西部风沙区采煤塌陷地裂缝影响下的土壤水分运移规律及调控方法

摘要

浅埋煤层开采经常诱发一系列的生态环境问题,为研究浅埋煤层开采区地面塌陷影响下的土壤水分运移规律并提出相应的调控方法,以西部风沙区浅埋煤矿为研究对象,将采煤塌陷对包气带结构的影响分为3个阶段:开采前,包气带较薄,土壤颗粒相对均一;开采中,水位明显下降,包气带厚度急剧增加,裂缝发育且土壤颗粒均一性变差;开采后,风沙区大多数地裂缝自然弥合,但土壤中的黏性颗粒减少,砂性颗粒增多,出现明显的粗化现象.以此为物理背景,构建了不同裂缝宽度二维土壤水分运移模型,结果显示:无裂缝时湿润锋平行向下运移,同一深度的土壤含水率基本相同,裂缝存在时湿润锋沿着裂缝快速运移,优势渗流现象明显;土壤含水率随裂缝宽度的增加呈减小趋势,含水率影响范围随裂缝宽度增加呈增大趋势;当包气带厚度大于极限蒸发深度(300 cm)时,入渗补给量和包气带厚度基本无关,仅会延长土壤水分通过包气带运移到潜水面的时间,对地下水的潜在补给量影响较小.现场调查了塌陷区和非塌陷区沙蒿的生长状况:受塌陷区土壤水分匮缺(吸水水源不足,含水率小于0.1 cm3/cm3)和塌陷诱发的植被根系密度降低(吸水通道降低,根系总干质量减小21.7％)2种因素影响,塌陷区沙蒿平均地上生物量相对非塌陷区减小22.2％.提出了地面塌陷影响下的土壤水分运移调控方法:煤层开采中,通过调整工作面宽度和开采厚度,减小地面塌陷的发育程度,从而减小塌陷区土壤含水率的损失量;开采后,开展塌陷区土壤重构时,考虑不同植被的耗水特征,在植被根系土壤层下衬垫10～ 30 cm的黄土,可明显提升植被根系层的土壤含水率,加速矿区植被恢复进程.