生態(tài)脆弱區(qū)采礦地裂縫精細回填技術(shù)研究

李 果

(國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719315)

神東礦區(qū)位于我國西部晉陜蒙交界處，煤炭儲量大、年生產(chǎn)能力強[1]。隨著現(xiàn)代煤礦開采方式的推進[2]，礦區(qū)開發(fā)建設(shè)了多個世界級超大型井工煤礦。但該地區(qū)土壤受沙漠的侵擾形成了獨特的土壤理化性質(zhì)，土壤顆粒疏松無結(jié)構(gòu)、儲水保肥能力差、土壤質(zhì)量下降[3]，水資源短缺、地表植被稀疏退化[4]，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。

許多學者對生態(tài)脆弱區(qū)采礦地裂縫的形成、發(fā)育規(guī)律及對土壤水分進行了大量研究，胡振琪[5]等研究發(fā)現(xiàn)高強度開采下動態(tài)地裂縫具有自修復(fù)功能；賈鑫[6]等通過水分儀的現(xiàn)場測定得出距離裂縫越近的土壤水分受影響越大；郭巧玲[7]等對比分析不同寬度裂縫和非裂縫區(qū)土壤含水率，得出裂縫的寬度和深度均對土壤水分產(chǎn)生較大影響；Yang等[8]通過模擬實驗和HYDRUS-1D模型得出土壤實際蒸發(fā)與潛在蒸發(fā)的比率隨著地下水深度的增加而降低；Liu[9]通過研究得出可以通過調(diào)整開采速度控制地裂縫災(zāi)害的技術(shù)措施；臺曉麗[10]等得出在受影響較大的沉陷區(qū)可采取人工修復(fù)措施以保證生態(tài)植被的正常生長；琚成遠[11]等得出隨裂縫寬度增大土壤結(jié)構(gòu)變松散從而儲水能力被破壞；王強民[12]等提出通過調(diào)整工作面寬度和開采厚度以減小地面塌陷的發(fā)育程度；楊澤元[13]等利用數(shù)值模擬模型得出了采煤裂縫區(qū)土壤水力學參數(shù)；畢銀麗[14]等通過建立模型證明HYDRUS能夠較好地模擬裂縫區(qū)域內(nèi)的水鹽運移；王麗男[15]通過分析得到復(fù)雜地質(zhì)條件下地表裂縫的成因機理；嚴家平[16]等通過室內(nèi)物理試驗得出土壤裂隙加劇了銨態(tài)氮由表層向深部的遷移流失。

目前，針對采礦地裂縫的研究主要集中在地裂縫的形成機理、裂縫特征及地裂縫的產(chǎn)生對周邊土壤水分影響。但針對生態(tài)脆弱區(qū)采礦地裂縫影響下的土壤水分運移情況以及地表裂縫的精細回填技術(shù)研究還較少，難以滿足實際工程需要，且現(xiàn)階段對于地裂縫的治理大多為就地掩埋，雖成本較低，但缺少理論指導，現(xiàn)場操作盲目，導致治理效果較差。基于此，本文以研究區(qū)內(nèi)風積沙、黃土、黏土和粉煤灰為研究對象，通過原位觀測與實驗室實驗結(jié)合的方法，首先測定研究區(qū)原狀土及各重構(gòu)土的土壤水分特性曲線，并利用MATLAB軟件擬合出對應(yīng)水分運動參數(shù)；再利用HYDRUS-1D軟件模擬不同重構(gòu)土按“三步法”對地裂縫進行回填后的土壤水分運動情況，以原位觀測所得非沉陷區(qū)的實際數(shù)據(jù)為參考標準，對比選擇出適用于生態(tài)脆弱區(qū)采礦地裂縫精細回填的重構(gòu)土比例，以期為后期的礦區(qū)土地復(fù)墾建設(shè)提供一定理論依據(jù)，為生態(tài)脆弱區(qū)采礦地裂縫治理、回填提供了理論及技術(shù)支持，為區(qū)域發(fā)展提供寶貴的土地資源，同時為其他生態(tài)脆弱區(qū)采礦地裂縫精細回填提供部分參考。

