降雨條件下風(fēng)沙區(qū)高強(qiáng)度開采對(duì)剖面土壤水分的影響.docx

1、節(jié)能與環(huán)保降雨條件下風(fēng)沙區(qū)高強(qiáng)度開采對(duì)剖面土壤水分的影響*陳超林杉胡振琪臺(tái)曉麗楊坤（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）上地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京市海淀區(qū)，100083）摘要為研究降雨條件下風(fēng)沙區(qū)高強(qiáng)度開采對(duì)剖面土壤水分的影響，通過采用中子儀時(shí)高強(qiáng)度開采過程中表層土壤水分進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，分析降雨前后開采對(duì)風(fēng)沙區(qū)垂直土壤水分變化的影響。研究表明：開采活動(dòng)對(duì)不同區(qū)域土壤含水量的影響不同，正在開采的研究區(qū)受影響程度要大于采后的開切眼區(qū)，且邊緣區(qū)大于盆底區(qū)；開采活動(dòng)對(duì)不同深度土壤舍水量影響程度也不同，對(duì)表層土壤的影響大于深層土壤；開采結(jié)束后，土壤水分有一定的恢復(fù)，且表層土壤恢復(fù)較快，深層土壤受影響時(shí)間較長(zhǎng)。關(guān)鍵詞風(fēng)

2、沙區(qū)上壤體積含水量超大工作面高強(qiáng)度開采中圖分類號(hào)TD997文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼AImpactsofhigh-intensivecoalminingonverticalsoilmoistureontheconditionofprecipitationinwindyandsandyregionChenChao,LinShan,HuZhenqi,TaiXiaoliYangKun(InstituteofLandReclamationandEcologicalRestorationChinaUniversityofMiningandTechnology*Beijing,Haidian,Beijing100083*

3、China)AbstractAimingtostudyimpactsofhigh-intensivecoalminingonverticalsoilmoistureontheconditionofprecipitationinwindyandsandyregion,thepaperanalysestheimpactsofminingonverticalsoilmoisturedistributioninwindyandsandyregionpreandpostprecipitation.Theresultsexhibitthatthemagnitudeofimpactsofminingacti

4、vitiesonsoilvolumetricmoisturecontentvariesindifferentareas,theimpactsoftheminingareaisgreaterthanthatofthepost-miningarea(open-offcutarea),whileimpactsofmarginalareaisgreaterthanthatofthebasinfloorarea.Miningactivitieshavevariousimpactsondifferentsoildepths,andtheimpactsonsurfacesoilislargerthantha

5、tofthedeepsoil.Withthecompletionofmining,thereissomerecoveryofsoilmoisture,witharapidrecoveryrateofthesurfacesoil.andtheimpacttimelastslongerforthedeepsoil.Keywordswindyandsandyregionsoilvolumeiricmoisturecontentsuperlargeworkingface*high-intensivecoalmining隨著我國煤炭戰(zhàn)略西移，超大工作面等高強(qiáng)度開采技術(shù)逐漸在神東礦區(qū)得到大規(guī)模推廣和應(yīng)用，

6、這可能嚴(yán)重威脅風(fēng)沙區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境。處于風(fēng)沙區(qū)的神東礦區(qū)主要植被為耐早、根系相對(duì)較淺的沙，基金頊目：國家白然科學(xué)基金委員會(huì)一神華集團(tuán)有限責(zé)任公司煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)支持頊目（U1361203）降雨條件下風(fēng)沙區(qū)高強(qiáng)度開采對(duì)剖面土壤水分的影響.篙、沙柳等，植物根系所需水分大都來自淺層土壤水分，由于降水較少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，淺層土壤水分是該區(qū)植被生長(zhǎng)與恢復(fù)的主要限制因子，而已有研究較少涉及煤炭資源高強(qiáng)度開采條件F植被、土壤與水分間的相互關(guān)系，這關(guān)系到能否準(zhǔn)確判斷采煤塌陷對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度。選取神東礦區(qū)大柳塔礦113某超大工作面，對(duì)不同沉陷區(qū)、不同深度土層的土壤水分在降雨前后的變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，試圖了解不

