土体冻结对采煤塌陷区风黏土含水量的影响

土体冻结对采煤塌陷区风黏土含水量的影响

神福东胜矿区位于黄河中游，位于山西省，陕西省和蒙古交界处。矿区煤炭资源丰富，煤炭质量好，开采条件好。这是国家决定的在整个夏古伊代时期开发的特别煤炭项目。矿区位于毛乌素沙地与黄土高原两大结构系统之间的生态环境脆弱带,降水稀少、蒸发强烈,风沙活动强烈,植被覆盖度低,环境总体处于水分亏缺状态。煤炭开采加剧了环境要素的进一步恶化,其中大规模的地下采煤活动破坏了采空区上覆岩层的原始应力平衡,使其产生了错落、断裂、弯曲等移动变形情况,使地面塌陷成为最突出的环境问题之一。本文通过在毛乌素沙地南缘补连塔矿区的对比性试验,研究了该地区春季土壤水分的分布和空间变异特征,阐述了采煤塌陷与土体冻结对土壤含水量的作用,可以为矿区实施荒漠化防治、生态建设工程提供基础数据和参考结论,进而为采矿塌陷区的土地复垦技术的创立、为矿区的可持续发展提供依据。1神东矿区地质条件研究区位于黄土高原与毛乌素沙地过渡带,是晋陕蒙接壤区,距伊金霍洛旗上湾镇约28km,属大陆性半干旱气候,年均气温8℃,≥10℃活动积温约3000℃,无霜期约为156d。风沙频繁,主风为西北风,最大风速可达20m/s以上。冬季干旱,夏季多暴雨,多年平均降水量368mm,降水多集中在7～9月。蒸发强烈,年蒸发量2000mm。矿区及其西部大面积分布有含水层,地下水资源比较丰富。目前煤田开采造成的塌陷引起了局部地段含水层水位下降、泉流量减小。在神东煤田的范围内主要存在棕钙土和风沙土2种土类,主要地貌类型为波状沙地。该区域地质条件复杂,在基岩上覆有古风沙、粘土互层、风积沙等,形成夹层现象。地面组成物质为风成沙。土壤贫瘠,有机质含量低,土壤机械组成粗,物理性粘粒少,易漏水漏肥。土壤疏松,抗蚀力差,易遭受流水侵蚀和风蚀。研究区属灌丛化草原区,本区人工植被占比重较大,沙生植物占优势,主要植物种有沙柳(SalixpsammophilaC.)、小叶杨(PopulussimoniiCarr.)、油蒿(ArtemisiaordosicaK.)、沙竹(Psammochloavillosa(Trin)Bor.)和沙米(Agriophyllumpungens(L.)Moq)等。2土壤含水量的测定采用对比法研究塌陷与冻结对土壤含水量的影响。实验过程中选择下垫面状况比较相近的3个沙丘作为实验样地,其中第1个沙丘完全没有塌陷,设为“对照区”,第2个沙丘2005年发生塌陷,第3个沙丘2004年发生塌陷,把第2、3个沙丘设为“塌陷区”。实验过程中分别对3个沙丘的坡顶、坡中、坡底、丘间低地的土壤含水量进行测定。挖1m深的土壤剖面,从10cm到90cm每隔20cm处各取3个土样,以10cm深处土壤含水量代表0～20cm深度内土壤含水量,以此类推。用烘干法测土壤含水量。先称出铝盒重G1,将取回的土样放入铝盒中称得铝盒与土重G2,将其烘干至恒重后称得铝盒与土重G3。土壤含水量A=土壤水上重/烘干土重=(G2-G3)/(G3-G1)在1m深的土壤剖面,每隔10cm处用TSC-V型土壤水分测试仪各测5个重复,测得取土样地1m深度内土壤含水量情况。3结果与分析3.1通过分析土壤含水量不同阶段的对照区和坍塌区的质量含水量差异3.1.1质量含水量比较将土壤表层有积雪冻结时所取的土样烘干测得的土壤质量含水量进行平均,得到对照区与塌陷区土壤冻结时的平均土壤质量含水量。由表1可以看出:对照区的质量含水量略高于2005、2004年塌陷区的质量含水量。与对照区相比,2005、2004年塌陷区3月上旬质量含水量分别降低了4.3%和3.5%,3个区域的含水量差异较小。地下采煤活动会使地表产生裂缝和不均匀沉降,沙丘产生土体崩塌,引起土体结构变化,从而会对这一地区的土壤水分变化产生一定的影响。3.1.2土壤水分随埋深的变化对图1中对照区和塌陷区含水量数据进行塌陷情况与土层深度两因素方差分析,结果表明:由于降雪原因,3个区不同土层:0～20cm、20～40cm与40～100cm土层含水量差异显著(P=0.0002);但对照区土壤含水量与2个塌陷区差异不显著。取土样是在3月上旬,由于当时土壤尚未解冻,土壤冻结可以增加土壤蓄水量,抑制土壤蒸发和形成冻层上水及冻层上壤中流,改变了土壤水分的运行规律。并且在取土时,土壤的表层覆盖着大约3cm左右的积雪,可能也是造成3个区域含水量没有太大差异的又一原因。说明土壤冻结造成的阻、蓄水作用与降水补给有利于缓解塌陷区的土壤水分亏缺。0～60cm土层对照区含水量高于2005、2004年塌陷区含水量。这说明地下采煤活动扰动土壤,破坏了土壤原有的结构,并且降水(雪)对沙丘土壤水分的影响主要是在80cm以上,其中0～40cm上层土壤水分的变化最明显,80cm层受降水影响较小。综上表明:降雪与土壤冻结有利于缓解采煤塌陷区的水分亏缺。3.2通过分析土壤解冻后对照区和坍塌区的体积含水量差异，进行了土壤含水量分析3.2.1不同部位土壤积分的容积含水量将3月下旬到4月中旬测得的土壤容积含水量进行平均,得到对照区与塌陷区3月下旬到4月中旬平均土壤容积含水量。由表2可以看出:土壤解冻后,对照区容积含水量依然高于塌陷区容积含水量。与对照区相比,2005、2004年塌陷区含水量分别降低了5.2%和6.2%,明显比土壤冻结时降低的幅度大。2个塌陷区含水量相比,2004年塌陷区含水量略低于2005年塌陷区。3.2.2采煤对地下水土体含水量的影响对图2中对照区和塌陷区不同深度土壤容积含水量数据进行塌陷情况与土层深度2因素方差分析,结果表明:3个区的0～50cm土层含水量差异显著(P=0.0001),对照区的土壤含水量显著高于2个塌陷区。这主要是由采煤塌陷造成采空区上方风沙土孔隙度增大和垂向裂隙(缝)发育引起的。而在50～100cm土层含水量对照区和塌陷区差异不明显。因为地下采煤活动扰动土体,破坏了土体原有的结构,并且受降雪原因影响,使得靠近表层土体的土层含水量高,而下层土体含水量稍低。因为沙丘0～80cm层为土壤水分受降水影响的活跃层,其中0～40cm上层变化最为明显。4土壤冻结对沉降的影响(1)在整个观测期内,未塌陷区和塌陷区土壤含水量随时间的变化趋势基本一致,并且对照区含水量均始终高于2个塌陷区。(2)3月上旬土壤冻结时,与对照区相比,2005、2004年塌陷区3月上旬质量含水量分别降低了4.3%和3.5%,此时3个区域的含水量差异不显著。说明土壤冻结与降雪可以增加土壤蓄水量,抑制土壤蒸发和形成