1 材料與方法

本文選取神東某井田內(nèi)的原狀土、風積沙、黃土、黏土以及粉煤灰作為實驗材料。

1)單因素試驗設(shè)計。本文分別以礦區(qū)風積沙、黃土、黏土、粉煤灰為材料開展單因素試驗，分別測定現(xiàn)場原狀土及各重構(gòu)土壤的干容重、飽和體積含水率、飽和入滲系數(shù)。單因素試驗設(shè)計見表1。

2)干容重及飽和體積含水率測定方法。采用環(huán)刀烘干法[17]分別測定現(xiàn)場原狀土及各重構(gòu)土的干容重及飽和體積含水率。

表1 單因素試驗設(shè)計

3)飽和入滲系數(shù)測定方法。采用室內(nèi)實驗常水頭法[18]分別對研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)場原狀土及各重構(gòu)土進行土壤飽和滲透系數(shù)測定試驗，試驗裝置如圖1所示。

圖1 各土壤組分飽和入滲系數(shù)測定裝置

在環(huán)境溫度為T時，滲透系數(shù)可通過下式進行計算：

式中，Qi為單位時間內(nèi)水滲出量，mL；S為實驗土柱橫截面積，cm2；ti為計數(shù)時間間隔，min；l為土柱內(nèi)的物料高度，m；ΔH為常水位下積水面至出水口高度，m。

將通過上式得出的土壤滲透系數(shù)轉(zhuǎn)換為溫度在10℃下的土壤滲透系數(shù)，則有下式：

4)現(xiàn)場原位監(jiān)測方法。采用多功能土壤傳感器在線監(jiān)測土壤溫濕度及電導率。實驗于采煤沉陷區(qū)工作面上設(shè)計5條土壤觀測剖面，土壤傳感器埋深分別為距地表10cm、60cm、110cm、160cm、210cm，每處有3個測點，共25個三合一土壤傳感器；非沉陷區(qū)相同設(shè)計。裝置布設(shè)如圖2所示。

圖2 原位監(jiān)測裝置安裝(cm)

5)重構(gòu)土壤水分特征曲線及水分運動參數(shù)測定。采用有機玻璃圓柱，分別對非沉陷區(qū)原狀土及由單因素試驗篩選出的重構(gòu)土，在模擬降雨條件下測定含水率變化及對應(yīng)的張力值。有機玻璃柱體兩側(cè)分別安裝負壓式土壤張力計及高周波水分測定儀共計6組。分別測定各土壤在不同含水率下的土壤水吸力，利用MATLAB軟件擬合出對應(yīng)土壤水分特征曲線及水分運動參數(shù)。柱體如圖3所示。

圖3 圓柱模型(cm)

6)重構(gòu)土回填模擬?；靥钔了诌\移模擬為模擬“三步法”回填地裂縫中的“深部回填”和“表層覆土”，即，通過室內(nèi)土柱實驗及MATLAB軟件擬合各土壤水分特征曲線及水分運動參數(shù)，利用HYDRUS-1D軟件對非沉陷區(qū)原狀土進行土壤水分運移模擬，其中時間周期設(shè)置為重構(gòu)土回填至地裂縫后半年內(nèi)的水分運移情況，模擬時間段內(nèi)的降雨及蒸發(fā)量按往年實際數(shù)據(jù)進行設(shè)置。在構(gòu)建模型時設(shè)定剖面巖性為兩種，其中0～20cm土層的土壤水分運動參數(shù)為實驗室測得的研究區(qū)內(nèi)非沉陷區(qū)土壤數(shù)據(jù)，20～110cm土層的土壤水分運動參數(shù)分別為實驗室測得的各重構(gòu)土數(shù)據(jù)，觀測點分別設(shè)在10cm、60cm、110cm處。對重構(gòu)土回填進行模擬前，首先對模擬模型進行校驗，校驗方法為以測得的原狀土參數(shù)進行模擬將模擬結(jié)果與現(xiàn)場原位監(jiān)測結(jié)果進行對比分析。