7、同采煤沉陷區(qū)域表層土壤水分的響應(yīng)特征.同時(shí)揭示采煤過程與表層土壤水分動(dòng)態(tài)變化關(guān)系,以期為土地復(fù)墾與生態(tài)重建工作提供理論參考。1研究區(qū)概況大柳塔礦地處毛烏素沙地南緣，海拔11201280m,地貌主要為風(fēng)積沙，少量為黃土梁布區(qū)。礦區(qū)干旱少雨多風(fēng)，屬典型高原大陸性氣候。地表水體主要為井田西界的烏蘭木倫河和東界的勃牛川。該區(qū)土壤以風(fēng)沙土為主，結(jié)構(gòu)疏松。研究區(qū)某超大工作面長(zhǎng)度為280.5m,推進(jìn)長(zhǎng)度為2881.3m。開采5煤層，煤層埋深為190220m,煤層厚度為7.077.7m,平均厚度為7.25m。煤層傾角較小,層狀構(gòu)造，屬近水平煤層。工作面平均進(jìn)尺量約為llm/d,采用長(zhǎng)壁開采、全部垮落法管理頂板

8、，目前已完成全部網(wǎng)采工作。2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法2.1布點(diǎn)方法I開采T-開采方向一BY非沉陷區(qū)研究區(qū)俯視圖-*-*沉陷成中間區(qū)4沉陷盆地邊緣區(qū)升切眼區(qū)根據(jù)開采沉陷學(xué)理論，利用MSPS軟件預(yù)計(jì)出均勻沉降區(qū)與非均勻沉降區(qū)，為排除地形差異影響，選取地勢(shì)平坦、植物種類和蓋度相當(dāng)?shù)膮^(qū)域布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，均勻沉降區(qū)為沉陷盆地中間研究區(qū)（以下簡(jiǎn)稱中間區(qū).以ZJ代表）、非均勻沉降區(qū)為沉陷盆地邊緣研究區(qū)（以下簡(jiǎn)稱邊緣區(qū).以BY代表）、開切眼研究區(qū)（以下簡(jiǎn)稱開切眼區(qū)，以KQ代表）和對(duì)照區(qū)（以CK代表），利用GPS準(zhǔn)確布設(shè)12個(gè)點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)直徑為4.5cm、長(zhǎng)度為230cm的鋁管，實(shí)驗(yàn)區(qū)分區(qū)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。剖面圖_

9、剖面圖_圖1實(shí)驗(yàn)區(qū)分區(qū)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布示意圖2.2實(shí)驗(yàn)方法研究重點(diǎn)探討采煤對(duì)剖面土壤水分的影響.同時(shí)結(jié)合工作面開采進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。水分監(jiān)測(cè)主要選取CNC503B智能中子土壤水分儀（下稱中子儀）作為監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)土壤體積含水量（土壤水分體積與土壤體積之比），用烘干法對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。計(jì)算公式為：久=蘭鏟4x100%(1)式中：們一土壤體積含水量，%;W,濕土重量，g;烘干土重量，g;Pb土壤容重，g/cm，。由于中子儀在地表010cm有中子外溢現(xiàn)象,產(chǎn)生一定實(shí)驗(yàn)誤差，故監(jiān)測(cè)地表下10m200cm的土壤體積含水量。具體方法是：每10cm為一層，分層監(jiān)測(cè)，原則上每2d監(jiān)測(cè)一次。為減小誤差，應(yīng)確保觀測(cè)時(shí)段相同，

10、并按同一順序觀測(cè)，盡量保證實(shí)驗(yàn)條件的一致性。2.3數(shù)據(jù)校正利用中子儀測(cè)定土壤體積含水危有一定的空間差異，故用烘干法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。一般通過計(jì)數(shù)比率R,（測(cè)量計(jì)數(shù),/標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)）質(zhì)土壤體積含水量們建立線性關(guān)系，用以消除或減弱系統(tǒng)誤差.從而準(zhǔn)確求出土壤水分含雖。采取野外標(biāo)定，在實(shí)菠區(qū)內(nèi)選擇未擾動(dòng)過的典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)2m處，開挖2m深的剖面，每10cm用環(huán)刀取土樣1組，每組3個(gè)平行樣，測(cè)定土壤重量、含水量和土壤容重，換算成土壤體積含水量并取均值；利用中子儀在相同深度測(cè)定土壤含水量，每層測(cè)定3個(gè)數(shù)據(jù)并取平均值。將每組不同的R、.和們直接作為獨(dú)立的樣本進(jìn)行線性回歸分析（相關(guān)系數(shù)尸為0.91）,所得

