考虑时空差异与降雨影响的采煤地裂缝水分损伤监测方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，特别涉及井工煤矿区地裂缝水分损伤的监测方法。 

背景技术

风沙区的沙漠化及潜在沙漠化严重。沙层上覆的薄表层土颗粒较为松散，人为干扰或恶劣天气的侵扰均会导致其迅速分散，并发土壤侵蚀。这些条件和因素最终导致该区生态环境十分脆弱。相关研究表明，煤炭开采对该区域的生态环境带来相应的负面影响，其主要破坏形式为地表移动变形引起的塌陷、地表裂缝以及由此引起的土壤质量损伤。中国井工煤矿多采用长臂开采，垮落式管理顶板的方法，煤层上覆岩层多呈现出“三带”分布，在采空区前端呈现出连续的动态裂缝分布，此裂缝在随工作面开采过程中，呈现出“开裂-闭合”特征。 

目前，一些学者对采煤塌陷对土壤水分的影响进行了研究。赵红梅等研究了神东矿区采矿塌陷条件下包气带土壤水分布及动态变化特征，研究表明：塌陷区土壤含水量与非塌陷区相比在0-60cm的各个深度上均明显减少；塌陷非稳定区裂缝部位与非裂缝部位存在明显差异，说明裂缝对含水量有较大影响；塌陷9年后的稳定塌陷地与非塌陷地相比，土壤含水量仍然较低，但差异小、对于沙生植被的正常生长影响并不大。臧荫桐等也对采煤沉陷后风沙土理化性质变化进行了，认为沉陷2年后的土壤水分的影响仍然存在。王文龙认为晋陕蒙水蚀风蚀交错的生态脆弱带，煤炭开发中出现的环境问题已威胁到矿区生产安全，采煤形成的塌陷与地裂缝引起地下水渗漏，水位下降2～3m，甚至断流，大量植物死亡，土地沙化日趋严重。张发旺、聂振龙、李文平等人的研究，都认为该类型区域的开发加剧环境的变化，对土壤环境有一定影响。在实际的调查研究中，也有许多人认为，采煤塌陷对风沙化地区的土地生态影响小或没有影响：内蒙古农大和中国矿业大学2007年完成的“神东矿区采煤塌陷区生态恢复技术试验与示范研究”的研究成果显示：采煤塌陷对土壤的养分、水分基本没有影响；植被调查显示采煤塌陷对神东矿区主要植被群落—草本以小灌木无显著影响。赵永峰发现塌陷区与未塌陷区土壤水分在剖面各层次上的含量基本一致，表明塌陷对土壤含水率的影响不明显。吕晶洁等通过对毛乌素沙地东南边缘沙地采煤塌陷对固定沙丘的水分时空动态分布规律影响的研究表明，在沙区采煤引起的地表塌陷对 土壤水分的时空变化影响较小。 

上述研究结论不尽相同，采煤塌陷对风沙化地区的水分影响程度没有统一定论，究其原因可能是风沙区土地的水分损失有特定的演化过程，从长期看也许逐渐会自修复，但短期内势必会有影响。因此，需要从开采损伤全过程的角度去研究动态演化规律，而以往的研究，主要是对塌陷后的土地选择适宜的位置进行取样分析，缺乏动态监测水分损伤。 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于，提出一种考虑空间变异与降雨影响的采煤地裂缝对表层水分影响规律的监测方法，以更加全面科学地掌握地裂缝对周围土壤产生的水分损伤情况，为区域土地复垦与生态环境修复提供数据信息。 

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案： 

一种考虑空间变异与降雨影响的采煤地裂缝对水分影响的监测方法，所述方法包括以下步骤： 

第一步、建立井上下对照的空间坐标系统，选取工作面开采进度前端的未扰动区域作为水分监测区域：在工作面开采之前，建立井上下对应的空间坐标系统，沿采矿工作面走向中心线的地表布设由多个控制点组成的地表空间坐标控制线，控制点间距为20～30m；利用开采沉陷学的理论，根据生产进度表确定日开采进度，预测地表移动超前影响距L，并用地表控制点对地表移动超前影响距L进行标定，L的取值范围为1/4～1/2的工作面平均采深；采用测量仪器，以超前影响距为边界，沿工作面开采方向标定超前影响距L前方50m×30m～75m×45m对应地表为未扰动区域并以此作为水分监测区域； 

第二步、确定监测区水分背景值及水分空间分布：在水分监测区域内划分2m×2m～4m×4m的水分监测格网，每个网格布设多个监测点，记录每个监测点的空间坐标；在水分监测区域扰动前监测每个格网监测点的土壤表层在0～20cm深度范围的水分空间分布数据，根据检测所得数据用地学统计的空间差值的方法，绘制水分等值线图，得到该水分监测区域表层水分背景值及空间分布形态； 