2 重構(gòu)土特性

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

由實驗結(jié)果得出在改變粉煤灰含量時重構(gòu)土壤的飽和含水率及飽和入滲系數(shù)均增大且達到最大，原因是有研究表明[19]粉煤灰在與砂壤土混合后可提升砂壤土的飽和含水量及其持水性能，這與實驗結(jié)果相符。對于回填土的選擇不僅要考慮回填土的持水性及保水性，針對研究區(qū)蒸發(fā)量大的特點還應(yīng)考慮回填土向深處土壤補給水分的能力，因此，本文選擇以粉煤灰為自變量的重構(gòu)土作為后期模擬回填的回填土，并選擇以粉煤灰為自變量的重構(gòu)土作為實驗材料分別測定原狀土與重構(gòu)土的土壤水分特征曲線及水分運動參數(shù)。

表2 非沉陷區(qū)土壤干容重測定結(jié)果

表3 沉陷區(qū)土壤干容重測定結(jié)果

表4 單因素試驗記錄表

2.2 各土壤水分特性曲線及水分運動參數(shù)測定結(jié)果

由2.1得出采用以粉煤灰為自變量的重構(gòu)土作為回填材料，將質(zhì)量比為1∶1∶1∶1、1∶1∶1∶2、1∶1∶1∶3的重構(gòu)土分別對應(yīng)裝入圖3所示圓柱體內(nèi)，編號為1—3號，根據(jù)室內(nèi)土柱實驗，選擇Van Genuchten模型[20]對實驗數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件進行擬合。表達式為：

式中，θ為體積含水率，cm3/cm3；θr為殘余含水率，cm3/cm3；θs為飽和含水率，cm3/cm3；h為土壤水吸力，cmH2O；α為進氣值，cm-1；m，n為模型參數(shù)。

導入實驗數(shù)據(jù)并利用MATLAB軟件擬合，擬合曲線如圖4(a)—(d)所示，擬合參數(shù)見表5。實測值與模擬值的ESS(殘差平方和)均小于0.001，證明實測值與模擬值的誤差相對較小。

表5 各土樣土壤特征曲線擬合參數(shù)

圖4 各土柱水分特征擬合曲線

由圖4(a)—(d)可以看出，各填充土壤水分特征曲線形態(tài)變化均隨含水率下降而增大；土壤水吸力在0～100cmH2O之間時，原狀土、2號柱、3號柱的土壤含水率隨水吸力的上升下降速度不大，1號柱的土壤含水率下降快，這是因為1號柱的重構(gòu)土中大顆粒占比較高且填充物在土柱內(nèi)為均勻分布外界空氣進入土壤中并占據(jù)了土壤孔隙通道隨吸力值稍微增加就可使水分快速流失使得土壤水分在柱體內(nèi)的運移時受重力及大氣壓作用明顯；土壤水吸力在100～400cmH2O之間時，原狀土、2號柱、3號柱的土壤含水率隨土壤水吸力增大快速降低這是因為土壤水吸力逐漸增加到進氣值使得外部空氣進入到土壤孔隙中；當土壤含水率下降到一定值時，土壤含水率下降不再明顯，圖4中2號土柱最先達到此狀態(tài)且此時2號柱的土壤含水率最大，說明2號柱的填充重構(gòu)土持水性能最好。1號柱、2號柱、3號柱填充重構(gòu)土的干容重依次遞減，由于1號柱內(nèi)大顆粒占比高土壤細小孔隙發(fā)育不完全使得在吸力剛增大時含水率就迅速下降，對比2號與3號土柱發(fā)現(xiàn)容重大的2號土柱內(nèi)土壤保水性能好，這是因為在一定范圍內(nèi)相同組分在不同比例混合下容重增大土壤的持水能力隨之增強。因此，可以得出土壤顆粒占比、土壤容重的變化都明顯影響了土壤基質(zhì)勢與土壤含水率的變化規(guī)律，但在總體上仍是土壤基質(zhì)勢隨土壤含水率的增加而降低，反之亦然。