11、回歸方程為：久=79.277XRv+1.5761式中：乩-計(jì)數(shù)比率。(2)3結(jié)果與分析3.1土壤水分變化分層情況通過分析對(duì)照區(qū)土壤剖面水分變化情況，土壤水分在垂直方向隨深度增加，呈現(xiàn)出先增大后達(dá)到基本穩(wěn)定的趨勢(shì)，體積含水量在2%10%范圍內(nèi)變化，其分布受降水、蒸發(fā)和植被等因素的影響較中國燥炭第42卷第10期2016年10月圖2監(jiān)測(cè)時(shí)段對(duì)照區(qū)土壤剖面水分變化2_；_(_i0050100150200監(jiān)測(cè)深度/cm%/源聯(lián)V敬囑*卻志圾-H0502115土壤體積含水量均值十JW體枳含水量變化系數(shù)區(qū)ZJ圖4降雨前后1020cm土壤體積含水量的變化情況何大，監(jiān)測(cè)時(shí)段對(duì)照區(qū)土壤剖面水分變化如圖2所示。根據(jù)

12、體積含水量均值及變異系數(shù).將0200cm土壤分為土壤水分速變層和穩(wěn)定層，土壤體積含水量垂直分層結(jié)果如圖3所示。(1)土壤水分速變層(1040cm)。隨深度增加土壤水分顯著增加(PV0.05),且變異系數(shù)普遍較大，對(duì)雨水等因素響應(yīng)較為明顯。在監(jiān)測(cè)期導(dǎo)致土壤水分變化的主要因素有降雨、蒸發(fā)和植物蒸騰作用等。由變異系數(shù)可知，該區(qū)表層40cm內(nèi)土壤受雨水影響明顯，20cm變異系數(shù)最大，同時(shí)該層土壤水分隨深度顯著遞增。10水分速變層水分穩(wěn)定層25圖3土壤體積含水St垂直分層結(jié)果(2)土壤水分穩(wěn)定層(40cm以下)。存在少許灌木和喬木根系，土壤水分受氣候和植被影響相對(duì)較小，對(duì)上、下層土壤均能起到補(bǔ)給及儲(chǔ)存作

13、用。該層雖受降雨影響較小，但也隨降雨等因素發(fā)生變化。如在降雨初期，該層土壤有貯水作用，隨時(shí)間延長(zhǎng)，除補(bǔ)給地下水外，植物蒸騰及地表蒸發(fā)等使得該層土壤又可向上層供水，水分人滲和向上遷移同時(shí)發(fā)生于此層。這與該區(qū)土壤屬沙土、物理降雨條件下風(fēng)沙區(qū)高強(qiáng)度開采對(duì)剖面土壤水分的影響.性黏粒含量較低、結(jié)構(gòu)松散、保水能力差有關(guān)，在降雨強(qiáng)度大時(shí)，僅小部分雨水在短期內(nèi)形成地表徑流，故而入滲最大以致入滲深度較大。3.2降雨前后1020cm土壤對(duì)降雨的響應(yīng)情況4個(gè)分區(qū)1020cm土壤體積含水量變化情況如圖4所示，降雨后1d的四個(gè)分區(qū)1020cm壤體積含水量較降雨前均有一定提升，降雨5d后與Id后相比均有所降低，但升高與降

14、低筮并不一降雨前降雨后Id降雨后5d圖4(a)表明地域差異導(dǎo)致降雨前中間區(qū)、邊緣區(qū)與對(duì)照區(qū)土壤體積含水量均顯著低于開切眼區(qū)。降雨補(bǔ)給使得降雨后1d的對(duì)照區(qū)含水最比降雨前顯著提高，開切眼區(qū)、中間區(qū)亦顯著升高，而邊緣區(qū)變化并不顯著。降雨后1d的土壤體積含水量升高量如圖4(b)所示，雖然開切眼區(qū)與中間區(qū)土壤體積含水量均顯著升高，但對(duì)降雨的響應(yīng)程度不同。中間區(qū)與邊緣區(qū)升高量顯著低于對(duì)照區(qū),而開切眼區(qū)升高量卻顯著高于對(duì)照區(qū)。邊緣區(qū)在降雨后1d含水量升高值顯著低于中間區(qū)，說明開采對(duì)不同區(qū)域土壤含水最影響程度有所不同：邊緣區(qū)中間區(qū)。這說明在開采過程中開采活動(dòng)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變化直接影響到土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)程

