一種采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法，包括：選定對照區(qū)，選定所述采煤沉陷地工作面開采線前端的未擾動區(qū)域作為測量區(qū)域；在所述測量區(qū)域，預(yù)計(jì)出測量均勻沉陷區(qū)，預(yù)計(jì)出測量非均勻沉陷區(qū)；以所述測量均勻沉陷區(qū)和所述測量非均勻沉陷區(qū)的水分監(jiān)測點(diǎn)為測量點(diǎn)，以所述對照區(qū)的水分監(jiān)測點(diǎn)為對照點(diǎn)，多次獲得每個所述測量點(diǎn)的水分觀測值作為測量水分觀測值，獲得每個所述對照點(diǎn)的水分觀測值作為對照水分觀測值；計(jì)算得到排除降雨影響校正值。本發(fā)明所測量的采煤沉陷地土壤垂直含水量更為準(zhǔn)確，能更加全面科學(xué)地掌握采煤沉陷全過程對土壤產(chǎn)生的水分損傷情況，為區(qū)域土地復(fù)墾與生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供數(shù)據(jù)信息。
【專利說明】一種采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤礦相關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法。

【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)沙區(qū)的主體礦區(qū)位于我國黃土丘陵與毛烏素沙漠之間，沙漠化及潛在沙漠化土地面積約占總面積的85%。沙層上覆的薄表層土顆粒較為松散，人為干擾或惡劣天氣的侵?jǐn)_均會導(dǎo)致其迅速分散，并發(fā)土壤侵蝕。隨著我國煤炭開采“戰(zhàn)略西移”，勢必也將對該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境帶來相應(yīng)的負(fù)面影響，其主要破壞形式為地表移動變形引起的塌陷、地表裂縫以及由此引起的土壤質(zhì)量損傷。
[0003]目前，一些學(xué)者對采煤塌陷對土壤水分的影響進(jìn)行了研究。內(nèi)蒙古農(nóng)大和中國礦業(yè)大學(xué)2007年完成的“神東礦區(qū)采煤塌陷區(qū)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)試驗(yàn)與示范研究”的研究成果顯示:采煤塌陷對土壤的養(yǎng)分、水分基本沒有影響。而趙紅梅的研究表明:塌陷區(qū)土壤含水量與非塌陷區(qū)相比在0-60cm的各個深度上均明顯減少，塌陷9年后的穩(wěn)定塌陷地與非塌陷地相比，土壤含水量仍然較低，但差異小。臧蔭桐等也對采煤沉陷后風(fēng)沙土理化性質(zhì)變化進(jìn)行了研究，認(rèn)為沉陷2年后的土壤水分的影響仍然存在。張發(fā)旺、聶振龍、李文平等人的研究，都認(rèn)為該類型區(qū)域的開發(fā)加劇環(huán)境的變化，對土壤環(huán)境有一定影響。在實(shí)際的調(diào)查研究中，也有許多人認(rèn)為，采煤塌陷對風(fēng)沙化地區(qū)的土地生態(tài)影響小或沒有影響:趙永峰發(fā)現(xiàn)塌陷區(qū)與未塌陷區(qū)土壤水分在剖面各層次上的含量基本一致，表明塌陷對土壤含水率的影響不明顯；呂晶潔等通過對毛烏素沙地東南邊緣沙地采煤塌陷對固定沙丘的水分時空動態(tài)分布規(guī)律影響的研究表明，在沙區(qū)采煤引起的地表塌陷對土壤水分的時空變化影響較小。
[0004]然而，上述研究結(jié)論卻不盡相同，需要從開采損傷全過程的角度去進(jìn)行動態(tài)測量及研究，而以往的研究，主要是對塌陷后的土地選擇適宜的位置進(jìn)行取樣分析，缺乏動態(tài)測量水分損傷。
[0005]風(fēng)沙區(qū)采煤沉陷水分損傷測量方法的難點(diǎn)在于:
[0006]I)風(fēng)積沙層的存在，采動引起的土地?fù)p傷的形式與中東部地區(qū)存在明顯差異，損傷因子的觀測位置的選取非常困難；
[0007]2)風(fēng)沙區(qū)煤礦主產(chǎn)區(qū)多為快速推進(jìn)的超大工作面開采，采煤沉陷、土壤垂直水分的時空演變數(shù)據(jù)變化速率很快，獲取其變化的全過程中的完整的信息非常困難；
[0008]3)時空變異與降雨對水分的監(jiān)測影響很大，排除時空變異與降雨的影響非常困難；
[0009]4)在不破壞原地貌結(jié)構(gòu)的前提下，持續(xù)觀測同一地點(diǎn)深層土壤水分非常困難；
[0010]5) 土地移動沉陷變化多樣，準(zhǔn)確的找到目標(biāo)深度非常困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]基于此，有必要針對現(xiàn)有技術(shù)對采煤沉陷水分動態(tài)變化和損傷情況測量不準(zhǔn)確的技術(shù)問題，提供一種采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法。