2.3 模擬模型校驗

由現(xiàn)場原位監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤在110cm以下土層土壤含水率幾乎無變化，因此僅對110cm及以上土層處測點位置進行模擬，利用HYDRUS-1D軟件結(jié)合2.2擬合出的原狀土水分運動參數(shù)以原位檢測結(jié)果為標準，對模擬模型進行校驗?zāi)M結(jié)果如圖5所示(圖中N1、N2和N3分別表示10cm、60cm和110cm土層處觀測點，后同)，通過在工程文件夾中提取模擬輸出數(shù)據(jù)，將不同土層深度的土壤含水率隨時間變化數(shù)據(jù)與現(xiàn)場原位監(jiān)測的實測值進行對比，不同觀測點含水率隨時間變化結(jié)果如圖6(a)—(c)所示，各評價指標計算結(jié)果見表6。

圖5 各土層土壤含水率隨時間變化模擬值

圖6 各觀測點含水率實測值與模擬值對比圖

由圖6可知，模擬結(jié)果與實測結(jié)果非常接近，但總體模擬值相較于原位監(jiān)測的實測值小，這是由于現(xiàn)場實際情況較為復(fù)雜利用數(shù)值模擬的方法將現(xiàn)場情況進行了簡化從而僅考慮降雨和蒸發(fā)情況而未考慮現(xiàn)場植物對蒸發(fā)作用的影響，因此模擬值蒸發(fā)量大于實測值造成了在數(shù)值上小于實測值但總體變化趨勢一致的結(jié)果。

由表6可以看出，RMSE值均小于0.002cm3/cm3，RE值均大于-2%，均在允許誤差范圍內(nèi)；NSE的取值范圍在負無窮到1之間，其中數(shù)值越接近于1模擬值與實測值匹配度越高模擬效果越可信，越接近于0模擬值越接近于實測值的平均值，表中10cm、60cm處觀測點的NSE值均大于0.5說明模擬值可信度高，110cm處的值小于0.5這是因為110cm處的實測值起伏不大都接近于其平均值因此110cm處的NSE值只要介于0～1之間也可看作模擬是可信的；R2值越接近于1說明擬合度越高，從上表可以看出在各土層處R2值均大于0.7證明擬合度較高。因此此模型是可信的，且由室內(nèi)土柱實驗得出的土壤水分運動參數(shù)可用于回填土水分運移模擬。

表6 各評價指標計算結(jié)果

2.4 重構(gòu)土回填模擬

各重構(gòu)土回填后水分運動模擬結(jié)果如圖7—圖12所示。其中水分通量數(shù)值為正代表垂直地面向上，即水分蒸發(fā)；數(shù)值為負代表垂直地面向下，即水分入滲。

圖7 質(zhì)量比為1∶1∶1∶1時體積含水率模擬結(jié)果

圖8 質(zhì)量比為1∶1∶1∶1時水分通量模擬結(jié)果

由圖7、圖8可以看出當回填組分按質(zhì)量比為1∶1∶1∶1進行回填時，重構(gòu)土的土壤水分運移模擬情況為土壤含水率隨土層的增加變化幅度逐漸減小且在降水條件下淺層土壤含水率增大一段時間后，深層土壤水分再隨之增加，隨時間的增加各土層土壤含水率總體呈現(xiàn)下降趨勢，說明了在該比例下的回填土對土壤水分的保持性不好易受蒸發(fā)條件影響；通過各觀測點的水分通量模擬結(jié)果可以看出10cm處土壤水分在降雨條件下向深層土壤供給量較大且入滲速率較大利于土壤水分向深層土壤的傳輸，但到了60cm較深處土層土壤受日常蒸發(fā)條件的影響仍較大，得出在此質(zhì)量比混合下的重構(gòu)土回填后在較深層處土壤受蒸發(fā)條件影響仍較大。

