水量損失量(相對200 cm)隨時間的變化,如圖6所示。

圖6 表層土壤含水量損失量隨時間的變化

隨裂縫發(fā)育,損失量呈現(xiàn)出先上升后緩慢下降的趨勢。擬合曲線得出峰值出現(xiàn)在22 d,實地開采進(jìn)度為13 m/d,峰值出現(xiàn)在距離邊緣裂縫前端286 m處。邊緣裂縫發(fā)育的前15 d,曲線斜率較大,即裂縫發(fā)育前期受裂縫發(fā)育天數(shù)的影響損失量變化趨勢明顯;在裂縫發(fā)育后期,變化不顯著,說明在邊緣裂縫發(fā)育50 d后表層土壤含水量損失量基本得到恢復(fù),裂縫對表層土壤含水量影響可以忽略。分析邊緣裂縫水分變化情況,隨著裂縫的開裂,土壤孔隙度增大,比表面積增大,從而水分的蒸發(fā)速度增大。塌陷區(qū)錯落體的相對出露側(cè)孔隙度的顯著增大可能是造成該側(cè)水分散失加劇的主要原因,導(dǎo)致出露側(cè)的土壤水分同塌陷側(cè)相比顯著降低。50 d后,裂縫雖然未閉合,但雨水的沖刷以及風(fēng)沙天氣的影響,可能導(dǎo)致土壤孔隙被細(xì)小顆粒填充,從而降低了水分的蒸發(fā),另外土壤結(jié)皮也對水分保持起到一定的促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

為探究西部風(fēng)沙區(qū)采煤塌陷裂縫對周邊土壤含水量的影響特征,利用TDR分別對動態(tài)裂縫和邊緣裂縫的兩側(cè)周邊表層土壤含水量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。

(1)在動態(tài)裂縫整個發(fā)育周期內(nèi),裂縫周邊表層土壤含水量呈現(xiàn)一個先下降后上升再小幅度下降又上升的趨勢;其對出露側(cè)的影響范圍為75 cm,周期為17 d,對塌陷側(cè)的影響范圍為30 cm,周期為11 d;對出露側(cè)的影響程度大于塌陷側(cè),但兩側(cè)土壤均具有自修復(fù)能力。

(2)邊緣裂縫對兩側(cè)周圍表層土壤含水量的影響范圍均為150 cm,周期約為50 d,但相對出露側(cè)的含水量損失量普遍大于塌陷側(cè)。相對于動態(tài)裂縫,邊緣裂縫的影響范圍和周期更大,但在土壤自修復(fù)作用下含水量均能得到恢復(fù)。

(3)采煤沉陷裂縫對表層土壤含水量影響不大,在較短時間內(nèi)可實現(xiàn)自修復(fù),對地表植被的影響不大。在西部風(fēng)沙區(qū)采煤沉陷地土地復(fù)墾與生態(tài)重建工作中,應(yīng)充分利用土壤的自修復(fù)功能,避免人工修復(fù)帶來的二次擾動;對受影響較大的沉陷盆地邊緣,可采取填埋裂縫等人工修復(fù)措施加快土壤含水量的恢復(fù),保證植被正常生長所需水分。

[1] 張建民,楊峰,李能考等.超大綜采工作面開采地表層含水性自修復(fù)研究[J].煤田地質(zhì)與勘探, 2013(6)

[2] 于瑞雪,李少鵬,畢銀麗等.煤炭開采對沙蒿根系生長的影響極其自修復(fù)能力[J].煤炭科學(xué)技術(shù), 2014(2)

[3] 李惠娣,楊琦,聶振龍等.土壤結(jié)構(gòu)變化對包氣帶土壤水分參數(shù)的影響及環(huán)境效應(yīng)[J].水土保持學(xué)報,2002(6)

[4] 劉騰飛.淺埋煤層長壁開采隔水層破壞規(guī)律研究[D].西安：西安科技大學(xué),2006

[5] 呂晶潔,胡春元,賀曉.采煤塌陷對固定沙丘土壤水分動態(tài)的影響研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2005(7)

[6] 魏江生,賀曉,胡春元.干旱半干旱地區(qū)采煤塌陷對沙質(zhì)土壤水分特征的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2006(5)

[7] 魏江生,何金軍,高永.黃土丘陵區(qū)土壤水分時空變化特征對采煤沉陷的影響[J].水土保持通報, 2008(5)

[8] 陳超,胡振琪,臺曉麗等.風(fēng)積沙區(qū)土地生態(tài)損傷自修復(fù)能力評價[J].中國煤炭,2015(10)

(責(zé)任編輯 孫英浩)

煤熱解氣化分質(zhì)轉(zhuǎn)化制清潔燃?xì)怅P(guān)鍵技術(shù)研究項目入選國家重點研發(fā)計劃

近日,經(jīng)過激烈、嚴(yán)格的項目申報與評審,由陜煤化集團(tuán)牽頭申報的“煤熱解氣化分質(zhì)轉(zhuǎn)化制清潔燃?xì)怅P(guān)鍵技術(shù)研究”項目成功入選國家重點研發(fā)計劃。獲批該項目的首席科學(xué)家為陜煤化集團(tuán)鄭化安,該項目團(tuán)隊匯集了煤炭科學(xué)技術(shù)研究院、西南化工研究設(shè)計院、太原重工股份有限公司、內(nèi)蒙古美方煤焦化有限公司等共21家煤化工行業(yè)產(chǎn)學(xué)研用優(yōu)勢單位,擁有“煤炭資源高效開采與潔凈利用”等5個國家重點實驗室、“國家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化”等2個國家能源重點實驗室、7個國家工程中心和工程實驗室及10多個省部級重點實驗室,擁有7套萬噸級以上煤熱解、12 t/d加壓固定床液態(tài)排渣氣化、1000 Nm3/h活性焦干法脫硫脫硝及低溫SCR脫硝等試驗平臺。

Effect of mining subsidence fissure on moisture of surface soil in aeolian sand area

Tai Xiaoli,Hu Zhenqi,Chen Chao
(Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

To explore the influence characteristic of mining subsidence fissure on surface soil water content in desert area,the authors took dynamic monitor on water content of different distance in dynamic crack and edge crack．According to analysis,influence range,time and degree of dynamic crack and edge crack on rim soil water content were confirmed．The results showed that within developmental cycle of dynamic fissure,surface soil water content trended to decline firstly,then rise,then go through slow decline,trend to rise at last,and soil water content loss of relative exposed side was larger than relative subsidence side;contrary to dynamic crack,the influence range and time edge crack were larger,but the water content could be recovered by the self-recovered effects．The influence of mining subsidence fissure on surface soil water content was little and shortly,and could achieve self-recovery shortly．

wind desert area,fissure,relative exposed side,relative subsidence side,selfrecovery

TD167

A

臺曉麗(1990-),女,漢,碩士研究生,主要從事土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)研究。

國家自然科學(xué)基金委員會—神華集團(tuán)有限責(zé)任公司煤炭聯(lián)合基金重點支持項目(U1361203)