[0012]一種采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法，包括:
[0013]選定沿開采走向反方向距離大于兩倍煤層平均采深的非沉陷區(qū)域作為對照區(qū)，選定所述采煤沉陷地工作面開采線前端的未擾動區(qū)域作為測量區(qū)域；在所述測量區(qū)域，預(yù)計(jì)出均勻沉陷區(qū)域作為測量均勻沉陷區(qū)，預(yù)計(jì)出非均勻沉陷區(qū)域作為測量非均勻沉陷區(qū)；
[0014]在所述對照區(qū)、所述測量均勻沉陷區(qū)和所述測量非均勻沉陷區(qū)平行開切眼方向分別布設(shè)多個水分監(jiān)測點(diǎn)，在每個所述水分監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)具有一定觀測深度的中子儀鋁管；
[0015]在采煤過程中利用所述中子儀鋁管對每個所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測，以所述測量均勻沉陷區(qū)和所述測量非均勻沉陷區(qū)的水分監(jiān)測點(diǎn)為測量點(diǎn)，以所述對照區(qū)的水分監(jiān)測點(diǎn)為對照點(diǎn)，獲得每個所述測量點(diǎn)的水分觀測值作為測量水分觀測值Wsb (i」_)，獲得每個所述對照點(diǎn)的水分觀測值作為對照水分觀測值W5tf ω，其中i代表觀測深度，j代表開采線距離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離；
[0016]計(jì)算得到排除降雨影響校正值W除雨(i，j)=(評對(i)_W觀(i，j))。
[0017]本發(fā)明通過增設(shè)對照點(diǎn)，從而排除降雨影響，對水分含量進(jìn)行了校正，因此所測量的采煤沉陷地土壤垂直含水量更為準(zhǔn)確，能更加全面科學(xué)地掌握采煤沉陷全過程對土壤產(chǎn)生的水分損傷情況，為區(qū)域土地復(fù)墾與生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供數(shù)據(jù)信息。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的一種采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法的工作流程圖；
[0019]圖2為本發(fā)明一個例子的監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖；
[0020]圖3為本發(fā)明的一種中子儀鋁管埋設(shè)及刻度標(biāo)識示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0022]如圖1所示為本發(fā)明的一種采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法的工作流程圖，包括:
[0023]步驟S101，選定沿開采走向反方向距離大于兩倍煤層平均采深(采煤深度)的非沉陷區(qū)域作為對照區(qū)，選定所述采煤沉陷地工作面開采線前端的未擾動區(qū)域作為測量區(qū)域；在所述測量區(qū)域，預(yù)計(jì)出均勻沉陷區(qū)域作為測量均勻沉陷區(qū)，預(yù)計(jì)出非均勻沉陷區(qū)域作為測量非均勻沉陷區(qū)；
[0024]步驟S102，在所述對照區(qū)、所述測量均勻沉陷區(qū)和所述測量非均勻沉陷區(qū)平行開切眼方向分別布設(shè)多個水分監(jiān)測點(diǎn)，在每個所述水分監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)具有一定觀測深度的中子儀鋁管；
[0025]步驟S103，在采煤過程中利用所述中子儀鋁管對每個所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測，以所述測量均勻沉陷區(qū)和所述測量非均勻沉陷區(qū)的水分監(jiān)測點(diǎn)為測量點(diǎn)，以所述對照區(qū)的水分監(jiān)測點(diǎn)為對照點(diǎn)，獲得每個所述測量點(diǎn)的水分觀測值作為測量水分觀測值Wsbaj)，獲得每個所述對照點(diǎn)的水分觀測值作為對照水分觀測值W5tf ω，其中i代表觀測深度，j代表開采線距離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離；
[0026]步驟S104,計(jì)算得到排除降雨影響校正值W_ =(W5i5f (O-Wsb (i；J)) ?
