神南礦區(qū)采煤沉陷裂縫對土壤表層含水量的影響

琚成遠，浮耀坤，陳 超，馮澤偉，白銘波，胡振琪

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院,北京 100083；2.河南工程學院 土木工程學院，河南 鄭州 451191；3.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司 韓家灣煤炭有限公司,陜西 榆林 719300)

0 引 言

中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國。煤炭在中國的能源結構中發(fā)揮著至關重要的作用[1]，其儲量豐富，開采規(guī)模巨大，而且95%以上的煤炭依靠井工開采的方式[2-3]。隨著煤炭開采戰(zhàn)略的西移,位于晉陜蒙交界的榆神府煤田成為主要的煤炭生產基地，其中陜北神南礦區(qū)儲量就高達57億t[4], 該礦區(qū)位于半干旱地區(qū)，地表和近地水資源非常寶貴[5]。由于地下高強度的煤炭開采使得西北地區(qū)氣候干旱、水資源短缺的西北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題雪上加霜[6], 采煤引起地表沉降，在地表產生大量規(guī)模不等的裂縫、塌陷坑等塌陷地貌，這直接影響到土壤的各項理化性質、地形地貌、水文氣象等[7-11],尤其是對土壤水分的影響異常嚴重,而土壤水分又是制約西北干旱半干旱荒漠地區(qū)植被生長和生態(tài)環(huán)境恢復的關鍵性因子[12-16]。為實現(xiàn)礦區(qū)的綠色可持續(xù)發(fā)展，采煤塌陷區(qū)的生態(tài)環(huán)境重建工作勢在必行。因此研究采煤形成的地裂縫對地表含水量的影響有重要意義。目前國內學者在此方面的研究取得了一定成果，吳麗[17]研究了塌陷裂縫不同深度的土壤容重變化特征,分析了塌陷裂縫尺度、距裂縫距離和土壤含水率的關系；趙紅梅等[18]通過對比采煤塌陷區(qū)和非塌陷區(qū)土壤理化性質，得出采煤塌陷導致礦區(qū)內土壤粒度和容重變大、持水能力顯著降低、土壤水在垂向上的變異性增強等，而對土壤水隨季節(jié)性動態(tài)變化影響不大;何金軍等[19]學者對大柳塔煤礦塌陷區(qū)土壤進行研究，結果表明不同坡位土壤含水量表現(xiàn)為坡底>坡中>坡頂;塌陷增大了土壤毛管孔隙度、砂粒含量，減小了非毛管孔隙度和總孔隙度;塌陷對土壤物理性質影響順序為:土壤含水量>物理性砂粒含量>土壤密度和孔隙度;魏江生等[20]利用中子儀對大柳塔礦區(qū)不同年份沉陷區(qū)及未采區(qū)不同坡位、層次土壤水分動態(tài)進行了對比研究;畢銀麗等[21]為探討采煤沉陷對土壤水資源的影響,針對井工礦采煤產生的沉陷裂縫,研究了采煤裂縫區(qū)土壤水分分布特征,并對采煤裂縫寬度、裂縫密度和土壤含水量的關系進行了探討。但之前許多土壤水分的研究，采用的是靜態(tài)的某個時點監(jiān)測裂縫周圍對土壤水分的影響的研究，未考慮整個裂縫發(fā)育周期對地表含水量的影響，且研究周期多以年為計量單位。

針對動態(tài)裂縫整個發(fā)育周期對周邊土壤水分的影響研究較少，因此本研究以日為單位、精確測量裂縫出露側和塌陷側的土壤水分的含量，來確定動態(tài)裂縫對周邊土壤水分的影響，為礦區(qū)土壤及地表水的修復提供理論基礎，豐富地表土壤水分運移理論研究，為風沙區(qū)采煤塌陷地的生態(tài)修復與植被建設提供有益的理論依據(jù)。