15、度。就中間區(qū)與邊緣區(qū)相比而言，雖然中間區(qū)下沉值較大.且高強(qiáng)度開采導(dǎo)致巖土層垮落現(xiàn)象明顯,但是邊緣區(qū)土壤結(jié)構(gòu)受擾動(dòng)程度較中間區(qū)大。同時(shí)，降雨后雨水匯集于中間區(qū).導(dǎo)致邊緣區(qū)升高量顯著低于中間區(qū)。開切眼區(qū)升高量較對(duì)照區(qū)高則是因降雨前含水員本底值高，這也說明開切眼區(qū)雖處T.作面邊緣，但在采后長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)自然營力作用下土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，土壤含水量因降水等得到一定的恢復(fù)。圖4(a)表明降雨后5d的對(duì)照區(qū)和邊緣區(qū)土壤體積含水量與降雨后1d無顯著性差異，而降雨后1d含水量顯著升高的開切眼區(qū)和中間區(qū)卻顯著下降，如圖4(b)所示，開切眼區(qū)下降址最大,其次是中間區(qū)，均顯著高于對(duì)照區(qū)和邊緣區(qū)，這主要由于開切眼區(qū)和中間區(qū)地

16、表存在大量裂縫導(dǎo)致土壤蒸發(fā)面積增大、部分水分下滲至下層土壤所致。開切眼區(qū)、中間區(qū)裂縫分屬邊緣裂縫、動(dòng)態(tài)裂縫,兩者的性狀特征及留存時(shí)間均有顯著差異，邊緣裂縫性狀特征尺度較大且留存時(shí)間K導(dǎo)致開切眼區(qū)降雨后5d水分下降雖較多。3.3降雨前后2040cm土壤對(duì)降雨的響應(yīng)情況四個(gè)分區(qū)2040cm土壤體積含水量變化情況降雨前降雨后Id降雨后5dKQZJ分區(qū)降雨前后十票休積含水域BY(b)降雨后土壤體枳含水鼠變化情況.05.05LO.O.-O.圖5降雨前后2040cm土壤體積含水鼠的變化情況圖5(a)表明降雨后Id四個(gè)分區(qū)土壤體積含水鼠較降雨前均顯著提高，但圖5(b)表明四個(gè)分區(qū)對(duì)降雨的響應(yīng)程度顯著不同，開

17、采區(qū)內(nèi)3個(gè)分區(qū)土壤含水量升高值均顯著低于對(duì)照區(qū)，就各區(qū)受開采影響程度而言，邊緣區(qū)受開采影響程度最大,其次為中間區(qū)和開切眼區(qū)。這說明2040cm土壤受開采活動(dòng)影響情況與1020cm土壤有相似之處，即正受開采影響的邊緣區(qū)與中間區(qū)對(duì)雨水響應(yīng)程度顯著弱于對(duì)照區(qū)，這與開采擾動(dòng)引起的表土層持水能力減弱有關(guān)。降雨后5d的土壤水分變化情況與1020cm土壤不同，對(duì)照區(qū)土壤水分顯著升高，并未與1020cm土壤變化一致,這表明1020cm土壤部分水分下滲至下層土壤。開切眼區(qū)與對(duì)照區(qū)亦存在類似響應(yīng)，即5d后土壤水分有所升高，但圖5(b)表明升高量較對(duì)照區(qū)高，在1020cm土壤水分下降較多的同時(shí)，2040cm土壤水分

18、有所升高，即表層水分下滲至此所致。而正受開采影響的中間區(qū)與邊緣區(qū)則與對(duì)照區(qū)較為不同，5d后土壤水分均顯著下降，與1020cm土壤的情況類似,中間區(qū)降低量大于邊緣區(qū)。3.4降雨前后4060cm土壤對(duì)降雨的響應(yīng)情況四個(gè)分區(qū)的4060cm土壤體積含水量變化情況如圖降雨而降雨后Id降崩后5d降雨前后土壤體積含水量-0.5(b)降雨后土壤體枳含水玳變化情況圖6降雨前后4060cm土壤體枳含水址的變化情況%/關(guān)佃班捋一CK(a)降雨前后土壤體積含水堂(b)降雨后土壤體積含水量變化情況5O。O.5-O.圖6(a),(b)表明該層土壤仍對(duì)降雨作出一定響應(yīng)，降雨后5d該層土壤體積含水量仍顯著升高，表明上層土壤水

