西部風沙區采煤塌陷地裂縫影響下的土壤水分運移規律及調控方法

王強民，董書寧，王 皓，楊 建，王曉東，趙春虎，張溪彧

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054; 2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710054; 3.煤炭科學研究總院，北京 100013)

黃河流域中游煤炭資源豐富，是我國最重要的煤炭生產基地[1]。位于黃河流域中游的榆神、神府和東勝礦區已成為我國煤炭高強度開發的核心區域，但由于該區域煤層淺埋，地質環境脆弱，采煤引發的礦山地質災害顯著，其中采煤塌陷地裂縫是該區域最為典型的礦山地質災害之一[2-5]。前人研究表明，上灣煤礦的主裂縫寬度大于50 mm，發育周期為14 d[4]，神木北部礦區裂縫寬度大多在10～50 cm，垂直位移在0～80 cm[5]。由于該區域為典型的干旱半干旱區，歷史上就是土地沙化、水土流失、水資源貧乏的地區，采煤塌陷地裂縫對區域生態環境產生了重要的影響[6]，如土壤質量下降[5]、植被退化[7]、土壤含水率減少[8]等。由于研究區多采用長工作面、大采高的機械化開采工藝，采動對區域地下水擾動較為劇烈[9]，造成塌陷區的地下水埋深普遍較大，土壤水多寡已成為影響干旱-半干旱采煤塌陷區植被生長好壞的主要控制因素[10]，因此采煤塌陷地裂縫對土壤水分的影響得到廣泛關注[11-13]。

通過野外試驗，趙紅梅等[14]認為塌陷區的土壤含水率明顯低于非塌陷區，且塌陷區的含水率在垂向上的變異性更大;畢銀麗等[8]發現塌陷明顯增加了水分的垂直入滲深度，減小了表層土壤持水能力，土壤蒸發量明顯增大，不利于土壤水分的保持;張延旭等[15]研究了風沙區采煤裂縫對土壤水分的影響，發現含水率的分布服從以下規律:裂縫區<沉陷無裂縫區<未開采區。通過室內物理試驗，嚴家平等[16]模擬研究了煤礦開采過程中土壤裂隙對土壤銨態氮遷移及土壤結構的影響，認為土壤裂隙加劇了銨態氮由表層向深部的遷移流失。通過數值模擬，楊澤元等[12]建立了采煤塌陷裂縫區的土壤水分運移模型，并通過模型識別和驗證，獲取了塌陷區土壤的水力學參數。采用室內物理試驗和數值模擬相結合的方法，畢銀麗等[13]認為越靠近地裂縫處土壤含水量下降越快，對于臺階為20 cm的地裂縫，其水鹽含量影響范圍約為水平距離裂縫45 cm處，同時裂縫區土壤含鹽量有向下遷移的趨勢。

總體來說，該方面的研究仍以野外觀測試驗為主，基本掌握了裂縫區土壤水分的時空分布特征[8,14-15];盡管開展了部分的物理[13,16]和數值模擬[12-13]工作，但裂縫區水分運移規律及其生態環境影響機制依然不清，并缺乏相對應的調控手段。筆者在調研和分析榆神、神府和東勝礦區多個煤礦地裂縫的基礎上，采用室內測試、原位觀測和數值模擬相結合的方法，探討研究區典型淺埋煤礦高強度開采地表裂縫對土壤水運移的影響規律，并提出針對性的調控方法，研究結果對我國西部生態脆弱礦區生態環境保護與修復具有重要意義。

1 研究區概況

研究區位于蒙陜交界處的毛烏素沙地，礦區地表大部分區域被風積沙覆蓋，多年平均降水量為357.3 mm，植被類型以多年生、旱生的草本與灌木組成，塌陷區沙蒿(Artemisia)分布廣泛。該礦12401綜采工作面長度5 286 m，寬度299 m，1-2煤層平均厚度9.26 m，屬于巨厚煤層。工作面于2018年3月開始回采，采用一次采全高綜合機械化采煤法開采，2019年9月回采完畢，實際平均推進速度為9.87 m/d。在井田部分區域，1-2煤層導水裂隙帶將發育到松散砂層，導致包氣帶厚度增加。該礦地表裂縫較為發育，最大寬度為0.7 m，最大深度近10 m，裂縫密度92條/hm[4]，裂縫周邊植被退化現象較為明顯(圖1)。

