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

王强民，董书宁，王 皓，杨 建，王晓东，赵春虎，张溪彧

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054; 2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710054; 3.煤炭科学研究总院，北京 100013)

黄河流域中游煤炭资源丰富，是我国最重要的煤炭生产基地[1]。位于黄河流域中游的榆神、神府和东胜矿区已成为我国煤炭高强度开发的核心区域，但由于该区域煤层浅埋，地质环境脆弱，采煤引发的矿山地质灾害显著，其中采煤塌陷地裂缝是该区域最为典型的矿山地质灾害之一[2-5]。前人研究表明，上湾煤矿的主裂缝宽度大于50 mm，发育周期为14 d[4]，神木北部矿区裂缝宽度大多在10～50 cm，垂直位移在0～80 cm[5]。由于该区域为典型的干旱半干旱区，历史上就是土地沙化、水土流失、水资源贫乏的地区，采煤塌陷地裂缝对区域生态环境产生了重要的影响[6]，如土壤质量下降[5]、植被退化[7]、土壤含水率减少[8]等。由于研究区多采用长工作面、大采高的机械化开采工艺，采动对区域地下水扰动较为剧烈[9]，造成塌陷区的地下水埋深普遍较大，土壤水多寡已成为影响干旱-半干旱采煤塌陷区植被生长好坏的主要控制因素[10]，因此采煤塌陷地裂缝对土壤水分的影响得到广泛关注[11-13]。

通过野外试验，赵红梅等[14]认为塌陷区的土壤含水率明显低于非塌陷区，且塌陷区的含水率在垂向上的变异性更大;毕银丽等[8]发现塌陷明显增加了水分的垂直入渗深度，减小了表层土壤持水能力，土壤蒸发量明显增大，不利于土壤水分的保持;张延旭等[15]研究了风沙区采煤裂缝对土壤水分的影响，发现含水率的分布服从以下规律:裂缝区<沉陷无裂缝区<未开采区。通过室内物理试验，严家平等[16]模拟研究了煤矿开采过程中土壤裂隙对土壤铵态氮迁移及土壤结构的影响，认为土壤裂隙加剧了铵态氮由表层向深部的迁移流失。通过数值模拟，杨泽元等[12]建立了采煤塌陷裂缝区的土壤水分运移模型，并通过模型识别和验证，获取了塌陷区土壤的水力学参数。采用室内物理试验和数值模拟相结合的方法，毕银丽等[13]认为越靠近地裂缝处土壤含水量下降越快，对于台阶为20 cm的地裂缝，其水盐含量影响范围约为水平距离裂缝45 cm处，同时裂缝区土壤含盐量有向下迁移的趋势。

总体来说，该方面的研究仍以野外观测试验为主，基本掌握了裂缝区土壤水分的时空分布特征[8,14-15];尽管开展了部分的物理[13,16]和数值模拟[12-13]工作，但裂缝区水分运移规律及其生态环境影响机制依然不清，并缺乏相对应的调控手段。笔者在调研和分析榆神、神府和东胜矿区多个煤矿地裂缝的基础上，采用室内测试、原位观测和数值模拟相结合的方法，探讨研究区典型浅埋煤矿高强度开采地表裂缝对土壤水运移的影响规律，并提出针对性的调控方法，研究结果对我国西部生态脆弱矿区生态环境保护与修复具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于蒙陕交界处的毛乌素沙地，矿区地表大部分区域被风积沙覆盖，多年平均降水量为357.3 mm，植被类型以多年生、旱生的草本与灌木组成，塌陷区沙蒿(Artemisia)分布广泛。该矿12401综采工作面长度5 286 m，宽度299 m，1-2煤层平均厚度9.26 m，属于巨厚煤层。工作面于2018年3月开始回采，采用一次采全高综合机械化采煤法开采，2019年9月回采完毕，实际平均推进速度为9.87 m/d。在井田部分区域，1-2煤层导水裂隙带将发育到松散砂层，导致包气带厚度增加。该矿地表裂缝较为发育，最大宽度为0.7 m，最大深度近10 m，裂缝密度92条/hm[4]，裂缝周边植被退化现象较为明显(图1)。

由于研究区大多数地裂缝在煤炭开采后的6～12个月内出现自然弥合，因此研究对象主要是弥合性裂缝。现场调查内容包括土样采集、植被调查及取样、含水率测定等内容。① 土样采集:分别对裂缝区和非裂缝区的土壤进行取样，取样深度的分层区间为:0～10，10～20，20～50，50～80 cm，分别在裂缝区和裂缝区各取土样20个，并对土样进行粒径分析;② 植被调查及取样:分别对裂缝区和非裂缝区的沙蒿进行调查，各取样本10株，现场采集植被地上部分和地下根系，在实验室开展地上生物量和根系总干质量的测量;③ 含水率测量:现场选择宽度为10～50 cm的5条典型裂缝，采用ECH2O土壤水分传感器测量裂缝区0～100 cm深度的土壤含水率;④ 包气带厚度测量:采用KJ117矿井水文监测系统进行水位监测，反算出包气带厚度。

