煤矿开采塌陷区土壤优先流时空演变及水土流失机理研究

Surface subsidence and decline of the water table caused by underground mining. At the same time, soil erosion and surface soil water retention capacity changes is common because of the change of surface runoff condition and soil fracture in coal mining subsidence area. The project combined with coal mine engineering activity characteristics in plain area , carry out the engineering function under the influence of the mining subsidence of soil slope preferential flow research, and according to the crack preferential flow under the action of soil structure evolution and its time and space to collapse basin dynamic process, dynamic response relationship between districts model content of the research. At the same time based on the crack in the presence of slope surface runoff influence factor analysis. In the fissure soil preferential flow spatial distribution characteristics of the quantitative research, the high density electrical CT detection technology quantitative study soil crack preferential flow path, and crack preferential flow under the influence factors of aggregate, water content, density, particle composition differences on properties of high density resistivity method to detect CT response. Combined with coal mining surface subsidence slope preferential flow research, the establishment of large pore structure soil dynamic districts model and surface runoff model. And further soil erosion in the process of sediment movement differential equations are superimposed, constructing the complex soil profile system and tiny terrain slope under the condition of water loss and soil erosion stochastic model.

)：煤矿地下开采同时引起地表塌陷和地下水位下降。由此导致土层裂陷、地表径流条件改变，以及塌陷区水土流失或表层土壤质量下降。项目结合平原区煤矿地下开采活动特点，开展煤矿塌陷区土壤环境演化特征研究。主要进行受地下采动影响区土壤裂隙优先流的形成及其对土壤结构时空演变、表层土壤质量对塌陷盆地动态演变过程的响应关系，动态两区模型的建立等研究。同时进行因裂隙作用对矿区土壤分布区地表径流的影响研究。在裂隙作用环境中的土壤优先流空间分布与表征研究方面，采用高精度电法CT 技术定量研究土壤裂隙优先流路径，研究裂隙优先流因素影响下的土壤团聚体、含水量、容重、颗粒组成差异，及土壤性质对不同电法CT 参数的响应。结合开采塌陷区表层土体优先流研究成果，建立大孔隙结构土壤动态两区模型和地表产流模型，并进一步与土壤侵蚀过程中泥沙运动的微分方程叠加，构建裂隙土体复杂土壤剖面体系和坡地微地形条件下水土流失随机模型。

中文摘要：根据平原区煤矿地下开采活动的特点，开展了采煤沉陷作用下矿区土壤环境演化特征方面的模拟实验研究。研究结果表明，采煤沉陷过程完全是一种地表土体的裂陷过程，它不仅仅改变了地表原有的坡度，同时又在土体中产生大量裂隙，从而成为地表水渗透的优先路径；裂隙发育密度与宽度主要受开采厚度的影响。开采厚度增加，裂隙宽度发育趋势剧烈变化且裂隙宽度增加。同一时期的裂隙宽度发育随采煤工作面推进距离不同经历三个阶段，即裂隙宽度剧烈增加、裂隙宽度变化平缓、裂隙宽度逐渐减小，整体呈现“︹”型变化。不同采厚工作面推进不同距离拉张裂隙密度变化经历了三个过程，前低后高的“阶梯型”、前后低中间高的“半拱型”、两侧低中间高的“波浪型”三个阶段演化特征；根据不同土壤裂隙发育程度的电阻率的差别，采用并行电法观测及相应处理手段可以有效地表征土壤裂隙。在室内和现场的物理模拟试验中，电阻值随着裂隙出现而显现出增大、逐渐减小的变化过程，间接反演了拉张裂隙经历了产生、发展和闭合三个动态过程；通过采煤沉陷区现场调查分析，验证了开采沉陷作用过程中，改变了地面坡降，增强了降雨对地表水平方向的侵蚀作用。这一因素成为采煤沉陷区土壤养分流失的重要原因。此外，由于地表沉陷过程中伴随着土体拉张作用产生的不同规模的裂隙，这将成为地下水运移的优先流路径。正因为如此，表层土壤的营养元素随着降雨的入渗作用，同时还影响到土壤颗粒结构的变化，从而加剧土壤环境的改变，降低表层土壤的质量。结合开采塌陷区表层土体优先流研究成果，建立了裂隙结构土壤动态两区模型和地表产流模型， .采煤沉陷作用造成的土壤质量下降的机理和规律区别于一般水蚀型水土流失类型，其重要特征是土壤在剖面或垂直方向质量下降幅度大于非塌陷地，造成水土流失深层化。沉陷裂隙产生成为煤矿开采沉陷区地表土壤质量下降的重要驱动因素。