1 神南礦區(qū)土壤含水量測定試驗設計

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于中國陜西省北部神南礦區(qū)檸條塔煤礦。它位于陜西省北部，地理坐標為109.67°E～110.9°E，38.22°N～39.45°N,如圖1a所示。本區(qū)地處我國西部內陸，為典型的中溫帶半干旱大陸性氣候。氣候特點為冬季寒冷，春季多風，夏季炎熱，秋季涼爽，四季冷熱多變，晝夜溫差懸殊，干旱少雨，蒸發(fā)量大，降雨多集中在7、8、9三個月，無霜期約為199 d，10月初上凍，次年4月解凍。1月最冷，極端低溫-29.7 ℃，7月最熱，極端氣溫38.6 ℃，近年平均氣溫8.8 ℃，年平均降水量394.6 mm，年平均蒸發(fā)量 973.8 mm，最大凍土深度1 460 mm，平均風速1.76 m/s。研究區(qū)位于檸條塔S12013工作面，該工作面的采煤工藝是采用的是一種全新的無巷道無煤柱自留巷的長臂開采N00工法[22]，工作面傾向長度1 760 m，開切眼長度345 m，傾角0.68°～1.88°，但在回風巷中段及里段局部傾角可達4°～5°，煤層厚度為3.7～4.3 m，煤層平均厚度為4.01 m，煤層埋藏深度168～213 m，采用長臂無巷道、無煤柱開采方式。工作面上覆基巖厚度90～130 m，土層厚度40～100 m，沙層厚度2～5 m，為風積沙。

圖1 研究區(qū)位置及方法

地形地貌：研究區(qū)屬風積沙地，地勢平緩，風沙土結構疏松，肥力低，保水性差，表層一般無隔水層，土壤水分的循環(huán)主要為降水入滲和上行蒸散過程。

主要植被類型：研究區(qū)植被種類結構單一，主要植被有沙柳、油蒿、檸條、沙棘等耐干旱草本植物，僅考考烏素溝附近零星出現(xiàn)高大喬木。

預計最大下沉值為2 400 mm，地下水位平均為37.6 m，故地表深度20 cm內土壤含水量不受淺層地下水的影響。監(jiān)測時，工作面每天推進速度約為10 m,周圍工作面均已停采或還未開采，所以不存在其他工作面開采對其造成的干擾。

1.2 試驗設計與監(jiān)測方法

1.2.1 采用干燒法對TDR測量值進行標定

時域反射法被證明是一種快速和精確測量土壤體積含水量(VWC)的技術，因此選用了時域反射儀(TDR)為監(jiān)測地表水分的儀器，探針長度為20 cm，且監(jiān)測過程貫穿整個裂縫發(fā)育周期。使用TDR測量土壤含水量時，為了使測得的土壤含水量更加精確，采用干燒法為基準對TDR測定值進行標定，具體步驟如下：在試驗區(qū)內隨機選擇17處未擾動的點，用TDR測量這17處土壤20 cm深處的土壤含水量，并記錄數(shù)據(jù)；在這17處土壤表層，刮去上部覆土，在20 cm深處的進行環(huán)刀取樣，每處取樣3份，土壤取出后，剔除有機殘體，放入已知質量的鋁盒中；用酒精燈開始灼燒土壤，并用玻璃棒攪拌，加速其快速蒸發(fā)，每組重復實驗3次，取平均值。