2 塌陷影响下的包气带结构变异特征

在借鉴张发旺等[17]在神府-东胜矿区的研究结果的基础上，将采煤塌陷对包气带结构的影响分为3个阶段:开采前、开采中和开采后(图2)。开采前，地层结构由松散含水层、隔水层、基岩含水层和煤层组成，其中松散含水层由风积沙和萨拉乌苏组砂层组成。潜水主要赋存在风积沙层和萨拉乌苏组砂层，采前潜水位埋深主要为1～15 m，地下水以水平顺层径流为主，包气带较薄，土壤颗粒相对均一，孔隙发育。

开采中:研究区内侏罗系延安组最上部的1-2,2-2,3-1和4-2煤层埋藏浅，是目前的主要开采煤层，单层煤厚2～12 m。煤层开采导水裂隙带穿越隔水层发育至地表风积沙等松散含水层内，潜水被迅速疏干并涌入井下[18]，地下水的运动由采煤前的水平顺层径流向垂直裂隙流过度，并进入采煤工作面形成矿井水，采掘影响范围内地下水位明显下降，包气带厚度急剧增加(图3)。同时，开采形成的地面塌陷或裂缝对包气带结构造成较大影响，土壤颗粒均一性变差，裂隙发育。

图3 研究区典型煤矿包气带厚度变化特征Fig.3 Variation of vadose zone thickness in study area

开采后:研究区地表分布有大面积的风积沙，结构疏松，颗粒较细，受风力和水力侵蚀作用影响，大多数地裂缝在煤炭开采后的6～12个月内出现自然弥合，但在地表以下仍存在部分连续性较差的隐伏裂缝。尽管此时地裂缝已处于相对稳定期，但是地裂缝使得土壤中的黏性颗粒减少，砂性颗粒增多(图4)，土壤出现明显的粗化现象，研究结果和前人研究基本一致[19-20]。土壤粗化直接导致土壤入渗能力增强，加速了水分通过包气带运移至潜水面的过程。

图4 裂缝区和非裂缝区的不同粒径风积沙质量分数组成Fig.4 Mass fraction of different particle sizes for eolian-sand in subsidence and nonsubsidence area

3 塌陷影响下的土壤水分运移规律

目前，可以利用野外原位监测、室内物理模拟和数值仿真模拟等手段开展塌陷区水分运移规律研究。原位监测埋设水分传感器时需对塌陷区进行剖面挖掘，极大的破坏了塌陷区的土壤结构;室内物理模拟难以模拟现场的塌陷情况和气候条件，以上因素大大限制了原位监测和物理模拟在塌陷区水分运移研究方面的应用。数值模拟技术具有灵活性和直观性，在现场观测的基础上，能够较好模拟不同工况下水分在塌陷区的运移过程[21-22]。

3.1 水分运移概念模型及控制方程

裂缝影响下的水分运移模型可概化为图5，其中EFGH为裂缝区，ACGE和BDHF为非裂缝区，裂缝中心为对称轴;地表A点为坐标原点，其中AB为大气边界，CD为自由排水边界，长度为5.0 m;AC和BD为隔水边界，长度为3.0 m;裂缝区和非裂缝区分别概化为均质各向异性的非稳定水流模型。

图5 水分运移概念模型Fig.5 Concept model of soil water movement

忽略水汽和温度的影响，将塌陷区水分运移简化为二维运动，二维非饱和土壤水运动的控制方程为

(1)

式中，C(h)为容水度，cm-1;h为土壤水压力水头，cm;t为时间，d;x为水平坐标，cm;K(h)为非饱和渗透系数，cm/d;z为垂向坐标，cm。

采用van-Genuchten-Mualem模型[23]描述土壤水分特征曲线和渗透系数曲线:

(2)

(3)

(4)

式中，θr为残余含水量，cm3/cm3;θs为饱和含水量，cm3/cm3;α，m，n为相关土壤参数，其中m=1-1/n，n>1;Ks为饱和渗透系数，cm/d;Se为有效含水率，%;l为弯曲度参数，一般取0.5。

3.2 计算参数及工况

根据裂缝区和非裂缝区土壤的粒径组成特征，运用基于人工神经网络的Rosetta Lite程序推出了土壤的水力学参数[13]，具体参数见表1;按照现场地裂缝调查的结果，数值模型中裂缝的宽度分别取10，20，30，40，50 cm;模型上边界所需的潜在蒸散发量由神木市气象站点的多年观测数据计算得到。