由圖9、10可以看出當回填組分按質(zhì)量比為1∶1∶1∶2進行回填時，重構(gòu)土的土壤水分運移模擬情況為土壤含水率隨土層的增加變化幅度逐漸減小，在降水條件下淺層土壤含水率增大一段時間后深層土壤水分再隨之增加，在110cm處土層含水率變化幅度不大，60cm處土層含水率受蒸發(fā)條件影響不大僅在降雨條件下有所增大，60cm和110cm處土層土壤含水率有略微增大說明該土壤具有一定的保水性且略優(yōu)于非沉陷區(qū)原狀土，各土層土壤含水率在日常條件下能保持在一穩(wěn)定范圍內(nèi)小幅度變化但整體均有略微下降，這與前文中的原位監(jiān)測結(jié)果相符，說明在此比例下的重構(gòu)土水分運移情況與非沉陷區(qū)原狀土的水分運移規(guī)律相似，適宜作為回填土對地裂縫進行回填；通過各觀測點的水分通量模擬結(jié)果可以看出10cm處土層水分通量變化趨勢及幅度隨降雨及蒸發(fā)條件的變化而變化且在降雨條件下水分可及時入滲到深部土層中，60cm處土層在降雨強度較大的情況下土壤水分向深部入滲較為明顯且蒸發(fā)量已明顯降低，110cm處土層土壤水分通量僅有微量的入滲水分變化幅度不大。

圖9 質(zhì)量比為1∶1∶1∶2時體積含水率模擬結(jié)果

由圖11、12可以看出當回填組分按質(zhì)量比為1∶1∶1∶3進行回填時，重構(gòu)土的土壤水分運移模擬情況為，在110cm處土層含水率隨時間變化幅度相較于質(zhì)量比為1∶1∶1∶1時的模擬情況變化不大但仍有略微下降，60cm處土層含水率受蒸發(fā)條件影響較大但在降雨條件下入滲速率大于質(zhì)量比為1∶1∶1∶2時的模擬情況，可以看出總體保水性能小于質(zhì)量比為1∶1∶1∶2但高于質(zhì)量比為1∶1∶1∶1時的模擬情況；通過各觀測點的水分通量模擬結(jié)果可以看出10cm處土層水分通量變化趨勢及幅度隨降雨及蒸發(fā)條件的變化而變化且在降雨條件下水分可及時入滲到深部土層中，60cm處土層在降雨條件下土壤水分向深部入滲較為明顯但在非降雨條件下受蒸發(fā)作用的影響仍較為明顯，110cm處土層土壤水分通量僅有微量的入滲水分變化幅度不大。

圖11 質(zhì)量比為1∶1∶1∶3時體積含水率模擬結(jié)果

圖12 質(zhì)量比為1∶1∶1∶3時水分通量模擬結(jié)果

3 結(jié) 論

1)由單因素試驗結(jié)果得出在改變粉煤灰含量時重構(gòu)土壤的飽和含水率及飽和入滲系數(shù)均增大且達到最大，故選擇以粉煤灰為自變量的重構(gòu)土作為后期模擬回填的回填土。

2)通過將模擬值與原位監(jiān)測實際值對比分析得出所選VG模型可以準確模擬出研究區(qū)的土壤水分運移特征，且由室內(nèi)土柱實驗得出的土壤水分運動參數(shù)是合適的，可以用于接下來的回填土水分運移模擬。

3)回填組分按質(zhì)量比為1∶1∶1∶2均勻混合下的重構(gòu)土為最佳回填重構(gòu)土，在回填后的土壤水分運移情況與非沉陷區(qū)土壤原位監(jiān)測結(jié)果最為接近且較深處土壤保水性能略優(yōu)于非沉陷區(qū)原狀土；回填方法為將重構(gòu)土填充至地裂縫中待回填材料填充至距地表20cm處停止填充并夯實，剩余空間覆以現(xiàn)場非沉陷區(qū)原狀土至于地表持平，后期可在表層覆土上種植適宜在當?shù)厣L的植被提高生態(tài)修復(fù)效果。

4)本文模擬部分僅考慮了研究區(qū)降雨及蒸發(fā)因素，但未考慮研究區(qū)內(nèi)植被因素的影響及溶質(zhì)運移問題，在之后的研究中可對其加以研究。