由于研究區大多數地裂縫在煤炭開采后的6～12個月內出現自然彌合，因此研究對象主要是彌合性裂縫。現場調查內容包括土樣采集、植被調查及取樣、含水率測定等內容。① 土樣采集:分別對裂縫區和非裂縫區的土壤進行取樣，取樣深度的分層區間為:0～10，10～20，20～50，50～80 cm，分別在裂縫區和裂縫區各取土樣20個，并對土樣進行粒徑分析;② 植被調查及取樣:分別對裂縫區和非裂縫區的沙蒿進行調查，各取樣本10株，現場采集植被地上部分和地下根系，在實驗室開展地上生物量和根系總干質量的測量;③ 含水率測量:現場選擇寬度為10～50 cm的5條典型裂縫，采用ECH2O土壤水分傳感器測量裂縫區0～100 cm深度的土壤含水率;④ 包氣帶厚度測量:采用KJ117礦井水文監測系統進行水位監測，反算出包氣帶厚度。

2 塌陷影響下的包氣帶結構變異特征

在借鑒張發旺等[17]在神府-東勝礦區的研究結果的基礎上，將采煤塌陷對包氣帶結構的影響分為3個階段:開采前、開采中和開采后(圖2)。開采前，地層結構由松散含水層、隔水層、基巖含水層和煤層組成，其中松散含水層由風積沙和薩拉烏蘇組砂層組成。潛水主要賦存在風積沙層和薩拉烏蘇組砂層，采前潛水位埋深主要為1～15 m，地下水以水平順層徑流為主，包氣帶較薄，土壤顆粒相對均一，孔隙發育。

開采中:研究區內侏羅系延安組最上部的1-2,2-2,3-1和4-2煤層埋藏淺，是目前的主要開采煤層，單層煤厚2～12 m。煤層開采導水裂隙帶穿越隔水層發育至地表風積沙等松散含水層內，潛水被迅速疏干并涌入井下[18]，地下水的運動由采煤前的水平順層徑流向垂直裂隙流過度，并進入采煤工作面形成礦井水，采掘影響范圍內地下水位明顯下降，包氣帶厚度急劇增加(圖3)。同時，開采形成的地面塌陷或裂縫對包氣帶結構造成較大影響，土壤顆粒均一性變差，裂隙發育。

圖3 研究區典型煤礦包氣帶厚度變化特征Fig.3 Variation of vadose zone thickness in study area

開采后:研究區地表分布有大面積的風積沙，結構疏松，顆粒較細，受風力和水力侵蝕作用影響，大多數地裂縫在煤炭開采后的6～12個月內出現自然彌合，但在地表以下仍存在部分連續性較差的隱伏裂縫。盡管此時地裂縫已處于相對穩定期，但是地裂縫使得土壤中的黏性顆粒減少，砂性顆粒增多(圖4)，土壤出現明顯的粗化現象，研究結果和前人研究基本一致[19-20]。土壤粗化直接導致土壤入滲能力增強，加速了水分通過包氣帶運移至潛水面的過程。

圖4 裂縫區和非裂縫區的不同粒徑風積沙質量分數組成Fig.4 Mass fraction of different particle sizes for eolian-sand in subsidence and nonsubsidence area

3 塌陷影響下的土壤水分運移規律

目前，可以利用野外原位監測、室內物理模擬和數值仿真模擬等手段開展塌陷區水分運移規律研究。原位監測埋設水分傳感器時需對塌陷區進行剖面挖掘，極大的破壞了塌陷區的土壤結構;室內物理模擬難以模擬現場的塌陷情況和氣候條件，以上因素大大限制了原位監測和物理模擬在塌陷區水分運移研究方面的應用。數值模擬技術具有靈活性和直觀性，在現場觀測的基礎上，能夠較好模擬不同工況下水分在塌陷區的運移過程[21-22]。

3.1 水分運移概念模型及控制方程

裂縫影響下的水分運移模型可概化為圖5，其中EFGH為裂縫區，ACGE和BDHF為非裂縫區，裂縫中心為對稱軸;地表A點為坐標原點，其中AB為大氣邊界，CD為自由排水邊界，長度為5.0 m;AC和BD為隔水邊界，長度為3.0 m;裂縫區和非裂縫區分別概化為均質各向異性的非穩定水流模型。