表1 土壤的水力学参数Table 1 Hydraulic parameter values of soil

3.3 结果及分析

3.3.1裂缝影响下的土壤水分运移特征

采用有限元渗流软件分析裂缝影响的土壤水分运移特征，根据研究区实际情况，降水强度选择为10 mm/h(持续1 h)，潜在蒸散发强度选择为2.8 mm/d，计算参数见表1，计算结果如图6所示。由图6可知，受蒸发作用影响，风沙区表层为干沙层，含水率较低(一般小于0.05 cm3/cm3)，且随着深度的增加含水率有增加趋势。如图6(a)所示，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，入渗深度为110 cm;如图6(b)所示，裂缝存在时湿润锋沿着裂缝快速运移，优势渗流现象明显，入渗深度大于200 cm。

图6 降雨和蒸发作用下土体的渗流场Fig.6 Soil seepage field under the influence of rainfall and evaporation

3.3.2不同裂缝宽度土壤含水率分布特征

不同宽度裂缝影响下的土壤含水率分布特征具有相似性，选取宽度为10 cm和40 cm下的裂缝为例，对含水率的分布特征进行分析，如图7所示，图7中含水率背景值表示无裂缝时天然条件下的土壤含水率数值。由图7(a)可知，裂缝宽度为10 cm时，深度为20 cm处的裂缝中心区的含水率为0.09 cm3/cm3，相比背景值减少19%;由图7(b)可知，裂缝宽度为40 cm时，深度为20 cm处的裂缝中心区的含水率为0.07 cm3/cm3，相比背景值减少31%。

图7 不同裂缝宽度的土壤含水率分布特征Fig.7 Soil water distribution of fissures with different widths

总体上，当裂缝宽度为0～50 cm时，裂缝中心区土壤含水率随着裂缝宽度的增加呈线性减小趋势(图8)。《地下水动力学》将地下水影响半径定义为:以抽水井为中心至地下水位降深等于0处的距离[24]。以此为参考，将土壤含水率影响范围定义为:以地裂缝为中心至含水率降低值等于零处的距离。裂缝宽度为10 cm条件下，当到裂缝距离大于100 cm时，深度为20，50和100 cm的含水率与背景值基本一致，认为其土壤含水率影响范围为100 cm(图7(a));裂缝宽度为40 cm条件下，当到裂缝距离为150 cm时，深度为20，50和100 cm的含水率仍明显小于其背景值，认为其土壤含水率影响范围大于150 cm(图7(b))。从以上分析可以推断，随着裂缝宽度的增加，裂缝对土壤含水率的影响范围呈增大趋势。

图8 土壤含水率随裂缝宽度的变化Fig.8 Soil water content at different fissure widths

3.3.3包气带厚度增加对土壤水分运移的影响

为分析包气带厚度增加对土壤水分的影响，建立地下水补给量与包气带厚度的关系曲线，如图9所示。由图9可知，当包气带厚度由50 cm增加至150 cm，入渗补给量由0.103 cm/d快速减小至0.088 cm/d;当包气带厚度由150 cm增加至300 cm，入渗补给量缓慢减小;当包气带厚度大于300 cm时，入渗补给量基本不变。传统观点认为，随着包气带厚度的增加，地下水补给量呈减小趋势，由以上分析可知，当包气带厚度大于极限蒸发深度时，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。

图9 不同包气带厚度条件下的地下水入渗补给量Fig.9 Groundwater recharge at different vadose zone thicknesses

3.4 土壤水分变异对植被生态的影响

土壤水是联系地表水与地下水的纽带，在水资源的形成、转化与消耗过程中，它是不可缺少的成分[25]，是旱区植被生存的关键因子[26]。在毛乌素沙地，沙蒿在含水率10%～15%分布最为广泛，沙柳和苔草等草本植物的适生含水率都大于25%[27]。由3.3小节分析可知，当裂缝宽度大于10 cm时，裂缝中心区0～50 cm深度内的土壤含水率小于0.10 cm3/cm3，裂缝加速了土壤的水分匮缺，对植被的影响作用不可忽视。现场调查了塌陷区和非塌陷区沙蒿的生长状况，并对其进行室内生态学指标测试。图10反映了采煤塌陷对不同龄级沙蒿地上生物量和根系总干质量的影响。随着沙蒿龄级的增加，其地上生物量和根系总干质量整体呈增加趋势，但是受采煤塌陷影响，塌陷区不同龄级沙蒿的根系总干质量和地上生物量相比非塌陷区沙蒿都出现明显减小的现象，平均根系总干质量和地上生物量分别相对减小为21.7%和22.2%。塌陷区土壤水分的相对匮缺(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种因素共同导致植被演化及生长状况发生改变，与邹慧等[19]的研究结果一致。

图10 采煤塌陷对沙蒿地上生物量和根系总干质量的影响Fig.10 Variation of Artemisia aboveground biomass and dry root weight because of mining subsidence

