[发明专利]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

说明书

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；