19、分繼續(xù)下滲，并留存在該層土壤除邊緣區(qū)外，開切眼區(qū)與中間區(qū)均未對(duì)降雨1d后作出及時(shí)響應(yīng)，邊緣區(qū)土壤體積含水量雖較降雨前有顯著升高，但圖6(b)表明升高度顯著低于對(duì)照區(qū)，這表明開采活動(dòng)導(dǎo)致該層土壤對(duì)降雨的響應(yīng)能力降低。除對(duì)照區(qū)外，降雨后5d三個(gè)區(qū)土壤體積含水量較降雨后1d也顯著升高，但差異不顯著.且升高量:顯著低于對(duì)照區(qū)。這表明采煤對(duì)4060cm土壤對(duì)雨水響應(yīng)能力的影響小于表層土壤，但對(duì)土壤保水力的影響要大于表層土壤。3.5降雨前后60200cm土壤.對(duì)降雨的響應(yīng)情況四個(gè)分風(fēng)60200cm土壤體積含水敏變化情況如圖7所示。圖7降雨前后60200cm土壤體積含水量的變化情況圖7(a)、(b)表明對(duì)照

20、區(qū)60-200cm含水量在降雨后存在小幅波動(dòng)。中間區(qū)三個(gè)時(shí)間段土壤體積含水量依次顯著降低，而邊緣區(qū)變化不顯著。這表明中間區(qū)土壤結(jié)構(gòu)由于臺(tái)階、裂縫等變得疏松，各層連通性增強(qiáng)致使雨水下滲深度增大。而降沏條件F風(fēng)沙區(qū)高強(qiáng)度開采對(duì)制面土壤水分的影響.開切眼區(qū)不同于其他區(qū)，降雨后Id土壤體積含水量:便顯著升高，5d后顯著降低但仍顯著高于降雨前。這主要因該區(qū)60200cm壤受到開采擾動(dòng)影響.土壤入滲能力增強(qiáng).導(dǎo)致開采期間降雨快速下滲至該層，同時(shí)表層裂縫及土壤空隙度增大也增加了蒸發(fā)的深度。從降雨下滲深度而言，開切眼區(qū)得到一定程度的恢復(fù)，但從保水時(shí)長(zhǎng)而言，開切眼區(qū)并未完全恢復(fù)。4結(jié)論(1) 煤炭開采對(duì)不同區(qū)域

21、土壤含水量的影響程度不同，正受開采影響的區(qū)域受影響程度要大于采后的開切眼區(qū)；在對(duì)雨水響應(yīng)方面，邊緣區(qū)受采煤影響程度大于中間區(qū)；在降雨后土壤持水能力方面，各區(qū)域存在差異.有待進(jìn)一步研究。(2) 煤炭開采對(duì)不同深度土壤水分影響程度不同，且對(duì)表層土壤的影響大于深層土壤，但影響強(qiáng)度均不大。隨開采結(jié)束，土壤水分在一定程度上有所恢復(fù).且表層土壤恢復(fù)速度顯著高于深層土壤,深層土壤受采煤影響時(shí)間較長(zhǎng)。陳洪松，邵明安.中子儀的標(biāo)定及其在坡地土壤水分測(cè)敏中的應(yīng)用J.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2003(2)3 白一茹，邵明安.黃土高原雨養(yǎng)區(qū)坡面土壤蒿水量時(shí)間穩(wěn)定性J.農(nóng)業(yè)匚程學(xué)報(bào)，2011(7)胡偉，邵明安，王全九.黃土高

22、原退耕坡地土壤水分空間變異性研究J.水科學(xué)進(jìn)展，2006(1)4 魏江生，何金軍，高永等.黃土丘陵區(qū)土壤水分時(shí)空變化特征對(duì)采煤沉陷的響應(yīng)J.水土保持通報(bào)，2008(5)：11趙紅梅，張發(fā)旺，宋亞新等.大柳塔采燥塌陷區(qū)土填含水址的空間變異特征分析J.地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2010(6)12 張建民，協(xié)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LJ1煤田地質(zhì)與勘探.2013(6)陳超，梁宇生，楊坤等.風(fēng)沙域煤炭開采對(duì)生態(tài)環(huán)境的損害及防治策略J.煤炭技術(shù).2016(5)作者簡(jiǎn)介：陳超(】989)，男，河南開封人，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，博士研究生，現(xiàn)從事土地復(fù)墾與生態(tài)重建方面研究。(責(zé)任編輯孫英浩)(上接第62頁)運(yùn)輸巷在回采期間總體是穩(wěn)定的。研究成果對(duì)于礦山類似條件工作面巷道的穩(wěn)定性維護(hù)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)：1 宋占國.煤礦采場(chǎng)礦壓的一般規(guī)律理論研究J.煤炭技術(shù)，2009(2)張東煥,王軍.礦山壓力顯現(xiàn)理論研究進(jìn)展與展望J.礦山機(jī)械.2010(12)2 梁文明.大斷面煤巷支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化及應(yīng)用研究J.中國煤炭，2014(1)徐遵玉，李德忠，英小虎.軟力巷