4 塌陷源头减损与土壤重构

4.1 塌陷源头减损

由3.3节分析可知，塌陷地裂缝的宽度越大，其对土壤含水率的扰动程度和影响范围越大。通过改变煤炭开采工艺，控制开采塌陷或裂缝的发育范围，维持满足地表生态的水环境条件，是调控矿区土壤水分运移的重要的途径之一[28]。以该矿12401工作面为例，在现场岩移观测的基础上，采用FLAC3D数值模拟软件探讨分析不同工作面宽度、采厚对地面塌陷的影响规律，充分采动时不同采宽和采高的覆岩变形云图如图11,12所示。

图11 充分采动时不同采宽的覆岩变形云图 Fig.11 Overlying rock strata movement of different mining widths under critical extraction

图12 充分采动时不同采厚的覆岩变形云图Fig.12 Overlying rock strata movement of different mining thicknesses under critical extraction

图13为不同工作面宽度下的地面变形特征，当工作面宽度由220 m增加至260 m时，充分采动后地表最大下沉值由0.75 m升至2.77 m，最大水平变形值由0.19 m增至0.65 m，呈现缓慢增大趋势;当工作面宽度由260 m增至300 m时，地表最大下沉值由2.77 m升至7.78 m，最大水平变形值由0.65 m增至1.86 m，呈急剧陡升趋势;随着宽度进一步加大，地表变形趋于稳定至最大值。这是由于随工作面宽度的增加，采动覆岩的横向跨度增大，工作面采空之后，控制地表塌陷的关键层悬露面积增大，在上覆载荷作用下更易发生破断，破断后下沉更加充分，覆岩内部岩层的变形相对协调，最终发育至地表，导致最大变形值增大，最终趋于稳定，因此确定该矿合理工作面长应在260～280 m。

图13 不同工作面宽度下的地面变形特征Fig.13 Characteristics of ground deformation under different mining widths

表2反映了不同采厚条件下地面变形特征参数，当工作面采厚由3 m增加至6 m时，充分采动后地表最大下沉值由2.73 m升至5.30 m，最大水平变形值由0.76 m增至1.33 m;当采厚继续由6 m增至9 m时，充分采动后地表最大下沉值由5.30 m升至7.78 m，最大水平变形值由1.33 m增至1.86 m，随工作面采厚的增加，地表的最大变形值均随之增大;这是由于采厚的增加导致采动覆岩活动空间变大，相应覆岩内部岩层变形破坏程度变大，最终导致地表变形值增大。

表2 不同采厚条件下地面变形特征参数Table 2 Ground deformation under different mining thicknesses m

4.2 土壤重构

对于均质土壤而言，粗颗粒的非饱和岩性较细颗粒更利于入渗[29];但对于层状的非饱和岩性结构，厚度仅为几厘米甚至几毫米的层状结构都可以在很大程度上阻碍水流向下迁移。显而易见，当细质土被粗质土覆盖时，尤其当细质土为黏性土质时，由于黏性土的渗透系数较小，黏性土的存在使得上部粗质土含水率升高[30]。在研究区开展塌陷区土壤重构时，结合研究区植被根系分布特征，将植被根系层的土壤厚度定义为80 cm。由于研究区及其周边黄土资源相对丰富，因此考虑在土壤层下衬垫不同厚度的黄土，以实现塌陷区水分保持的目的。基于此，室内搭建了柱模拟系统，分析了不同厚度黄土衬垫下植被根系层的土壤含水率分布特征(图14)。由图14可知，随着黄土衬垫厚度由0 cm增加至30 cm，植被根系层土壤的含水率由0.09 cm3/cm3快速增加至0.19 cm3/cm3左右，当黄土衬垫的厚度大于30 cm，土壤含水率变化幅度较小，说明在塌陷区整治的工程实践中采用渗透系数为10～20 cm/d的黄土作为衬垫层可以大大提高植被根系区的土壤含水率。同时，考虑经济因素和植被的实际需水特征，其厚度应为10～30 cm。

图14 不同厚度黄土衬垫下植被根系层土壤含水率Fig.14 Soil moisture of vegetation root system for different thicknesses loess liner

5 结 论

(1)将采煤塌陷对包气带结构的影响分为3个阶段。煤层开采前，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，土壤颗粒均一性变差;开采后，风沙区多数地裂缝自然弥合，土壤中的黏性颗粒减少，砂性颗粒增多，土壤出现明显的粗化现象，以此为背景构建了二维土壤水分运移模型。

(2)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;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%。

(3)提出了地面塌陷影响下的土壤水分运移调控方法。开采中，通过调整工作面开采宽度和厚度，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，可以较大提升植被根系层的土壤含水率，加速矿区植被恢复进程。