1.2.2 動態(tài)裂縫對土壤表層含水量的影響

根據(jù)開采沉陷學理論，在工作面開采的最前端(即距開切眼最遠端)的典型塌陷區(qū)尋找裂縫，監(jiān)測時間自6月8日起，此時井下工作面開采至800 m左右，地表出現(xiàn)明顯的地裂縫時，分別對相對出露側和塌陷側進行動態(tài)觀測，如圖1b所示。為了減小地形起伏、植被覆蓋、光照、露水、蒸發(fā)等對表層含水量的影響，定每天9:00為固定觀測時間，選取地形相對平坦、周圍無植被覆蓋的區(qū)域，采用監(jiān)測頻率為一天一次的監(jiān)測方法進行水分含量持續(xù)動態(tài)監(jiān)測，直到不同距離上的各監(jiān)測條帶監(jiān)測的水分含量監(jiān)測值相同(即各監(jiān)測條帶的土壤體積含水量相同，此時裂縫對周邊土壤水分無影響)為止；為了減小測量誤差，隨機選取了16條裂縫記錄其發(fā)育周期，并同時對這些裂縫的相對出露側和相對塌陷側進行監(jiān)測，其中14條裂縫的發(fā)育周期為7 d，其余一條為8 d，一條為6 d，因此將監(jiān)測區(qū)內發(fā)育周期都為7 d的裂縫的等距離處含水量取平均值，作為該監(jiān)測區(qū)土壤體積含水量。在平行于裂縫走向方向上分別垂直布設監(jiān)測條帶，各條監(jiān)測條帶之間間隔30 cm,其中監(jiān)測點從距離裂縫10 cm處開始布設，依次間隔15 cm，至130 cm處為止，如圖1c所示；同時選擇礦區(qū)非塌陷區(qū)作為對照區(qū)(CK)，進行對比分析。

1.2.3 不同寬度裂縫對土壤水分的影響

在沉陷裂縫區(qū)，分別選取2、5、9、13、17、24、32、35、38 mm共9種不同寬度的裂縫，分別使用TDR測量不同寬度裂縫的不同距離(10、25、40、55、70 cm)處深0～20 cm的土壤含水量值，同樣的選擇礦區(qū)非塌陷區(qū)土壤含水量作為對照組(CK)進行對比分析。

2 土壤含水量計算分析

2.1 TDR土壤含水量測量值的標定

將用TDR在深度20 cm測量的土壤含水量與干燒法測得的土壤含水量這2組數(shù)據(jù)做線性回歸分析,得出回歸方程

Y=0.125+1.169X,R2=0.91

式中,X為TDR測得的含水量；Y為干燒法測得的含水量。

利用回歸方程可將TDR測得的數(shù)據(jù)轉換為土壤體積含水量。

2.2 動態(tài)裂縫對出露側土壤表層20 cm處含水量的影響

由表1可見，各個觀測距離的土壤含水量的最大值基本相同，而土壤含水量的最小值則隨著測點至裂縫距離增大而增大，測點至裂縫距離大于70 cm，土壤含水量趨于平緩不再變化；變異系數(shù)在測點至裂縫距離為70 cm以內隨距離增大而減小，在測點至裂縫距離大于85 cm至CK區(qū)基本不再變化，穩(wěn)定在1%左右；標準差分析結果表明，各組標準差值總體上隨著測點至裂縫距離增大而減?。徽f明裂縫對周圍土壤的含水量的影響程度隨測點至裂縫距離為的增大而減小。土壤表層含水量在測點至裂縫距離為10～70 cm處隨距離的增大而增大，超過70 cm后含水量基本保持穩(wěn)定。在為了更好地揭示裂縫對相對露出側含水量的影響范圍，采用SAS9.2對各采樣條帶的數(shù)據(jù)進行了差異性分析：10、25、40、55、70 cm均與CK區(qū)形成顯著性差異(P<0.05),而CK區(qū)與130、115、100、85 cm處的差異均不顯著。所以，在相對露出側，動態(tài)裂縫在20 cm深處對土壤含水量的影響范圍在70 cm左右。

表1 裂縫相對露出面不同距離處的觀測指標

為了深入探究在相對露出側動態(tài)裂縫對20 cm深處的土壤含水量的影響周期，則需要分析各條帶的含水量損失情況隨時間的變化，因此要選擇一個不受裂縫影響的條帶作為含水量的基準值，根據(jù)表1可知，CK區(qū)條帶處的標準差、變異系數(shù)、含水量差值最小、最穩(wěn)定，以CK區(qū)條帶處的含水量作為基準值，測點至裂縫距離10～70 cm以內的水分損失量變化最為明顯，測點至裂縫距離為85 cm至CK區(qū)含水量的損失基本沒有變化(圖2)，這也印證了由表1得出的動態(tài)裂縫在20 cm深處對相對露出側土壤含水量的影響范圍在70 cm左右的結論。

