干旱地區(qū)煤層開采對地表土壤理化性質(zhì)的影響

吳志遠, 彭蘇萍, 杜文鳳, 崔 凡

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室, 北京 100083; 2.北京市環(huán)境保護科學研究院, 北京100037)

土壤水分是影響地表植被生長及土壤理化性質(zhì)的主要因素之一，在干旱半干旱地區(qū)，地表土壤水分是控制土壤沙漠化的關(guān)鍵因素[1-3]。

地下煤層開采導致地表沉陷、裂縫滋生，增加了地表水分的蒸發(fā)及入滲情況，改變土壤水分的運移規(guī)律。同時由于沉陷盆地的形成，導致開采區(qū)地表土壤水分分布產(chǎn)生變化。在開采沉陷、雨水及風力等因素的綜合作用下，地表土壤發(fā)生破壞推移、沉積等土壤侵蝕現(xiàn)象，進而影響到土壤的其他物理性質(zhì)如土壤粒度、有機質(zhì)含量等，而這些土壤理化性質(zhì)對土壤水分的賦存和運移具有重大的影響[4-6]。

在中國西部煤礦開采區(qū)，由于氣候干旱，降雨稀少，自然環(huán)境條件惡劣，導致植被覆蓋率較低，生態(tài)環(huán)境不斷惡化[7-8]。因此研究煤礦開采區(qū)土壤的運移及變化規(guī)律是煤礦開采區(qū)地表土壤整治及生態(tài)環(huán)境恢復的基礎(chǔ)及關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文主要從地下煤層開采前、中、后3個時間段分析地表土壤水分的運移及變化情況，同時分析與土壤水分聯(lián)系緊密的土壤密度、土壤有機質(zhì)含量及土壤機械組成等土壤參數(shù)，得到煤礦開采對地表土壤水分分布及運移的影響規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省神木縣大柳塔鎮(zhèn)西北部，地理坐標為39°16′27.5″—39°17′13.3″N，110°20′32.27″—110°20′53.24″E。研究區(qū)主要屬風沙堆積地貌，上部由砂層覆蓋，砂層厚度0.5～20 m不等，下部為黏土。區(qū)內(nèi)高程最大變化值為35.2 m，地勢中間高兩邊低，植被主要為沙柳和苔蘚，由于前幾年煤礦公司的綠化，研究區(qū)內(nèi)分布著少量的楊樹。年平均降雨量為350 mm，而年平均蒸發(fā)量為2 297.4～2 838.7 mm，研究區(qū)內(nèi)屬亞熱帶季風氣候，常年風沙較大[9-10]。由于干旱的氣候以及較少的地表徑流，導致該地區(qū)地下水位較深。該地區(qū)降雨量集中在6月、7月、8月份，該時間段降雨量占全年降雨量的70%左右，見圖1。

2 試驗設(shè)計

本次研究選擇以礦區(qū)2305工作面為主要研究對象,同時選取未開采區(qū)2306工作面作為參考。三次取樣時間分別為2013年8月、12月及2014年5月，分別為2305工作面地下煤層開采前、開采中和塌陷形成穩(wěn)定后階段。沿著工作面開采方向共設(shè)置5條測線，分別命名為L1，L2，L3，L4及L5，每條測線間隔為100 m。2306工作面內(nèi)同樣布置測線5條，分別命名為L6，L6，L7，L8，L9和L10如圖2所示。每條測線每隔25 m取一次樣，取樣深度為0.2 m。

圖1 月平均降雨量

圖2 研究區(qū)位置

3 研究方法

(1) 土壤含水量測定。利用鉆孔工具如土鉆、洛陽鏟及環(huán)刀等對土壤進行取芯，將土樣置于105°C的烘箱內(nèi)烘12個小時左右，直至恒重并計算土壤含水率，土壤含水率計算公式如下：

GWC=(W1-W2)/(W2-H)

(1)

式中：GWC為重量含水率；W1為濕土加盒重；W2為干土加盒重；H為盒重。

(2) 地表高程測量。使用RTK對每一個取樣點高程進行探測，共探測3次，探測精度為cm級。

(3) 土壤機械成分分析。土壤機械成分分為砂粒(0.02 mm

(4) 土壤有機質(zhì)測定。土壤有機質(zhì)使用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)計算得出。