[0027]本實(shí)施例中，研究區(qū)域分為三個部分:對照區(qū)、測量均勻沉陷區(qū)和測量非均勻沉陷區(qū)，分別布設(shè)水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，無論是測量點(diǎn)還是對照點(diǎn)，其承受的雨量是一致的，因此，通過對照區(qū)的對照點(diǎn)的水分觀測值校正測量均勻沉陷區(qū)和測量非均勻沉陷區(qū)以排除降雨影響。從而排除時空變異與降雨的影響，克服了損傷因子的觀測位置的選取困難的問題，實(shí)現(xiàn)對同一地點(diǎn)深層土壤水分的持續(xù)觀測。
[0028]如圖2所示為本發(fā)明一個例子的監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖，其中，沿開采走向反方向的非沉陷區(qū)域作為對照區(qū)21，采煤沉陷地工作面22開采線前端的未擾動區(qū)域作為測量區(qū)域，在測量區(qū)域預(yù)計(jì)出均勻沉陷區(qū)域作為測量均勻沉陷區(qū)221，預(yù)計(jì)出非均勻沉陷區(qū)域作為測量非均勻沉陷區(qū)222。在所述對照區(qū)21、所述測量均勻沉陷區(qū)221和所述測量非均勻沉陷區(qū)222平行開切眼223方向分別布設(shè)多個水分監(jiān)測點(diǎn)224，開切眼即工作面22 —側(cè)的邊線。
[0029]其中，圖2中上部為俯視圖，下部為對應(yīng)在A-A’的剖面圖。
[0030]其中，同一觀測深度的對照點(diǎn)的對照水分觀測值可以對應(yīng)多個同一觀測深度的觀測點(diǎn)的測量水分觀測值。
[0031]其中，預(yù)計(jì)出均勻沉陷區(qū)域和出非均勻沉陷區(qū)域可以采用現(xiàn)有的各種方式實(shí)現(xiàn)。
[0032]在其中一個實(shí)施例中，還包括:
[0033]將每個所述排除降雨影響校正值Wamaj)減去對應(yīng)的水分背景值得到去除空間變異影響的水分含量Wa」)。
[0034]空間變異會對水分含量構(gòu)成影響，通過減去水分背景值得到去除空間變異影響的水分含量，從而得到更為精確的垂直水分含量。
[0035]在其中一個實(shí)施例中，所述去除空間變異影響的水分含量W(ij采用如下方式獲得:
[0036]觀測在所述采煤過程前每個所述測量點(diǎn)的水分觀測值作為背景值Wtt ω ；
[0037]所述去除空間變異影響的水分含量W(i，」)=(W_ (i； Jj-Wft⑴)。
[0038]在其中一個實(shí)施例中:
[0039]所述測量點(diǎn)采用如下方式設(shè)置:在所述均勻沉陷區(qū)和所述非均勻沉陷區(qū)的垂直開采方向分別設(shè)置至少一條沉陷區(qū)觀測條帶，在每條所述沉陷區(qū)觀測條帶設(shè)置水分監(jiān)測點(diǎn)作為所述測量點(diǎn)；
[0040]所述對照點(diǎn)采用如下方式設(shè)置:在非沉陷區(qū)域設(shè)置至少一條非沉陷區(qū)觀測條帶，在每條所述非沉陷區(qū)觀測條帶設(shè)置水分監(jiān)測點(diǎn)作為所述對照點(diǎn)。
[0041]在其中一個實(shí)施例中:
[0042]確定所述開采線前后I = HtlXcotco的范圍內(nèi)為強(qiáng)影響區(qū)，其中:1為超前影響距，ω為超前影響角，H0為煤層平均采煤度；
[0043]當(dāng)所述開采線靠近所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離大于I時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為10~45天/次；
[0044]當(dāng)所述開采線接近所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離< I以及所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離< I時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為I~3天/次；
[0045]當(dāng)所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離大于I且小于或等于21時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為5~7天/次；
[0046]當(dāng)所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離大于21時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為15~45天/次。
[0047]本實(shí)施例，根據(jù)地表移動規(guī)律監(jiān)測數(shù)據(jù)及其普遍特征，確定開采線前后I =H0Xcotw的范圍內(nèi)為強(qiáng)影響區(qū)，對水分監(jiān)測采取分段監(jiān)測的辦法。風(fēng)沙區(qū)煤礦主產(chǎn)區(qū)多為快速推進(jìn)的超大工作面開采，因此采煤沉陷、土壤垂直水分的時空演變數(shù)據(jù)變化速率很快，而本實(shí)施例的方法，能很好地獲取采煤沉陷、土壤垂直水分變化的全過程中的完整的信息。