圖2 裂縫相對露出側土壤表層水損失率隨時間的變化

裂縫處水分蒸發(fā)除了垂直蒸發(fā)，同時還存在側向蒸發(fā)[23]。裂縫出現(xiàn)的第1天時，各條帶的含水量基本沒有損失，因為裂縫開裂寬度過小(<2 mm)，水分通過裂縫側向的開裂面蒸發(fā)量極??；以受影響最強烈的10 cm條帶處為例，水分損失量在第2～4天上升速度最快，這段時間裂縫開裂寬度最大(裂縫發(fā)育中期)，相對表面積最大，土壤水分蒸發(fā)速度最快；第4～7天內含水量損失率增速放緩，在第7天時，土壤損失量達到峰值，損失量高達40.69%，這段時間裂縫已經(jīng)逐漸開始閉合，相對表面積開始減小，土壤水分蒸發(fā)速度放緩，但仍然繼續(xù)蒸發(fā)；第8～15天時，土壤含水量損失率開始下降，因為第8天時，裂縫已完全閉合,土壤側面的蒸發(fā)通道已經(jīng)關閉，水分得以開始恢復，在第15天時，含水量已經(jīng)得到基本恢復；結合其他不同距離的條帶整體來看，土壤含水量損失達到峰值只花費了5 d，恢復到穩(wěn)定的正常水平則花費了8 d，水分恢復花費的時間更長一點，因此在相對露出側動態(tài)裂縫對20 cm深處的土壤含水量的影響周期為13 d。

2.3 動態(tài)裂縫對塌陷側土壤表層20 cm處含水量的影響

從表2可以看出，在塌陷側，各個觀測距離的土壤含水量的最大值基本相同，而土壤含水量的最小值則隨著測點至裂縫距離增大而增大，40 cm以后趨于平緩；標準差和變異系數(shù)在10～55 cm處隨測點至裂縫距離的增大而減小，超過55 cm后兩者數(shù)據(jù)變化基本穩(wěn)定；說明裂縫對周圍土壤的影響程度在10～55 cm范圍內隨著測點至裂縫距離增大而減小。為了更好地揭示裂縫對周邊含水量的影響范圍，采用SAS9.2對各采樣條帶的數(shù)據(jù)進行了差異性分析：測點至裂縫距離為10、25、40、55 cm處均與CK區(qū)處形成顯著性差異(P<0.05),而CK區(qū)與130、115、100、85、75 cm處的差異均不顯著。所以在相對塌陷側，動態(tài)裂縫在20 cm深處對土壤含水量的影響范圍在55 cm左右。

表2 裂縫相對塌陷側不同距離處的觀測指標

同理，為了深入探究在相對露出側動態(tài)裂縫對20 cm處的土壤含水量的影響周期，也以CK區(qū)條帶處的含水量作為基準繪制了裂縫相對塌陷側土壤表層含水量損失率隨時間的變化(圖3)，裂縫出現(xiàn)的第1天時，各條帶的含水量與相對露出側表現(xiàn)一樣，基本沒有損失，因為裂縫開裂寬度過小(<2 mm)，水分通過裂縫的開裂面蒸發(fā)量極??；同樣以10 cm為例，水分損失量在第2～7天內快速上升，在第7天時，土壤損失量達到峰值，損失量高達36.99%，第8～14天時，土壤含水量損失率開始下降，規(guī)律與裂縫相對露出側的規(guī)律基本一致，但相對塌陷側的含水量恢復到穩(wěn)定的正常水平花費了7 d，水分恢復花費的時間比相對露出側少1 d，因此在相對露出側動態(tài)裂縫對20 cm深處的土壤含水量的影響周期為12 d，可以看出相對塌陷側的水分恢復地更快，而且總體上相對塌陷側的平均含水量比相對露出側的平均含水量高出2.07%，原因是采煤擾動使露出側高度高于塌陷側，露出側的蒸發(fā)面積略大于塌陷側，從而導致塌陷側的水分略微高于露出側。

