煤矸石充填重构土壤水气热耦合运移试验研究

摘要

在我国采煤地区，存在着大面积的煤矸石充填采煤塌陷生态修复区。据不完全统计，仅淮南矿区就有超过300hm2。由于煤矸石理化性质与表层土壤存在显著差异，受矸石层的影响，重构土壤水气热运动过程则更为复杂，这对修复区生态系统起着至关重要的作用，进而影响修复区的修复效果。然而，目前对煤矸石水力学、热力学及导气特性和重构土壤水气热运移这方面的研究还十分欠缺。因此，文中系统地对煤矸石的水力学参数、热扩散系数、导气率进行了测定，并设计了一种重构土壤水气热耦合运移室内模拟系统对重构土壤剖面水气热状况进行监测，深入探讨重构土壤水气热运移规律。这不仅可以增加复垦土壤的安全性并提高土壤熟化技术，为土壤碳固定或碳隔离奠定基础，并且可以深化特殊层状土壤水气热运动特征机制的认识，为类似层状土壤研究提供理论依据和实验基础。本文得出的主要结论如下:
　　(1)煤矸石水力学、热力学及导气特性与土壤存在显著差异。煤矸石的饱和含水量远低于一般土壤，在6.90％～16.40％左右，而煤矸石的饱和导水率、热扩散系数和导气率均大于土壤。煤矸石的饱和导水率随容重的增加明显降低，当容重从1.8增加到2.2g/cm3时，饱和导水率从0.249降到0.017mm/min。导气率对水分的敏感度与土壤相反，随含水量的增加而增加。
　　(2)在煤矸石充填重构土壤中，矸石层会阻碍土壤层水分的入渗，增加土壤层的持水能力。通过定量分析覆土厚度对表层土壤温度变幅的影响和表土、填充基质与其重构土壤间导气率的关系，建立了矸石层对表层土壤的温度影响系数(Tc)和重构土壤导气率计算模型。另外，CO2气体在重构土壤中扩散时会受到土壤层的阻碍，导致气体在矸石层及层间界面累积。
　　(3)Hydrus-1D软件能够较好地模拟重构土壤剖面含水量分布，但是无法准确地模拟水分入渗过程。受矸石层的影响，水分入渗受阻并在层间界面累积，导致重构土壤水分入渗实际过程比模拟过程存在明显的滞后性，使得现有的水流理论不能很好地描述重构土壤的水分入渗问题。
　　(4)通过重构土壤水气热耦合运移装置底部的加热系统模拟煤矸石氧化释热过程，当煤矸石氧化放热时会在重构土壤中形成稳定的温度梯度。在温度梯度的作用下，重构土壤中的水分会从底部向上运动，导致底层含水量明显降低，而其他层的含水量均明显上升。温度和含水量均会影响重构土壤气体的扩散，但温度梯度的增加会削弱含水量对气体扩散的影响。

目录

声明

摘要

插图或附表清单

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 研究进展

1．2．1 土壤水气热特性参数研究

1．2．2 层状土壤水分运动研究

1．2．3 重构土壤基本理化性质及肥力状况

1．3 研究目标及内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 技术路线

2 材料与方法

2．1 淮南市概况

2．2 材料

2．3 实验方法

2．2．1 水力学参数测定

2．2．2 导气率测定

2．2．3 重构土壤水气热耦合运移室内模拟系统

3 煤矸石水力特性及气热运动参数研究

3．1 煤矸石水力学特性

3．1．1 煤矸石组分对饱和含水量的影响

3．1．2 容重对煤矸石饱和导水率的影响

3．1．3 煤矸石水分特征曲线

3．2 煤矸石热扩散系数

3．3 煤矸石导气率性质研究

3．3．1 煤矸石导气率

3．3．2 煤矸石组分对其导气率的影响

3．4 小结

4 重构土壤水分运动、温度变化和气体运移特征

4．1 重构土壤剖面含水量及水分再分布

4．1．1 重构土壤剖面含水量分布

4．1．2 重构土壤剖面水分再分布过程

4．2 重构土壤热传递

4．2．1 室内重构土壤剖面温度日变化

4．2．2 现场重构土壤剖面温度变化

4．2．3 矸石层对重构土壤温度的影响及覆土厚度的估算

4．3 重构土壤剖面气体运动规律

4．3．1 表土质地及填充基质对重构土壤导气率的影响

4．3．2 重构土壤导气率的估算

4．3．3 重构土壤剖面CO2日变化

4．3．4 通气对重构土壤剖面CO2浓度的影响

4．4 小结

5 重构土壤水气热耦合运移规律

5．1 重构土壤水气运移模拟

5．1．1 非饱和土壤水分运动方程

5．1．2 模型参数

5．1．3 重构土壤剖面含水量模拟

5．1．4 重构土壤剖面水分再分布过程模拟

5．2 底部供热对重构土壤水气热运移的影响

5．2．1 底部供热对重构土壤剖面温度的影响

5．2．2 温度梯度对重构土壤水分运动的影响

5．2．3 温度梯度对重构土壤气体运动的影响

5．3 小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 问题与展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果