[0048]為保險(xiǎn)和簡便起見，可以取I~H0作為經(jīng)驗(yàn)公式，在其中一個實(shí)施例中:
[0049]確定所述開采線前后Htl的范圍內(nèi)為強(qiáng)影響區(qū)，其中:?為煤層平均采煤度；
[0050]當(dāng)所述開采線靠近所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離大于Htl時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為10~45天/次；
[0051]當(dāng)所述開采線接近所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離< Htl以及所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離< Htl時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為I~3天/次；
[0052]當(dāng)所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離大于Htl且小于或等于2?時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為5~7天/次；
[0053]當(dāng)所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離大于2?時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為15~45天/次。
[0054]作為一個例子，H0為200米,則:
[0055]當(dāng)所述開采線靠近所述水分監(jiān)測點(diǎn)大于200米時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測周期為10~45天；
[0056]當(dāng)所述開采線靠近所述水分監(jiān)測點(diǎn)< 200米到所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)(200米時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測周期為I~3天；
[0057]當(dāng)所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)大于200米到所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)< 300米時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測周期為5~7天；
[0058]當(dāng)所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)大于400米時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測周期為15~45天。
[0059]由于不同的土壤深度，土壤體積含水量隨深度變化并不相同，故將不同深度分層監(jiān)測，不同層設(shè)以不同間隔。在其中一個實(shí)施例中，還包括:
[0060]對于所述水分監(jiān)測點(diǎn)的觀測深度為O~40cm時，每隔5cm觀測一次；
[0061]對于所述水分監(jiān)測點(diǎn)的觀測深度為40~10cm時，每隔1cm觀測一次；
[0062]對于所述水分監(jiān)測點(diǎn)的觀測深度大于10cm時，每隔20cm觀測一次。
[0063]通常情況下，對于所述水分監(jiān)測點(diǎn)的觀測深度為O~40cm時，土壤水分隨深度增加梯度變化較大，每隔5cm觀測一次；
[0064]對于所述水分監(jiān)測點(diǎn)的觀測深度為40~10cm時，土壤水分隨深度增加梯度變化減緩，但根據(jù)觀測，仍為受降雨影響層位，每隔1cm觀測一次；
[0065]對于所述水分監(jiān)測點(diǎn)的觀測深度大于10cm時，土壤水分隨深度增加梯度變化較小，且受降雨影響微弱，每隔20cm觀測一次。
[0066]在其中一個實(shí)施例中，在所述中子儀招管外側(cè)露出地面一端O~40cm每隔0.5cm標(biāo)注刻度。
[0067]對于所述監(jiān)測地點(diǎn)，地表移動較為明顯，中子儀鋁管會出現(xiàn)隨地表移動而小范圍內(nèi)上下浮動的現(xiàn)象，為精準(zhǔn)確定探測頭在地下的深度，監(jiān)測目的深度的土壤體積含水量，在所述中子儀鋁管外側(cè)露出地面一端O?40cm每隔0.5cm標(biāo)注刻度，用以確定中子儀鋁管露出地面的長度，從而判斷探測頭在地下的深度。
[0068]本實(shí)施例使得在土地移動沉陷變化多樣的情況下，能夠準(zhǔn)確找到目標(biāo)深度。
