风沙区采煤沉陷裂缝对表层土壤含水量的影响∗

台晓丽 胡振琪 陈 超

(中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所,北京市海淀区,100083)

★节能与环保★

风沙区采煤沉陷裂缝对表层土壤含水量的影响∗

台晓丽 胡振琪 陈 超

(中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所,北京市海淀区,100083)

为探究西部风沙区采煤沉陷裂缝对周边表层土壤含水量的影响特征,采用TDR对动态裂缝和边缘裂缝两侧不同距离处的含水量进行了动态精细监测。通过统计分析,确定了动态裂缝和边缘裂缝对周边表层含水量的影响范围和周期。结果表明：在动态裂缝整个发育周期内,裂缝周边表层土壤含水量呈现出一个先下降后上升再小幅度下降又上升的趋势,相对出露侧的含水量损失量普遍大于相对塌陷侧;相对于动态裂缝,边缘裂缝的影响范围和周期更大,但在土壤自修复作用下含水量均能得到恢复。采煤沉陷裂缝对表层土壤含水量影响不大,是短暂的,在较短时间内可实现自修复。

风沙区 裂缝 相对出露侧 相对塌陷侧 自修复

煤炭开采在推动经济发展的同时,不可避免的对生态环境造成破坏。神东矿区煤炭资源赋存条件较好,开采强度高,给原本脆弱的生态环境带来更大损害,主要表现为地裂缝对表层土壤水分的破坏,土壤水分因此成为制约当地生态环境的主要因素。边缘裂缝多分布在工作面开采边界的内侧,动态裂缝则分布在工作面中间区域,随开采进度发生变化。在区分两种裂缝的基础上,根据裂缝发育特征,对12406综采工作面裂缝周边不同距离处的土壤含水量进行动态监测,探讨开采对裂缝周边土壤含水量的影响特征,以期为风沙区采煤沉陷地土地复垦和生态修复工作提供理论参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

研究区选为神东补连塔矿区12406工作面,处于毛乌素沙漠和黄土丘陵过渡地带。属中温带半干旱大陆性气候,冰冻期时间长。土壤以盖沙黄土为主,颗粒组成较粗、疏松无结构、储水保肥能力差。受狂暴雨、大风等恶劣气候因素的影响,土壤侵蚀严重,加之采矿活动影响,矿区生态环境不断恶化。

工作面采用长壁开采、垮落式管理顶板方式,开采1-2煤层,工作面长度为300 m,走向长度为3591.98 m,平均煤层厚度约为4.81 m,煤层埋深为190～220 m,煤层倾角为1°～3°,属近水平煤层。平均进尺量为12～13 m/d,月推进量为390～400 m,目前已完成全部回采。煤炭开采导致地表下沉的最大值为2500 mm,下沉系数约为0.55,地裂缝为主要的地表破坏形式。

1.2 试验设计

为消除地形起伏对表层土壤含水量的影响,选取距离开切眼300～500 m,地形相对平坦的区域作为动态裂缝主要监测区,边缘裂缝监测区为从开切眼一直到距离开切眼500 m处,如图1所示。

图1 开采工作面上方监测区示意图

由于裂缝两侧受力不同,在形成裂缝时会导致裂缝两侧高度不同甚至形成台阶,分别将裂缝两侧称为相对出露侧和相对塌陷侧。分别对动态裂缝和边缘裂缝的相对出露侧和相对塌陷侧的表层土壤含水量进行监测。

1.3 研究方法

为快速、准确监测表层土壤含水量,选用两针式TDR监测,探针长度为20 cm。起始监测时间为2011年5月,工作面已开采300 m,分别对动态裂缝和边缘裂缝周围含水量进行监测。以动态裂缝为例,找出监测区最前端(即距开切眼最远端)裂缝,此时距离开切眼414 m。平行于裂缝走向,分别在裂缝两侧距离裂缝10 cm、20 cm、30 cm、 50 cm、75 cm、100 cm和150 cm处布设监测条带,在监测条带上每间隔50 cm布设一个监测点,如图2所示,取每条带上各监测点的水分含量平均值作为该监测条带的实际含水量。监测频率为1次/d,进行水分含量持续动态监测,直到不同距离上的各监测条带的水分含量监测值相同为止。

图2 动态裂缝周围监测点布点示意图

在监测动态裂缝周围含水量时,同时观测边缘裂缝周围含水量。边缘裂缝最前端出现在距开切眼312 m处,沿背离工作面开采方向,布设5个监测区,分别为LF-01、LF-02、LF-03、LF-04、LF-05,每个监测区具体布点方法与动态裂缝基本相同：平行于地裂缝走向,在裂缝两侧按照距地裂缝10 cm、30 cm、50 cm、75 cm、100 cm、150 cm和200 cm处,分别布设监测条带,每条监测条带上间距50 cm布设一个监测点,每条条带上监测点的平均值作为本条监测条带土壤含水量。