圖5 水分運移概念模型Fig.5 Concept model of soil water movement

忽略水汽和溫度的影響，將塌陷區水分運移簡化為二維運動，二維非飽和土壤水運動的控制方程為

(1)

式中，C(h)為容水度，cm-1;h為土壤水壓力水頭，cm;t為時間，d;x為水平坐標，cm;K(h)為非飽和滲透系數，cm/d;z為垂向坐標，cm。

采用van-Genuchten-Mualem模型[23]描述土壤水分特征曲線和滲透系數曲線:

(2)

(3)

(4)

式中，θr為殘余含水量，cm3/cm3;θs為飽和含水量，cm3/cm3;α，m，n為相關土壤參數，其中m=1-1/n，n>1;Ks為飽和滲透系數，cm/d;Se為有效含水率，%;l為彎曲度參數，一般取0.5。

3.2 計算參數及工況

根據裂縫區和非裂縫區土壤的粒徑組成特征，運用基于人工神經網絡的Rosetta Lite程序推出了土壤的水力學參數[13]，具體參數見表1;按照現場地裂縫調查的結果，數值模型中裂縫的寬度分別取10，20，30，40，50 cm;模型上邊界所需的潛在蒸散發量由神木市氣象站點的多年觀測數據計算得到。

表1 土壤的水力學參數Table 1 Hydraulic parameter values of soil

3.3 結果及分析

3.3.1裂縫影響下的土壤水分運移特征

采用有限元滲流軟件分析裂縫影響的土壤水分運移特征，根據研究區實際情況，降水強度選擇為10 mm/h(持續1 h)，潛在蒸散發強度選擇為2.8 mm/d，計算參數見表1，計算結果如圖6所示。由圖6可知，受蒸發作用影響，風沙區表層為干沙層，含水率較低(一般小于0.05 cm3/cm3)，且隨著深度的增加含水率有增加趨勢。如圖6(a)所示，無裂縫時濕潤鋒平行向下運移，同一深度的土壤含水率基本相同，入滲深度為110 cm;如圖6(b)所示，裂縫存在時濕潤鋒沿著裂縫快速運移，優勢滲流現象明顯，入滲深度大于200 cm。

圖6 降雨和蒸發作用下土體的滲流場Fig.6 Soil seepage field under the influence of rainfall and evaporation

3.3.2不同裂縫寬度土壤含水率分布特征

不同寬度裂縫影響下的土壤含水率分布特征具有相似性，選取寬度為10 cm和40 cm下的裂縫為例，對含水率的分布特征進行分析，如圖7所示，圖7中含水率背景值表示無裂縫時天然條件下的土壤含水率數值。由圖7(a)可知，裂縫寬度為10 cm時，深度為20 cm處的裂縫中心區的含水率為0.09 cm3/cm3，相比背景值減少19%;由圖7(b)可知，裂縫寬度為40 cm時，深度為20 cm處的裂縫中心區的含水率為0.07 cm3/cm3，相比背景值減少31%。

圖7 不同裂縫寬度的土壤含水率分布特征Fig.7 Soil water distribution of fissures with different widths

總體上，當裂縫寬度為0～50 cm時，裂縫中心區土壤含水率隨著裂縫寬度的增加呈線性減小趨勢(圖8)。《地下水動力學》將地下水影響半徑定義為:以抽水井為中心至地下水位降深等于0處的距離[24]。以此為參考，將土壤含水率影響范圍定義為:以地裂縫為中心至含水率降低值等于零處的距離。裂縫寬度為10 cm條件下，當到裂縫距離大于100 cm時，深度為20，50和100 cm的含水率與背景值基本一致，認為其土壤含水率影響范圍為100 cm(圖7(a));裂縫寬度為40 cm條件下，當到裂縫距離為150 cm時，深度為20，50和100 cm的含水率仍明顯小于其背景值，認為其土壤含水率影響范圍大于150 cm(圖7(b))。從以上分析可以推斷，隨著裂縫寬度的增加，裂縫對土壤含水率的影響范圍呈增大趨勢。