圖3 裂縫相對塌陷側土壤表層水損失率隨時間的變化

2.4 不同寬度裂縫對土壤水分的影響

由3.2節(jié)和3.3節(jié)得出的結論可知，裂縫對土壤含水量的影響不超過70 cm，因此僅分析距離不同寬度裂縫70 cm以內的土壤含水量變化情況，由圖4可知，寬度為2、5 mm的裂縫與CK區(qū)的土壤含水量幾乎持平，在不同測點至裂縫距離處無明顯差異；當裂縫寬度≥9 mm時，土壤含水量變化明顯，當裂縫寬度相同時，測點至裂縫距離越遠，土壤含水量越高；當測點至裂縫距離相同時，土壤含水量隨裂縫寬度的增大而減少。

圖4 不同寬度的裂縫對土壤含水量的影響

由表3可知，相對于對照區(qū)(CK)的土壤含水量，在測點至裂縫距離為10、25、40、55、70 cm處，寬度為38 mm的裂縫含水量分別損失了36.27%、35.28%、25.59%、19.13%、5.09%，寬度為29 mm的裂縫含水量分別損失了30.93%、25.59%、8.57%、7.70%、3.23%，寬度為18 mm的裂縫含水量分別損失了24.22%、21.49%、6.46%、3.97%、2.36%，寬度為9 mm的裂縫分別損失了9.19%、8.70%、4.47%、2.48%、0.99%，寬度為2、5 mm的裂縫的土壤含水量損失不到2%，影響可忽略不計；根據(jù)顯著性差異描述可知，在裂縫寬度為2、5 mm時，與裂縫不同距離處的土壤含水量均與CK區(qū)的土壤含水量無顯著性差異(P>0.05),在裂縫寬度為9、13、17、24、29、32、35、38 mm時，土壤含水量與對照區(qū)(CK)的差異顯著，且在距離裂縫位置相同時，不同寬度裂縫之間的土壤含水量的差異性也尤為顯著(P<0.05)原因可能是由于寬度在2、5 mm的裂縫導致的側向蒸發(fā)面積過小，對土壤含水量的影響極為有限；裂縫寬度在≥9 mm 時，裂縫寬度較為明顯，側向的蒸發(fā)面積明顯，土壤持水能力隨裂縫寬度的增大而大大減弱，因此對土壤含水量的影響較大。

表3 不同寬度裂縫的土壤表層含水量

3 結論與展望

1)在采煤過程形成的動態(tài)裂縫中，在相對露出側，動態(tài)裂縫在20 cm深處對土壤含水量的影響范圍在70 cm左右，影響周期為13 d； 在相對塌陷側，動態(tài)裂縫在20 cm深處對土壤含水量的影響范圍在55 cm左右，影響周期為12 d；相對塌陷側的含水量比相對露出側的含水量高出2.07%，且相對塌陷側的水分恢復地更快。采煤沉陷裂縫對表層土壤含水量雖有影響，但在土壤自修復的作用下，含水量在兩周左右時間內都可以得到基本恢復。

2)對不同寬度裂縫周圍含水量對比可知，寬度在5 mm以內的裂縫對土壤含水量的影響甚微，對于寬度9 mm以上的裂縫，當裂縫寬度相同時，距離裂縫位置越遠，土壤含水量越高，說明土壤含水量受距離的影響較大；在距離裂縫相等時，裂縫寬度越大，土壤含水量隨著裂縫寬度的增加逐漸減小，說明隨著裂縫寬度的增大，土壤結構變得松散，增加了與空氣的接觸面積，導致水分散失嚴重，土壤含水量降低；說明風沙區(qū)采煤塌陷裂縫在一定程度上破壞了土壤的儲水能力。

3)在今后的土地復墾與生態(tài)重建時，應該充分考慮到土壤的自修復能力，同時在實地野外工作中，發(fā)現(xiàn)了大量的土壤結皮現(xiàn)象的出現(xiàn)，但較為脆弱，因此需要減少人為踐踏或機械碾壓等活動；針對寬度較大的無法閉合的裂縫，應及時填補，減少水分蒸發(fā)。為完善采煤塌陷地土壤水含量的研究，在接下來的研究中，會針對采空塌陷區(qū)進行采煤塌陷后的多時序監(jiān)測。