[0069]作為一個例子，如圖3所示為本發(fā)明的一種中子儀鋁管埋設(shè)及刻度標(biāo)識示意圖。整個中子儀3包括:中子儀鋁管31、探測頭32、屏蔽球33和顯示器34，探測頭32深入地下，中子儀鋁管31部分露出地面，且在中子儀鋁管31外側(cè)露出地面標(biāo)注刻度311，屏蔽球33包裹中子儀鋁管31露出地表部分，且中子儀鋁管31通過接收線35與顯示器34連接。
[0070]在其中一個實(shí)施例中，在對應(yīng)深度取土壤容重，以標(biāo)定曲線，標(biāo)定時，采取分層與分質(zhì)標(biāo)定相結(jié)合。
[0071]在其中一個實(shí)施例中，還包括:
[0072]利用臨近地表空間坐標(biāo)控制點(diǎn)，應(yīng)用水準(zhǔn)儀，觀測研究區(qū)的地表高度現(xiàn)狀，應(yīng)用全站儀觀測研究區(qū)的水平坐標(biāo)；
[0073]根據(jù)地表坐標(biāo)空間控制點(diǎn)，確定所述均勻沉陷區(qū)和所述非均勻沉陷區(qū)的區(qū)域分界坐標(biāo)。
[0074]本發(fā)明其中一個例子的方法包括以下步驟:
[0075]該方法應(yīng)用于神東大柳塔礦某工作面，該工作面長280m，推進(jìn)長度2881.3m，煤層平均埋深234m，煤厚7.07?7.7m,平均7.25m,該區(qū)正在開采5-2煤，該煤層埋深190_220m，應(yīng)用綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，采用長臂開采、垮落式管理頂板的開采方式。
[0076]a、建立井上下對應(yīng)的空間坐標(biāo)控制系統(tǒng)，確定工作面開采進(jìn)度前端的未擾動區(qū)域作為研究區(qū)域:在工作面開采之前，建立井上下對應(yīng)的空間坐標(biāo)控制系統(tǒng)，沿工作面走向中心線布設(shè)地表空間坐標(biāo)控制線，控制點(diǎn)間距20?30m ;利用開采沉陷學(xué)的相關(guān)理論，預(yù)測地表移動超前影響距L，利用臨近的地表控制點(diǎn)，采用測量儀器，并根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度表確定日開采進(jìn)度，在地表標(biāo)定前方未擾動區(qū)域的范圍，并以此作為研究區(qū)域；
[0077]b、在研究區(qū)域內(nèi)，結(jié)合開采沉陷學(xué)相關(guān)理論，利用開采沉陷預(yù)計(jì)軟件，預(yù)計(jì)出均勻沉陷區(qū)和非均勻沉陷區(qū)，分別在兩個區(qū)域垂直開采方向每隔40m-80m布設(shè)水分監(jiān)測點(diǎn)，并埋設(shè)實(shí)驗(yàn)配套中子儀鋁管(Φ45，長230cm)，觀測開采擾動前研究區(qū)域水分監(jiān)測點(diǎn)的O?200cm 土壤垂直水分空間分布數(shù)據(jù)，確定研究區(qū)表層水分背景值及空間分布形態(tài)；
[0078]C、利用臨近地表空間坐標(biāo)控制點(diǎn)，應(yīng)用水準(zhǔn)儀，觀測研究區(qū)的地表高度現(xiàn)狀，應(yīng)用全站儀觀測研究區(qū)的水平坐標(biāo)；
[0079]d、當(dāng)工作面開采進(jìn)度接近于研究區(qū)域的范圍的邊界時，研究區(qū)開始沉陷，應(yīng)用水準(zhǔn)儀觀測地表沉陷，應(yīng)用的全站儀測量水平移動情況，以確定各水分監(jiān)測點(diǎn)沉陷高度及研究區(qū)內(nèi)沉陷范圍；
[0080]e、觀測水分監(jiān)測點(diǎn)土壤的水分垂直變化:按垂直地表每隔5cm?20cm不等的間距布設(shè)水分觀測點(diǎn)，利用手段b確定各觀測點(diǎn)的原始背景值Wttw，其中i代表觀測深度；
[0081]f、實(shí)測水分監(jiān)測點(diǎn)周邊土壤的水分含量:每個區(qū)域布設(shè)若干水分監(jiān)測點(diǎn)，取平均值作為各區(qū)域的實(shí)際觀測值，在采煤沉陷全過程中進(jìn)行水分持續(xù)動態(tài)觀測，觀測頻率視開采線距水分監(jiān)測點(diǎn)距離以及沉陷的發(fā)育狀態(tài)而定，獲得水分觀測值作為測量水分觀測值Wshu)，其中i代表觀測深度，J代表開采線距離觀測點(diǎn)距離；
[0082]g、排除降雨影響的水分含量校正:沿開采走向反方向，當(dāng)達(dá)到一定距離時將不受沉陷影響，從而水分含量值相對穩(wěn)定，一般距離開切眼Htl范圍外，本案例選取距開切眼200m處，布設(shè)對照點(diǎn)，同步f獲得水分觀測值作為對照水分觀測值W5tf ω，其中i代表觀測深度，則在較小的范圍內(nèi)，對照水分含量減去各觀測值就可視為去除了降雨影響，即W@w (ij = (W
對《_評觀(:^));
[0083]h、進(jìn)一步去除空間變異影響的水分含量:將g獲得的結(jié)果與e疊加，即在g結(jié)果的基礎(chǔ)上減去背景值，就可獲得考慮空間變異與降雨影響的采煤沉陷對水分觀測值:Waj)=