1.4 数据计算分析

利用TDR监测土壤含水量,首先对数据进行校正。将烘干法测试的土壤含水量与TDR测试结果进行线性回归分析,得出回归方程：

式中：X——TDR测得的土壤含水量,%;

Y——烘干法测得的土壤含水量,%;

R2——可决系数。

利用回归方程可得到各监测点最终土壤含水量。采用Excel进行数据计算、图形绘制以及曲线方程的拟合,用SPSS20.0软件进行显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 动态裂缝对周边表层土壤含水量的影响

2.1.1 动态裂缝对相对出露侧的影响

(1)动态裂缝对土壤含水量的影响范围。动态裂缝相对出露侧不同距离处土壤含水量统计指标见表1。由表1可知,各观测距离的土壤含水量的最大值基本相同,越靠近裂缝处含水量最小值越小;由均值变化情况来看,75 cm以内含水量随着距裂缝相对距离的增大而增大;方差和变异系数随着相对距离的增大而减小。可见,裂缝对周围土壤的影响程度随着距离的增大而减小。

表1 动态裂缝相对出露侧不同距离处土壤含水量统计指标

为更好的探究裂缝对周围土壤含水量的影响范围,对各点位的含水量进行显著性差异分析。10 cm、20 cm、30 cm、50 cm均与100 cm、150 cm处形成显著性差异,75 cm处与50 cm、100 cm、 150 cm处差异性不显著,100 cm与150 cm差异性不显著。由此可见,裂缝对周边土壤的影响范围为0～75 cm。

(2)动态裂缝对土壤含水量的影响周期。以150 cm处的土壤含水量作为基准值,根据同源可比原则,得到不同点位表层土壤含水量损失量,如图3所示。

图3 动态裂缝相对出露侧表层土壤含水量损失量随时间的变化

动态裂缝周围75 cm之内,损失量随裂缝发育均呈先上升后下降再小幅度上升又下降最后趋于平缓的趋势,这与裂缝发育周期内裂缝宽度的变化趋势完全一致。距离裂缝10 cm、20 cm和30 cm处的损失量峰值均分别出现在裂缝发育7 d和12 d,裂缝在6 d内一直处于开裂状态,裂缝对水分影响的滞后性,造成7 d时达到损失量峰值,分别为1.2%、1%和0.8%,又因为裂缝的二次开裂,达到损失量峰值,分别为1%、0.7%和0.6%,之后在土壤的自修复作用下逐渐下降。因裂缝再次闭合不再开裂,从而减小了土壤的比表面积,关闭了土壤蒸发的通道,水分得以恢复。在边缘裂缝发育17 d后表层土壤含水量损失量基本得到恢复,即裂缝对出露侧表层土壤含水量的影响周期为17 d。

2.1.2 动态裂缝对相对塌陷侧的影响

(1)动态裂缝对土壤含水量的影响范围。动态裂缝相对塌陷侧不同距离处土壤含水量系统指标见表2。从表2可以看到,塌陷侧含水量统计指标呈现出与出露侧相同的变化规律。但相比出露侧,各点位的含水量最大值、最小值和均值有所增大,方差和变异系数均较小且组间差异不大,可见裂缝对相对塌陷侧的影响程度明显小于相对出露侧,可能是因为塌陷侧与空气的接触频率明显低于出露侧的缘故。

由显著性差异分析可知,距离裂缝30 cm以内的土壤含水量的差异性明显,10 cm、20 cm均与30～150 cm处形成显著性差异,30～150 cm之间的差异不显著。由此可见,裂缝对相对塌陷侧土壤的影响范围约为30 cm。

(2)动态裂缝对土壤含水量的影响周期。相比出露侧,塌陷侧的含水量损失量也有先上升后下降再小幅度上升又下降最后趋于平缓的趋势,区别在于裂缝对水分的影响开始于4 d,终止于15 d,影响周期为11 d,小于裂缝发育的生命周期,且含水量损失量相对较小。

表2 动态裂缝相对塌陷侧不同距离处土壤含水量统计指标

2.2 边缘裂缝对周边表层土壤相对出露侧含水量的影响

2.2.1 边缘裂缝对土壤含水量的影响范围

以相对出露侧为例,距离裂缝200 cm范围内,土壤含水量呈现先降低又上升后趋于平缓的趋势。距离裂缝10 cm处的土壤含水量最高,距离30 cm处最低,30～150 cm的土壤含水量呈递增趋势,如图4所示。距离裂缝10 cm处,由于裂缝的存在,形成了剖面如漏斗似的汇集区,受汇集作用影响,土壤含水量得到了显著提高;而距离裂缝30 cm处,表层土壤含水量垂直方向大量丢失,汇集作用减弱,无法形成有效的补充,再加上受地表风蚀和水蚀的影响,土壤含水量最低。