(5) 土壤孔隙度由土壤容重與土壤比重的比值得出。其中土壤容重由環(huán)刀法計算得出，運用比重瓶方法計算得出土壤比重，運用了土壤容重和比重的結(jié)果計算了土壤孔隙度。

4 結(jié)果與分析

4.1 地表沉陷對高程的影響

使用RTK對研究區(qū)高程變化進行了探測，第1，2，3次探測地表平均海拔分別為1 215.8 m，1 214.4 m和1 213.8 m，由于地下煤層屬于一次性采全高，致使地表產(chǎn)生整體沉降，地表下降較均勻，見圖3。

圖3 2305工作面煤層開采前、中、后高程變化

4.2 地表沉陷對土壤水分含量的影響

表1為3次探測開采區(qū)與未開采區(qū)土壤水分分布情況Parson分析。對于開采區(qū)，在煤層開采中的12月份，由于煤層開采產(chǎn)生落差較大的階梯型裂縫(落差最大為42 cm)，同時產(chǎn)生較多的“ⅹ”型交叉裂縫，L1至L5測線土壤水分相比未開采前土壤水分降低較多，兩次探測土壤含水率降低范圍分布在1.22%～1.93%，平均減小為1.52%。而在沉降穩(wěn)定后的2014年5月，開始進入降雨季節(jié)，L2，L3，L4地表土壤水分逐漸恢復，又由于位于沉降中心位置，有利于降雨集中，L3測線含水率甚至比開采前要大。而靠近開采區(qū)邊界位置的L1，L5測線土壤水分略有恢復，但依然較小，這是由于階梯型裂縫屬于永久性不能閉合裂縫，同時“ⅹ”型交叉裂縫表層被充填較快，地下存在隱伏裂縫，在降雨量充足的條件下依然起到導水作用。開采區(qū)內(nèi)3次探測土壤含水率變化較大，其中開采前與開采中含水率變化均較大，表明地下煤層開采對地表土壤水分變化的影響要大于季節(jié)變化地表土壤水分變化的影響。

為了排除季節(jié)對土壤水分的影響，對比分析了未開采區(qū)(2306工作面)土壤水分的變化情況，測線布置與取樣方法與2305相同，可以發(fā)現(xiàn)三次探測未開采區(qū)土壤含水率呈現(xiàn)出“大—小—大”的基本變化規(guī)律，其中12月份土壤含水率最小，這與12月份降雨量低有一定關(guān)系，同時2016年5月份土壤含水率小于2015年8月份，但含水率變化均<1%，表明在未開采區(qū)季節(jié)變化對土壤含水率變化影響較小。

表1 3次探測2305，2306工作面內(nèi)各測線平均含水率表

注：所有值以平均含水率±標準誤差值表示，不同小寫字母表示同一時間下不同處理間的差異顯著(p<0.05)；不同大寫字母表示同一處理下不同時間的差異顯著(p<0.05)。

4.3 地表沉陷對土壤水分分布的影響

圖4為開采區(qū)三次探測地表土壤含水率分布圖，從圖中可以看出，開采前土壤水分分布較均勻，土壤含水率較高，其中含水率較低地區(qū)砂層較厚，主要為裸砂地，含水率較大地區(qū)砂層較薄，有植被覆蓋；在開采過程中，地表土壤水分較低，其中含水率最低區(qū)域主要位于開采區(qū)邊界，這主要是由于開采產(chǎn)生大量階梯型裂縫所致；在開采沉降穩(wěn)定后的第三次探測，開采區(qū)邊界位置土壤含水率逐漸降低，但是開采區(qū)中間位置土壤含水率逐漸恢復到開采前情況，甚至大于開采前土壤含水率，但是沉降穩(wěn)定后土壤含水率分布與開采前相比變化較大，表明地下煤層開采對地表土壤水分變化產(chǎn)生了巨大的影響。