(w 對(i)_W 觀(i，j)_W 初⑴)。
[0084]優(yōu)選地，步驟a為確定研究區(qū)域，建立井上下對應(yīng)的空間坐標(biāo)控制系統(tǒng)，為盡量避免采動對其影響與破壞，控制點(diǎn)采用水泥澆筑的柱狀體，柱體中心附帶鋼筋；控制點(diǎn)埋深大于0.5m,露出地表5~10cm。
[0085]優(yōu)選地，步驟b為確定研究區(qū)域內(nèi)水分的原始背景值，土壤垂直水觀測采用中子土壤水分儀，中子儀鋁管永久安放后不破壞區(qū)域土壤的原始形態(tài)，能長期定位連續(xù)測定表層及深層土壤水分變化，不受滯后作用影響，測深不限，可根據(jù)監(jiān)測要求安排中子儀鋁管長度，所需觀測數(shù)據(jù)均進(jìn)行儀器校正。
[0086]進(jìn)一步，步驟b中，研究區(qū)域水分觀測采分區(qū)布點(diǎn)法，分別在均勻沉陷區(qū)與非均勻沉陷區(qū)布設(shè)水分監(jiān)測點(diǎn)，并測定與記錄點(diǎn)的空間坐標(biāo)，在每個水分監(jiān)測點(diǎn)地下埋設(shè)測量范圍為2m的中子儀鋁管，觀測深度為O~40厘米時，每隔5厘米觀測一次；觀測深度為40~10cm時，每隔10厘米觀測一次；觀測深度為100~200cm時，每隔20厘米觀測一次。各點(diǎn)水分觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，繼續(xù)觀測3~5次，取平均值作為每個水分監(jiān)測點(diǎn)的水分背景值；
[0087]優(yōu)選地，步驟d為確定加密觀測的起始時段，工作面開采進(jìn)度接近于研究區(qū)域邊界的距離為Htl時；
[0088]優(yōu)選地，步驟e為排除降雨與空間變異的影響，利用全站儀(或者手持GPS)標(biāo)定觀測區(qū)域后，在2個區(qū)域垂直于開采走向分別布設(shè)3條觀測條帶，在2個區(qū)域內(nèi)每個觀測條帶上分別布設(shè)2個監(jiān)測點(diǎn)，即I條觀測條帶上有4個監(jiān)測點(diǎn)；同時，在距離開切眼200m的非沉陷區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)I條觀測條帶，其上布設(shè)3個監(jiān)測點(diǎn)，作為對照，以排除降雨等天氣因素影響；
[0089]進(jìn)一步，步驟e中，觀測周期視開采線距水分監(jiān)測點(diǎn)距離以及沉陷的發(fā)育狀態(tài)而定，開采線距離水分監(jiān)測點(diǎn)150m以上時，一般為10~45天；開采線距離水分監(jiān)測點(diǎn)150m到遠(yuǎn)離水分監(jiān)測點(diǎn)150m時，一般為I~3天，開采線遠(yuǎn)離水分監(jiān)測點(diǎn)150m到300m時，一般為5~7天，開采線遠(yuǎn)離水分監(jiān)測點(diǎn)300m以上時，一般為15~45天，直到檢測水分差異不顯著后為止；
[0090]優(yōu)選地，步驟e為精準(zhǔn)的觀測地下目標(biāo)深度的土壤水分，在中子儀鋁管露出地面一端O~40cm標(biāo)注刻度，以便時時讀取中子儀鋁管露出地面的高度，用以排除中子儀鋁管露出地面高度會隨采煤沉陷發(fā)育而變化的影響，便于觀測時及時調(diào)整探頭下放距離。
[0091]上面以本發(fā)明所述方法在薄基巖風(fēng)沙區(qū)工作面采煤沉陷對土壤垂直水分影響的生命周期中的實(shí)際應(yīng)用為例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，本發(fā)明并不因此而受到任何限制。
[0092]為了科學(xué)全面地觀測風(fēng)沙區(qū)采煤沉陷水分損傷，本發(fā)明結(jié)合開采沉陷學(xué)、測繪學(xué)、土壤學(xué)以及環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的特點(diǎn)，分別對采煤所引起的地表沉陷、水平移動、土壤垂直含水量變化進(jìn)行了觀測，具體如下:
[0093]第一步，旨在確定擬采動區(qū)域作為研究區(qū)域:根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)度表確定工作面的開采進(jìn)度(距開切眼的距離)，并利用臨近的地表坐標(biāo)控制點(diǎn)和全站儀，在地表加以標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)此時開采面最前端距開切眼300m，進(jìn)一步選取距開切眼300+?!!!作為研究區(qū)域的邊界，研究區(qū)域的規(guī)格為10mX280m ；