第三步、获得监测区裂缝在水分等值线上的位置：当监测区裂缝出现时，找出监测区最前端裂缝，并监测到该裂缝宽度发育至2mm后，利用临近的控制点坐标测定该裂缝的空间位置，将该裂缝位置分布图与水分等值线图叠加，获得该裂缝在水分等值线图上的位置； 

第四步、确定裂缝周边土壤的水分背景值：从所述裂缝位置开始，沿垂直裂缝走向方向，至距离裂缝在1.5m～2m处止，按10cm～60cm不等的间距按序布设多条水分监测条 带，利用第三步得到的水分等值线图确定各监测条带的原始水分初始值W_初(i)，其中i代表监测条带序号； 

第五步、在地裂缝发育全周期中实测裂缝周边土壤的水分含量：在第四步中布设的每个监测条带上布设多个水分监测点，以设定的监测频率进行水分含量持续动态监测（监测频率视裂缝的发育状态而定，一般为1～3天，优选的监测频率应为1天/次）；取各监测点监测得到的水分含量的平均值作为各监测条带的实际水分含量监测值W_监(i,j)，其中i代表条带序号，j代表监测天数（每次监测工作应确保监测时段相同，尽量保证实验条件的一致性,而且不论遇到任何天气如大气降雨，均实时记录该裂缝的含水量）；监测工作直至地裂缝的地面表征消失、且各监测条带含水量一致为止； 

第六步、排除降雨影响的水分含量校正：对第五步中各监测条带实测的得到的所有监测数据进行P=0.05水平下的差异性检验（在沿垂直裂缝走向的各个监测条带的水分监测值中，当达到离裂缝一定距离时的相邻监测条带水分含量值相对稳定时），得到不受裂缝影响的水分含量值作为恒定水分含量W_恒(j)（例如各监测条带的水分含量值相差小于1-2%时即认为不受裂缝影响），将恒定水分含量减去各监测值就可作为去除了降雨影响的含水量值，即W_除雨(i,j)=(W_恒(j)-W_观(i，j))；同时得到恒定水分含量的准确位置(一般最远距离裂缝在0.75~1m)，从而确定出该裂缝对周边土壤水分的影响范围； 

第七步、得到去除空间变异影响的水分含量：将第六步获得的结果与第四步叠加（即在第六步结果的基础上减去背景值），就可获得考虑空间变异与降雨影响的采煤地裂缝对各监测带的水分含量影响值：W_(i，j)=(W_恒(j)-W_观(i，j)-W_初(i))。 

优选地，所述步骤二中，确定合理的水分监测区域，并用格网规格为3m×3m进行水分监测； 

所述第二步中在水分监测区域扰动前监测数据，具体为连续监测3～5次取平均得到监测数据。 

由上述技术方案可知，本发明提供的考虑时空差异与降雨影响的采煤地裂缝对水分损伤监测方法，结合开采沉陷学、测绘学、土壤学以及环境科学等学科的特点，通过建立地裂缝水分动态监测体系，对不同扰动程度下土壤含水量时空演变规律进行监测，建立了地裂缝水分损耗量的计算方程，有效消除了空间变异与降雨对水分的影响，以更加全面科学地掌握采动全过程中地裂缝水分损伤情况，确立了地裂缝发育对水分的影响周期和影响范围；为区域土地复垦与生态环境修复提供理论支撑。 

附图说明

图1为本发明中基准线和监测站的布设示意图； 

图2为土壤水分含量的监测示意图。 

具体实施方式

下面以本发明所述方法在薄基岩风沙区工作面前端裂缝生命周期水分监测中的实际应用为实施例，对本发明进行详细说明。然而本领域技术人员应该认识到，本发明的保护范围并不因此而受到任何限制。 

本实施例如图1所示，采矿工作面11长300.5m，走向长度3592m，煤层平均埋深220m，平均采厚4.8m，松散层厚度约20m，采用长臂开采、垮落式管理顶板的开采方式。 

为了科学全面地监测风沙区采煤地裂缝水分损伤，本发明结合开采沉陷学、测绘学、土壤学以及环境科学等学科的特点，分别对采煤所引起的地标移动、裂缝发育、土壤浅层含水量变化进行了监测，具体方法包括以下步骤： 

