煤矿开采塌陷区土壤裂隙优先流对地表水土流失控制作用模拟研究

摘要

煤炭井工开采会造成地表塌陷，地貌特征会发生较为明显改变。而且，煤矿开采地表塌陷过程中会形成土壤裂隙优先流路径，导致土壤环境质量下降、水土流失等环境问题不断引发。本研究通过对土壤裂隙优先流分类研究、模拟煤矿开采工程作用条件下土壤裂隙优先流的形成和演化过程、探究高密度电法技术在表征土壤裂隙优先流路径方面的应用，识别该类人类工程作用条件下土壤裂隙优先流的特征，进而研究土壤裂隙优先流对塌陷坡地水土流失的控制作用。
　　1.研究通过对土壤裂隙优先流的成因分析，总结了土壤裂隙优先流形成的各种驱动因素。土壤裂隙优先流成因不仅应该包括各类自然环境作用，还应该包括人类工程作用;研究对自然环境作用和人类工程作用两类成因下土壤裂隙优先流的具体作用因素、分布范围、裂隙规模、组合分布特征、形成与演化周期等方面进行了归纳总结，阐述了不同成因下的土壤裂隙优先流路径特征;分类研究发现人类工程作用产生的土壤裂隙优先流路径具有鲜明特征:裂隙分布区域具有一定的可预测性，且均以条带状或同心圆状近似平行展布形态为主，特定条件下还具有动态演化特点，并且具有一定的走向特征和非平面特征。
　　2.煤矿开采塌陷区土壤裂隙优先流路径的高密度电法表征模拟试验表明:研究设计的物理模型较好的模拟了开采塌陷区的形变和土壤裂隙优先流路径的形成过程，在时间和空间上模拟出了土壤裂隙优先流路径的空间分布和演化特征，高密度电法能对模拟试验中的土壤裂隙优先流路径此类特征进行较好的可视化表征;在试验选取的土壤条件下，在接近地表位置，土壤电阻率为50Ω·m～180Ω·m或电阻率比值为1.2～2.0的区域是裂隙分布的空间位置;上述区域自地表向下分布的深度可认定为裂隙的量化深度;不同阶段同一位置电阻率或电阻率比值的大小变化能够反映裂隙的宽度演化。高密度电法观测系统通过视电阻率断面图、视电阻率比值断面图能够较好的定量化表征土壤裂隙优先流路径的空间位置、宽度规模、深度特征以及空间演化特征;高密度电法表征土壤裂隙优先流路径受到观测系统电极间距（电极分布密度）、测线布置形式、土壤裂隙分布位置和形态等因素的影响;适当缩小电极间距提高电极分布密度，能够改善表征效果。
　　3.在模拟试验中，煤矿开采工程作用使得原本水平的地表土壤坡度发生明显的改变，塌陷坡地最终坡度为2.08°，模型采空区地表两侧塌陷坡地伴随土壤裂隙优先流路径的发育，最大深度0.55 m;在土壤裂隙作用下，土壤渗流特征改变，试验后期L区（裂隙区域）的采样垂线各点土壤铵态氮含量均值较Z区（无裂隙区域）低1.0 mg/Kg，土壤中营养盐铵态氮流失明显，土壤裂隙优先流条件下土壤持肥能力下降;塌陷坡地的形成改变了降水对地表土壤颗粒物的搬运强度，试验后期塌陷坡地不同位置土壤粒度组分呈现不同特征，坡顶表土黏粒较多，黏粒组分达13.9％，而坡底表土砂粒含量较多，砂粒组分达21.7％;土壤裂隙优先流路径成为水流输沙优先通道，优先流搬运表层土壤颗粒物进入深部土壤，深部土壤的粒度分布特征改变，砂粒填充后的裂隙仍可成为土壤优先流路径。土壤裂隙优先流成为煤矿开采塌陷坡地水土流失重要的驱动因素。

目录

声明

摘要

插图清单

附表清单

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 土壤优先流简介

1．1．2 煤矿开采塌陷区裂隙优先流成因及影响

1．1．3 煤矿开采塌陷区水土流失环境问题现状

1．2 研究目的与意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外土壤优先流研究现状

1．3．2 国内土壤优先流研究现状

1．4 研究内容和技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

2 土壤裂隙优先流分类研究

2．1 土壤裂隙优先流的成因分类

2．2 自然环境条件土壤裂隙优先流的形成及基本特征

2．3 人类工程环境土壤裂隙优先流的形成及基本特征

2．3．1 地下固体矿产开采工程作用成因的裂隙特征

2．3．2 露天采矿与大型基坑工程作用成因的裂隙特征

2．3．3 地下水(油气)抽采引起的土壤裂隙特征

2．4 本章小结

3 试验材料和研究方法

3．1 试验材料

3．1．1 试验材料的选择

3．1．2 试验材料基本性质

3．2 研究方法

3．2．1 模拟试验设计

3．2．2 观测指标的选取

3．2．3 采样方法

3．2．4 样品检测方法

3．3 本章小结

4 煤矿开采塌陷坡地裂隙优先流路径形成和演化研究

4．1 采煤塌陷坡地土壤裂隙优先流路径形成过程与表征

4．1．1 采煤塌陷坡地土壤裂隙优先流的形成

4．1．2 采煤塌陷坡地土壤裂隙优先流路径的表征试验

4．2 采煤塌陷坡地土壤裂隙优先流路径空间分布特征

4．2．1 采煤塌陷坡地土壤裂隙优先流路径空间分布表征效果

4．2．2 高密度电法表征土壤裂隙优先流路径空间分布特点

4．3 采煤塌陷坡地土壤裂隙优先流路径演化规律

4．3．1 采煤塌陷坡地土壤裂隙优先流路径演化过程

4．3．2 电法表征采煤塌陷坡地土壤裂隙优先流路径演化规律

4．4 本章小结

5 裂隙优先流对水土流失过程控制作用研究

5．1 降水条件下裂隙优先流对土壤溶质迁移控制作用分析

5．1．1 降水淋溶条件下土壤溶质迁移特征

5．1．2 裂隙优先流对土壤溶质运移控制作用分析

5．2 冲刷条件下裂隙优先流对水流输沙过程控制作用分析

5．2．1 冲刷作用下土壤粒度分布特征

5．2．2 裂隙优先流对水流输沙控制作用分析

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果