[0094]第二步，旨在確定研究區(qū)水分背景值及水分垂直分布:分區(qū)布點(diǎn)觀測開采擾動前研究區(qū)域水分?jǐn)?shù)據(jù)，將研究區(qū)域應(yīng)用開采沉陷學(xué)相關(guān)理論知識劃分為均勻沉陷區(qū)與非均勻沉陷區(qū)，布設(shè)3條垂直于開采方向的觀測條帶，每個條帶間間距50m，在條帶分別落在均勻沉陷區(qū)與非均勻沉陷區(qū)內(nèi)，布設(shè)4個間隔50m的水分監(jiān)測點(diǎn)，共計(jì)12個水分監(jiān)測點(diǎn)，同時，沿開采走向反方向，距離開切眼150m處,布設(shè)I個觀測條帶,在條帶上布設(shè)3個間隔50m的對照點(diǎn)，并記錄每個水分監(jiān)測點(diǎn)的空間坐標(biāo)，連續(xù)觀測3次，作為水分背景值；
[0095]第三步，繼續(xù)觀測，開采線臨近研究區(qū)150m后，觀測周期改為I~3天，同時觀測對照區(qū)和研究區(qū)的土壤垂直水分變化，直到開采線遠(yuǎn)離研究區(qū)域150m時，更改觀測周期為5~7天，開采線遠(yuǎn)離水分監(jiān)測點(diǎn)300m以上時，更改觀測周期為30天，直到檢測水分差異不顯著后為止。為減少光照、蒸發(fā)、露水、溫度等的影響，定每天9點(diǎn)按順序固定觀測。
[0096]第四步，旨在排除降雨影響的水分含量校正:觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行P = 0.05水平下的差異性檢驗(yàn)，即發(fā)現(xiàn)對照區(qū)與研究區(qū)相同深度土壤水分均形成顯著性差異(p〈0.05)，而對照區(qū)內(nèi)部3個觀測點(diǎn)相同深度土壤水分差異性不顯著(p>0.05)。由此可得，與開采方向相反的遠(yuǎn)離開切眼150m處為土壤垂直含水量不受采煤沉陷影響的位置，則在較小的范圍內(nèi)，對照水分含量減去各觀測值就可視為去除了降雨影響，即(U = (W5^i)-Wsaj))；
[0097]第五步，旨在得到去除空間變異影響的水分含量:將W_(ij與水分背景值疊加，即Wam ^j)減去背景值，就可獲得考慮空間變異與降雨影響的采煤地裂縫對水分觀測值:W(i；J) = (w對⑴-W觀(U-W初⑴)，其中W對⑴為距離開切眼150m處條帶的觀測數(shù)據(jù)，W初⑴為其原始背景值。
[0098]運(yùn)用該公式對不同區(qū)域的觀測條帶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出開采行為對不同區(qū)域的土壤含水量的影響不同，且對表層土壤的影響大于深層土壤，但影響均不大。隨開采的結(jié)束，土壤水分有一定的恢復(fù)，表層土壤恢復(fù)的較快，深層受影響時間較長。正在開采的研究區(qū)受影響要大于開采過后的區(qū)域，且非均勻沉陷區(qū)大于均勻沉陷區(qū)。
[0099] 以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法，其特征在于，包括: 選定沿開采走向反方向距離大于兩倍煤層平均采深的非沉陷區(qū)域作為對照區(qū)，選定所述采煤沉陷地工作面開采線前端的未擾動區(qū)域作為測量區(qū)域；在所述測量區(qū)域，預(yù)計(jì)出均勻沉陷區(qū)域作為測量均勻沉陷區(qū)，預(yù)計(jì)出非均勻沉陷區(qū)域作為測量非均勻沉陷區(qū)； 在所述對照區(qū)、所述測量均勻沉陷區(qū)和所述測量非均勻沉陷區(qū)平行開切眼方向分別布設(shè)多個水分監(jiān)測點(diǎn)，在每個所述水分監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)具有一定觀測深度的中子儀鋁管； 在采煤過程中利用所述中子儀鋁管對每個所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測，以所述測量均勻沉陷區(qū)和所述測量非均勻沉陷區(qū)的水分監(jiān)測點(diǎn)為測量點(diǎn)，以所述對照區(qū)的水分監(jiān)測點(diǎn)為對照點(diǎn)，獲得每個所述測量點(diǎn)的水分觀測值作為測量水分觀測值Wsb (i j，獲得每個所述對照點(diǎn)的水分觀測值作為對照水分觀測值Ww(i)，其中i代表觀測深度，j代表開采線距離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離； 計(jì)算得到排除降雨影響校正值W除雨(i，j) = (W對⑴-W觀(i，j))。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法，其特征在于，還包括: 將每個所述排除降雨影響校正值(ij減去對應(yīng)的水分背景值得到去除空間變異影響的水分含量w(i，」)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法，其特征在于，所述去除空間變異影響的水分含量W(ij采用如下方式獲得: 觀測在所述采煤過程前每個所述測量點(diǎn)的水分觀測值作為背景值Wto⑴； 所述去除空間變異影響的水分含量W(u = (WM D-Wto ω)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法，其特征在于: 