第一步、建立井上下对照的空间坐标系统，选取工作面开采进度前端的未扰动区域作为水分监测区域：在开采之前，建立井上下对应的空间坐标系统，沿工作面走向中心线12布设了多个地表空间坐标控制点13，点间距为20m。根据生产进度表确定工作面的开采进度（距开切眼的距离），得地表移动超前影响距L为84m，并利用全站仪和临近的地表坐标控制点沿采矿工作面走向中心线的地表加以标定，进一步标定超前距L前方长50m×宽30m对应地表为未扰动区域并以此作为水分监测区域14，如图1所示； 

第二步、确定水分监测区水分背景值及水分空间分布：利用网格状布点法监测开采扰动前该监测区域水分数据，即将该监测区域划分为若干个监测网格，网格规格为3m×3m，每个网格按“S”型曲线布设10个监测点，记录每个监测点的空间坐标；在该监测区域扰动前对每个监测点的土壤表层在0～20cm深度范围的水分空间分布数据连续监测3～5次取平均得到监测数据，并利用地学统计软件suffer绘制水分等值线图，得到该监测区域表层水分背景值及空间分布形态； 

第三步、获得监测区裂缝在水分等值线上的位置：继续监测，当监测区裂缝出现后，找出监测区最前端（即距工作区最远端）裂缝，此时最前端裂缝距离开切眼414m，并监测到该裂缝宽度发育至2mm后，利用全站仪和临近的控制点坐标测定该裂缝的空间位置，将裂缝位置分布图与水分等值线图叠加，获得该裂缝在水分等值线图上的位置； 

第四步、确定裂缝周边土壤的水分背景值，如图2所示：从裂缝21位置开始，沿垂直裂缝走向方向，至距离裂缝1.5m处止，按15cm的间距按序布设水分监测条带23，利 用第三步得到的水分等值线图确定各监测条带的水分初始值W_初(i)，其中i代表监测条带序号； 

第五步、在地裂缝发育全周期中实测裂缝周边土壤的水分含量：在第四步中布设的每条监测条带上间隔30cm布设5个监测点22，取每条带各监测点监测得到的水分含量的平均值作为该监测条带的实际水分含量监测值W_监(i，j)（为减少光照、蒸发、露水等的影响，设定每天9点为固定测定时间），采用监测频率为一天/次的监测方法进行水分含量持续动态监测，直到不同距离上的各监测条带监测的水分含量监测值相同（即各监测条带的土壤体积含水量相同，此时裂缝对周边土壤水分无影响）为止； 

第六步、排除降雨影响的水分含量校正：对第五步中各监测条带实测的得到的所有监测数据进行P=0.05水平下的差异性检验，得到相对出露侧75cm与15cm、30cm、45cm、60cm均形成显著性差异（P<0.05），而75cm处与90cm、105cm、120cm、135cm、150cm处差异性不显著（p>0.05），即75cm处之后的监测条带水分含量值相对稳定；90cm与150cm差异性极不显著。由此可得，恒定水分含量的位置为75cm处，则恒定水分含量减去各监测值可得去除了降雨影响的含水量值，即W_{除雨(i，j)}=(W_恒（j)-W_监(i，j))，同时确定出该裂缝对周边土壤水分的影响范围为75cm； 

第七步、得到去除空间变异影响的水分含量：将W_除雨(i,j)与水分背景值叠加，就可获得考虑空间变异与降雨影响的采煤地裂缝对水分含量影响值：W_(i，j)=(W_恒(j)-W_监(i，j)-W_初(i))。 

本实施例运用该公式对不同监测条带数据进行处理，得出裂缝相对出露侧土壤表层水损耗随时间的变化：150cm内，前端动态裂缝土壤表层相对含水量随裂缝发育天数均呈现出先上升后下降后小幅度上升又下降趋于平缓的趋势，距裂缝15cm、30cm、45cm与60cm的土壤表层相对含水量峰值均分别出现在裂缝发育第7天和第12天，裂缝在第6天前一直处于开裂状态，裂缝对水分影响的滞后性，造成第7天峰值达到1.2、1和0.8，又因为裂缝的二次开裂，达到峰值1、0.7和0.6。后在土壤的自修复作用下下降，裂缝再次闭合不再开裂，从而关闭了土壤蒸发的毛管孔通道，减小了土壤的比表面积，水分得以恢复。在发育后期（17天后），变化不显著，认为在边缘裂缝发育17天后土壤表层相对含水量基本得到恢复，即裂缝对土壤表层相对含水量影响可忽略，相对出露侧对水分的影响周期为17天。 

同理得出，地裂缝相对塌陷侧的水分影响范围为30cm，相对塌陷侧对水分的影响周期为11天。