圖8 土壤含水率隨裂縫寬度的變化Fig.8 Soil water content at different fissure widths

3.3.3包氣帶厚度增加對土壤水分運移的影響

為分析包氣帶厚度增加對土壤水分的影響，建立地下水補給量與包氣帶厚度的關系曲線，如圖9所示。由圖9可知，當包氣帶厚度由50 cm增加至150 cm，入滲補給量由0.103 cm/d快速減小至0.088 cm/d;當包氣帶厚度由150 cm增加至300 cm，入滲補給量緩慢減小;當包氣帶厚度大于300 cm時，入滲補給量基本不變。傳統觀點認為，隨著包氣帶厚度的增加，地下水補給量呈減小趨勢，由以上分析可知，當包氣帶厚度大于極限蒸發深度時，入滲補給量和包氣帶厚度基本無關，僅會延長土壤水分通過包氣帶運移到潛水面的時間。

圖9 不同包氣帶厚度條件下的地下水入滲補給量Fig.9 Groundwater recharge at different vadose zone thicknesses

3.4 土壤水分變異對植被生態的影響

土壤水是聯系地表水與地下水的紐帶，在水資源的形成、轉化與消耗過程中，它是不可缺少的成分[25]，是旱區植被生存的關鍵因子[26]。在毛烏素沙地，沙蒿在含水率10%～15%分布最為廣泛，沙柳和苔草等草本植物的適生含水率都大于25%[27]。由3.3小節分析可知，當裂縫寬度大于10 cm時，裂縫中心區0～50 cm深度內的土壤含水率小于0.10 cm3/cm3，裂縫加速了土壤的水分匱缺，對植被的影響作用不可忽視。現場調查了塌陷區和非塌陷區沙蒿的生長狀況，并對其進行室內生態學指標測試。圖10反映了采煤塌陷對不同齡級沙蒿地上生物量和根系總干質量的影響。隨著沙蒿齡級的增加，其地上生物量和根系總干質量整體呈增加趨勢，但是受采煤塌陷影響，塌陷區不同齡級沙蒿的根系總干質量和地上生物量相比非塌陷區沙蒿都出現明顯減小的現象，平均根系總干質量和地上生物量分別相對減小為21.7%和22.2%。塌陷區土壤水分的相對匱缺(吸水水源不足，含水率小于0.1 cm3/cm3)和塌陷誘發的植被根系密度降低(吸水通道降低，根系總干質量減小21.7%)2種因素共同導致植被演化及生長狀況發生改變，與鄒慧等[19]的研究結果一致。

圖10 采煤塌陷對沙蒿地上生物量和根系總干質量的影響Fig.10 Variation of Artemisia aboveground biomass and dry root weight because of mining subsidence

4 塌陷源頭減損與土壤重構

4.1 塌陷源頭減損

由3.3節分析可知，塌陷地裂縫的寬度越大，其對土壤含水率的擾動程度和影響范圍越大。通過改變煤炭開采工藝，控制開采塌陷或裂縫的發育范圍，維持滿足地表生態的水環境條件，是調控礦區土壤水分運移的重要的途徑之一[28]。以該礦12401工作面為例，在現場巖移觀測的基礎上，采用FLAC3D數值模擬軟件探討分析不同工作面寬度、采厚對地面塌陷的影響規律，充分采動時不同采寬和采高的覆巖變形云圖如圖11,12所示。

圖11 充分采動時不同采寬的覆巖變形云圖 Fig.11 Overlying rock strata movement of different mining widths under critical extraction

圖12 充分采動時不同采厚的覆巖變形云圖Fig.12 Overlying rock strata movement of different mining thicknesses under critical extraction

圖13為不同工作面寬度下的地面變形特征，當工作面寬度由220 m增加至260 m時，充分采動后地表最大下沉值由0.75 m升至2.77 m，最大水平變形值由0.19 m增至0.65 m，呈現緩慢增大趨勢;當工作面寬度由260 m增至300 m時，地表最大下沉值由2.77 m升至7.78 m，最大水平變形值由0.65 m增至1.86 m，呈急劇陡升趨勢;隨著寬度進一步加大，地表變形趨于穩定至最大值。這是由于隨工作面寬度的增加，采動覆巖的橫向跨度增大，工作面采空之后，控制地表塌陷的關鍵層懸露面積增大，在上覆載荷作用下更易發生破斷，破斷后下沉更加充分，覆巖內部巖層的變形相對協調，最終發育至地表，導致最大變形值增大，最終趨于穩定，因此確定該礦合理工作面長應在260～280 m。