图4 边缘裂缝相对塌陷侧表层土壤含水量损失量随时间的变化

LF-01、LF-02、LF-03和LF-04、LF-05之间的土壤含水量差距较大,主要是由于LF-04、LF-05(人工林地区)相对于LF-01、LF-02、LF-03(沙生植被区)来说,植被覆盖度较高,而植被对土壤含水量具有富集性和减蚀性。

5个监测区域内,距离裂缝10 cm、30 cm、 50 cm、75 cm、100 cm和150 cm、200 cm处均呈现显著性差异,而150 cm和200 cm处差异不显著,说明距裂缝150 cm范围内土壤含水量发生了变化,即裂缝对土壤含水量的影响边界约为150 cm,如图5所示。

图5 边缘裂缝相对出露侧不同距离处土壤含水量

2.2.2 边缘裂缝对土壤含水量的影响周期

研究边缘裂缝两侧10 cm处表层土壤含水量损失量(相对200 cm)随时间的变化,如图6所示。

图6 表层土壤含水量损失量随时间的变化

随裂缝发育,损失量呈现出先上升后缓慢下降的趋势。拟合曲线得出峰值出现在22 d,实地开采进度为13 m/d,峰值出现在距离边缘裂缝前端286 m处。边缘裂缝发育的前15 d,曲线斜率较大,即裂缝发育前期受裂缝发育天数的影响损失量变化趋势明显;在裂缝发育后期,变化不显著,说明在边缘裂缝发育50 d后表层土壤含水量损失量基本得到恢复,裂缝对表层土壤含水量影响可以忽略。分析边缘裂缝水分变化情况,随着裂缝的开裂,土壤孔隙度增大,比表面积增大,从而水分的蒸发速度增大。塌陷区错落体的相对出露侧孔隙度的显著增大可能是造成该侧水分散失加剧的主要原因,导致出露侧的土壤水分同塌陷侧相比显著降低。50 d后,裂缝虽然未闭合,但雨水的冲刷以及风沙天气的影响,可能导致土壤孔隙被细小颗粒填充,从而降低了水分的蒸发,另外土壤结皮也对水分保持起到一定的促进作用。

3 结论

为探究西部风沙区采煤塌陷裂缝对周边土壤含水量的影响特征,利用TDR分别对动态裂缝和边缘裂缝的两侧周边表层土壤含水量进行动态监测。

(1)在动态裂缝整个发育周期内,裂缝周边表层土壤含水量呈现一个先下降后上升再小幅度下降又上升的趋势;其对出露侧的影响范围为75 cm,周期为17 d,对塌陷侧的影响范围为30 cm,周期为11 d;对出露侧的影响程度大于塌陷侧,但两侧土壤均具有自修复能力。

(2)边缘裂缝对两侧周围表层土壤含水量的影响范围均为150 cm,周期约为50 d,但相对出露侧的含水量损失量普遍大于塌陷侧。相对于动态裂缝,边缘裂缝的影响范围和周期更大,但在土壤自修复作用下含水量均能得到恢复。

(3)采煤沉陷裂缝对表层土壤含水量影响不大,在较短时间内可实现自修复,对地表植被的影响不大。在西部风沙区采煤沉陷地土地复垦与生态重建工作中,应充分利用土壤的自修复功能,避免人工修复带来的二次扰动;对受影响较大的沉陷盆地边缘,可采取填埋裂缝等人工修复措施加快土壤含水量的恢复,保证植被正常生长所需水分。

[1] 张建民,杨峰,李能考等.超大综采工作面开采地表层含水性自修复研究[J].煤田地质与勘探, 2013(6)

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(责任编辑 孙英浩)

煤热解气化分质转化制清洁燃气关键技术研究项目入选国家重点研发计划

近日,经过激烈、严格的项目申报与评审,由陕煤化集团牵头申报的“煤热解气化分质转化制清洁燃气关键技术研究”项目成功入选国家重点研发计划。获批该项目的首席科学家为陕煤化集团郑化安,该项目团队汇集了煤炭科学技术研究院、西南化工研究设计院、太原重工股份有限公司、内蒙古美方煤焦化有限公司等共21家煤化工行业产学研用优势单位,拥有“煤炭资源高效开采与洁净利用”等5个国家重点实验室、“国家能源煤炭分质清洁转化”等2个国家能源重点实验室、7个国家工程中心和工程实验室及10多个省部级重点实验室,拥有7套万吨级以上煤热解、12 t/d加压固定床液态排渣气化、1000 Nm3/h活性焦干法脱硫脱硝及低温SCR脱硝等试验平台。

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

台晓丽(1990-),女,汉,硕士研究生,主要从事土地复垦与生态修复研究。

国家自然科学基金委员会—神华集团有限责任公司煤炭联合基金重点支持项目(U1361203)