圖4 52305工作面煤層開采前、中、后地表水分分布

4.4 地表沉陷對土壤孔隙度的影響

圖5為3次取樣2305工作面5條測線內(nèi)地表土壤孔隙度值，從圖中可以看出，開采區(qū)2013年12月第2次探測土壤孔隙度值最大，為47.44%，這與此時地表沉降最劇烈有關(guān)。在2014年5月第3次探測時，沉陷盆地變化基本穩(wěn)定，隨著應(yīng)力分布重新穩(wěn)定，地表裂縫逐漸閉合，土壤孔隙度有所減小，但與2013年8月未開采前相比，開采后各測線土壤孔隙度均有不同程度的增大，其中沉降盆地邊界位置的L1，L5測線孔隙度增大較明顯，平均分別增大為4.46%，3.98%。沉降盆地中心位置的L2，L3，L4測線地表孔隙度增大較小，平均分別增大為1.52%，2.13%和2.21%。

4.5 地表沉陷對土壤機械組成的影響

分析采煤前、中、后3個階段2305工作面地表土壤機械成分變化情況分布(圖6)可以看出，粗粒砂含量3次探測沒有明顯變化，3次探測粗粒砂含量平均值分別為78.40%，78.67%和78.51%，且沿測線變化規(guī)律相同；粉砂含量3次探測變化也基本相同，3次探測粗粒砂含量平均值分別為18.30%，18.80%和20.46%，第3次探測粉砂含量明顯增大，但粉砂含量整體沿側(cè)線變化規(guī)律不變。黏粒含量3次探測呈依次減小趨勢，平均分別為3.3%，2.53%和1.03%，實驗室分析各測線土壤機械組成變化情況可以得到相同的結(jié)論，見表2。從以上分析中可以看出，地表沉陷致使土壤粉砂含量增大，土壤黏粒減小，這與前人的研究結(jié)果相同，表明地表沉陷加劇了土壤沙漠化的進程。

4.6 地表沉陷對土壤有機質(zhì)含量的影響

從開采區(qū)3次探測土壤有機質(zhì)含量變化表可以看出(表3)，除第3次探測土壤有機質(zhì)有所減小外，其他兩次探測土壤有機質(zhì)基本不變，煤礦開采對地表土壤有機質(zhì)的影響有限，土壤有機質(zhì)整體變化不大。

表2 3次探測2 305工作面內(nèi)各測線平均土壤機械成分

注：所有值以平均含水率±標準誤差值表示。

圖5 2305工作面3次探測各測線土壤平均孔隙度隨測線分布

4.7 相關(guān)性分析

各土壤物理性質(zhì)與土壤水分的相關(guān)性分析如表4所示，從表中可以看出第1次探測時地表土壤水分與土壤孔隙度具有較高的相關(guān)性，但相關(guān)性并不顯著，地表土壤水分與其他土壤物理性子相關(guān)性較低。在沉降活躍階段的第2次探測，土壤水分與土壤孔隙度、粗砂含量、粉砂含量、黏粒含量及有機質(zhì)含量均有不同程度的相關(guān)性，但相關(guān)性均不顯著，這表明地表沉陷加大了多重因素影響對地表土壤水分變化的影響。第3次探測時，沉陷盆地已完全形成并穩(wěn)定，此時地表土壤水分含量與孔隙度呈明顯相關(guān)性，且顯著相關(guān)，地表土壤水分與地表土壤黏粒含量呈負相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著。

圖6 L1測線3次探測土壤機械成分 表3 3次探測2305工作面內(nèi)各測線土壤有機質(zhì)成分

研究區(qū)2013年8月2013年12月2014年5月L11.35±0.211.42±0.321.36±0.25L21.42±0.311.36±0.251.43±0.132305工作面L31.64±0.261.58±0.311.36±0.27L41.57±0.181.62±0.241.46±0.21L51.67±0.241.54±0.181.62±0.17

表4 相關(guān)性分析

注：*為在0.05的水平上相關(guān)性顯著。

5 結(jié) 論

(1) 地表沉陷提高了沉降中心位置地表土層土壤水分含量，但是沉降盆地邊緣位置由于存在較多永久不能閉合的階梯型裂縫，致使土壤水分降低，地表沉降改變了土壤水分原始的分布狀態(tài)。

(2) 地表沉陷增加了地表土壤粉粒的含量，降低了土壤黏粒的含量，同時提高了開采區(qū)地表土壤孔隙度，對土壤粗粒及有機質(zhì)含量影響不大。

(3) 經(jīng)過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，地表沉陷提高了地表土壤水分含量與土壤孔隙度的正相關(guān)關(guān)系。