井工煤炭开采对土壤关键物理性质的影响规律研究

摘要

西部干旱及半干旱区生态环境脆弱，在受到采矿等人为扰动后，生态环境问题更加突出。土壤作为植被的载体，对动物、微生物、气候等生态因子具有重要的影响，因此探寻开采对土壤关键物理性质影响具有重要的现实意义。
　　目前较少学者从室内物理模拟角度探寻开采对土壤物理性质影响。本文依据相似理论和开采沉陷理论，采用量纲分析法推导了开采对土壤物理性质影响的物理模型试验相似准则及相似常数；设计了相似装置的关键尺寸参数、模拟开采尺寸、开采方法及监测系统，研制出开采影响土壤物理性质的三维物理模拟平台。
　　本文合理选取52303工作面上覆岩层相似材料及其铺设方式，实现了土壤相似性铺设；提出了利用对照组和实验组降低边界效应的室内物理模拟数据获取方法及土壤取样点水平变形值的计算规则。从沉陷影响范围、主断面地表水平移动和变形、开采影响范围内水平变形角度，分析了造成土壤物理性质变化的开采沉陷相似的合理性。
　　通过室内开采影响土壤物理性质的相似模拟试验及野外土壤取样试验分析发现，开采对土壤天然含水量和容重的扰动具有空间分区特性。开采降低了压缩区、拉伸区土壤天然含水量及拉伸区的土壤容重，提高了压缩区和拉伸区土壤天然含水量和土壤容重的离散程度。
　　通过物理模拟实验还发现，压缩区土壤天然含水量变化与水平变形值呈现正相关，拉伸区土壤天然含水量变化、土壤容重变化与水平变形值均呈现负相关性。压缩区土壤天然含水量比拉伸区土壤天然含水量对地表水平变形更敏感。
　　通过对开采前后土壤物理性质空间变化分析，发现开采增强了天然含水量、内摩擦角以及粘聚力的空间依赖性，减弱了有机质和天然孔隙比的空间依赖性。开采对天然含水量、内摩擦角以及粘聚力的扰动具有明显的空间规律性，并且受天然含水量变化的影响，开采对粘聚力和内摩擦角扰动的空间规律性与开采对天然含水量影响的空间规律具有很强的相关性：在外拉伸变形区开采降低了粘聚力；由内拉伸变形区向中性区方向，开采降低天然含水量和粘聚力的效果越来越明显，增大内摩擦角的效果越来越明显。

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变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义(Background and Significance)

1.2 国内外研究现状(Research Status)

1.3 研究内容与技术路线(Research Contents and Technical Route)

2 开采影响土壤关键物理性质的三维模拟平台研制2 Design of 3D Physical Simulation Platform

2.1 理论基础(Theoretical Basis)

2.2 开采影响土壤物理性质模型试验的原型条件(Prototype Conditions of Simulation Experiment for Studying Effect on Soil Physical Properties Caused by Mining)

2.3 开采影响土壤物理性质模型试验的相似准则(Similarity Criterion of Simulation Experiment for Studying Effect on Soil Physical Properties Caused by Mining)

2.4 三维模拟装置箱体参数及开采系统研究(3D Physical Simulation Platform Parameters and Mining system)

2.5 试验监测系统的搭建(Establishment of Experimental Monitoring System)

2.6 本章小结(Brief Summary)

3 开采影响土壤关键物理性质的模拟实验研究

3.1 相似岩层及土层构建(Establishment of Similar Rock and Soil)

3.2 土壤取样点水平变形计算规则及对照组设计(Calculation Rules of Horizontal Deformation for Soil Sampling Points and Control Group Design)

3.3 开采沉陷相似模拟与现场对比研究(Comparison between Simulation and Filed Mining Subsidence)

3.4 开采对土壤物理性质扰动研究(Effect on Soil Physical Properties Caused by Mining)

3.5 本章小结(Brief Summary)

4 开采影响土壤关键物理性质的现场试验研究

4.1 现场试验设计(Design of Field Experiment)

4.2 现场试验研究方法(Research Methods of Field Experiment)

4.3 开采对土壤物理性质扰动的统计变化规律(Statistics Variation of Physical Properties Caused by Mining)

4.4 开采对土壤物理性质扰动的空间变异规律(Spatial Variation of Soil Physical Properties Caused by Mining)

4.5 本章小结(Brief Summary)

5 结论与展望

5.1 结论(Conclusions)

5.2 不足与展望(Deficiency and Prospects)

参考文献

附录1

作者简历

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