所述測量點(diǎn)采用如下方式設(shè)置:在所述均勻沉陷區(qū)和所述非均勻沉陷區(qū)的垂直開采方向分別設(shè)置至少一條沉陷區(qū)觀測條帶，在每條所述沉陷區(qū)觀測條帶設(shè)置水分監(jiān)測點(diǎn)作為所述測量點(diǎn)； 所述對照點(diǎn)采用如下方式設(shè)置:在非沉陷區(qū)域設(shè)置至少一條非沉陷區(qū)觀測條帶，在每條所述非沉陷區(qū)觀測條帶設(shè)置水分監(jiān)測點(diǎn)作為所述對照點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法，其特征在于，還包括: 確定所述開采線前后I = H0Xcotw的范圍內(nèi)為強(qiáng)影響區(qū)，其中:1為超前影響距，ω為超前影響角，Htl為煤層平均采煤度； 當(dāng)所述開采線靠近所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離大于I時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為10~45天/次； 當(dāng)所述開采線接近所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離 ≤I以及所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離< I時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為I~3天/次； 當(dāng)所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離大于I且小于或等于21時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為5~7天/次； 當(dāng)所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離大于21時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為15~45天/次。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法，其特征在于，還包括: 確定所述開采線前后Htl的范圍內(nèi)為強(qiáng)影響區(qū)，其中:?為煤層平均采煤度； 當(dāng)所述開采線靠近所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離大于Htl時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為10~45天/次； 當(dāng)所述開采線接近所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離< Htl以及所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離< Htl時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為I~3天/次； 當(dāng)所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離大于Htl且小于或等于2?時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為5~7天/次； 當(dāng)所述開采線遠(yuǎn)離所述水分監(jiān)測點(diǎn)的距離大于2?時，對所述水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)觀測的觀測頻率為15~45天/次。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法，其特征在于，還包括: 對于所述水分監(jiān)測點(diǎn)的觀測深度為O~40cm時,每隔5cm觀測一次； 對于所述水分監(jiān)測點(diǎn)的觀測深度為40~10cm時,每隔1cm觀測一次； 對于所述水分監(jiān)測點(diǎn)的觀測深度大于10cm時，每隔20cm觀測一次。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采煤沉陷地土壤垂直含水量動態(tài)變化的監(jiān)測方法，其特征在于， 在所述中子儀鋁管外側(cè)露出地面一端O~40cm每隔0.5cm標(biāo)注刻度。
【文檔編號】G01V5/00GK104076048SQ201410315329
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】胡振琪, 王 義, 郭洋楠, 林杉, 王新靜, 李強(qiáng) 申請人:中國神華能源股份有限公司, 神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司, 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)