圖13 不同工作面寬度下的地面變形特征Fig.13 Characteristics of ground deformation under different mining widths

表2反映了不同采厚條件下地面變形特征參數，當工作面采厚由3 m增加至6 m時，充分采動后地表最大下沉值由2.73 m升至5.30 m，最大水平變形值由0.76 m增至1.33 m;當采厚繼續由6 m增至9 m時，充分采動后地表最大下沉值由5.30 m升至7.78 m，最大水平變形值由1.33 m增至1.86 m，隨工作面采厚的增加，地表的最大變形值均隨之增大;這是由于采厚的增加導致采動覆巖活動空間變大，相應覆巖內部巖層變形破壞程度變大，最終導致地表變形值增大。

表2 不同采厚條件下地面變形特征參數Table 2 Ground deformation under different mining thicknesses m

4.2 土壤重構

對于均質土壤而言，粗顆粒的非飽和巖性較細顆粒更利于入滲[29];但對于層狀的非飽和巖性結構，厚度僅為幾厘米甚至幾毫米的層狀結構都可以在很大程度上阻礙水流向下遷移。顯而易見，當細質土被粗質土覆蓋時，尤其當細質土為黏性土質時，由于黏性土的滲透系數較小，黏性土的存在使得上部粗質土含水率升高[30]。在研究區開展塌陷區土壤重構時，結合研究區植被根系分布特征，將植被根系層的土壤厚度定義為80 cm。由于研究區及其周邊黃土資源相對豐富，因此考慮在土壤層下襯墊不同厚度的黃土，以實現塌陷區水分保持的目的。基于此，室內搭建了柱模擬系統，分析了不同厚度黃土襯墊下植被根系層的土壤含水率分布特征(圖14)。由圖14可知，隨著黃土襯墊厚度由0 cm增加至30 cm，植被根系層土壤的含水率由0.09 cm3/cm3快速增加至0.19 cm3/cm3左右，當黃土襯墊的厚度大于30 cm，土壤含水率變化幅度較小，說明在塌陷區整治的工程實踐中采用滲透系數為10～20 cm/d的黃土作為襯墊層可以大大提高植被根系區的土壤含水率。同時，考慮經濟因素和植被的實際需水特征，其厚度應為10～30 cm。

圖14 不同厚度黃土襯墊下植被根系層土壤含水率Fig.14 Soil moisture of vegetation root system for different thicknesses loess liner

5 結 論

(1)將采煤塌陷對包氣帶結構的影響分為3個階段。煤層開采前，包氣帶較薄，土壤顆粒相對均一;開采中，水位明顯下降，包氣帶厚度急劇增加，土壤顆粒均一性變差;開采后，風沙區多數地裂縫自然彌合，土壤中的黏性顆粒減少，砂性顆粒增多，土壤出現明顯的粗化現象，以此為背景構建了二維土壤水分運移模型。

(2)無裂縫時濕潤鋒平行向下運移，同一深度的土壤含水率基本相同，裂縫存在時濕潤鋒沿著裂縫快速運移，優勢滲流現象明顯;土壤含水率隨裂縫寬度的增加呈減小趨勢，含水率影響范圍隨裂縫寬度增加呈增大趨勢;當包氣帶厚度大于極限蒸發深度時，入滲補給量和包氣帶厚度基本無關，僅會延長土壤水分通過包氣帶運移到潛水面的時間;受塌陷區土壤水分匱缺(吸水水源不足，含水率小于0.1 cm3/cm3)和塌陷誘發的植被根系密度降低(吸水通道降低，根系總干質量減小21.7%)2種因素影響，塌陷區沙蒿平均地上生物量相對非塌陷區減小22.2%。

(3)提出了地面塌陷影響下的土壤水分運移調控方法。開采中，通過調整工作面開采寬度和厚度，減小地面塌陷的發育程度，從而減小塌陷區土壤含水率的損失量;開采后，開展塌陷區土壤重構時，考慮不同植被的耗水特征，在植被根系土壤層下襯墊10～30 cm的黃土，可以較大提升植被根系層的土壤含水率，加速礦區植被恢復進程。