淮北采煤沉陷区非饱和带水分运移试验及形成机理研究——以石台矿为例.pdf

◎ 分类号P 6 4 l4 单位代码1 0 3 6 l 做国日淮北采煤沉陷区非饱和带水分运移试验及形 作者姓名 专业名称 导师姓名 完成时问 成机理研究以石台矿为例 马志尚 地质资源与地质工程 许光泉教授 2 0 1 7 年6 月15 日 万方数据 中图分类号 学科分类号 P 6 4 1 ．4 17 0 ．5 0 9 9 论文编号 密级公珏 安徽理工大学 硕士学位论文 淮北采煤沉陷区非饱和带水分运移试验及形成机理研 究一一以石台矿为例 论文答辩日期2 0 1 7 年6 月6 日 安徽理工大学研究生处 2 0 1 7 年6 月1 5 日 万方数据 AD i s s e r t a t i o ni nG e o l o g i c a lE n g i n e e r i n g S t u d yo nt h eE x p e r i m e n ta n dF o r m a t i o nM e c h a n i s mo f Ⅵ‰e rM o v e m e n ti nU n s a t u r a t e dZ o n eo fH u a i b e iC o a l M i n i n g S u b s i d e n c e A r e a T a k i n gS h i t a iM i n e a sa n E x a m p l e C a n d i d a t e M aZ h iS h a n g S u p e r v i s o r X ug u a n g q u a n S c h 0 0 1o fE a r t ha n dE n v i r o n m e n t A n H u i U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N o ．1 6 8 ，T a i f e n gS t r e e t ，H u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，P ．R ．C H I N A 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徵垄三太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名刍毛鱼日期之盟年鱼月丝日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞擞理王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞擞理工太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位 论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名骂走．南签字日期纠7 年』月侈日 导师签名 弓p 签字日期I _ 7 年6 月“ 万方数据 摘要 摘要 煤炭是我国最主要能源，而煤矿开采引发的地表沉陷不可避免地会破坏土壤 非饱和带原有结构，对该带地下水循环产生一定的影响，从而影响到沉陷区的修复 治理。本文以淮北石台矿工作面开采沉陷过程中的非饱和带的水分运移为对象，通 过野外原位试验场，系统观测沉陷过程中的水势、水分变化特征，采用统计方法研 究沉陷区的 含降水．蒸发 非饱和带垂向上的水分运移规律、水分空间分布特征、 水分特征曲线及测定了相关水文地质参数。结果表明矿区开采引起的地面沉陷扰 动了非饱和带土壤内部原生结构，发育了微裂隙，引起了土壤渗透系数、非饱和导 水率等参数的变化，降低了非饱和带土壤的持水能力。同时利用H Y D R U S 2 D 软 件模拟和对比研究了沉陷过程中非饱和带水分运移规律。模拟结果显示在降雨、 蒸发、地下水位等外界条件发生变化时，沉陷区非饱和带土壤的不同深度位置的体 积含水量相较于非沉陷区会产生幅度更大的波动。 图[ 5 1 ] 表【7 ] 参【6 1 】 关键词开采沉陷；非饱和带；水分运移；水分参数；H Y D R U S 分类号P 6 4 1 ．4 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 ．I I ． 万方数据 A b s t r a c t A b s t r a c t C o a li st h em a i ne n e r g yi nC h i n a , c a u s e db yt h es u r f a c es u b s i d e n c ed u et oc o a l m i n i n ga n dl e dt oi n e v i t a b l yu n s a t u r a t e ds o i ld a m a g et ot h eo r i g i n a ls t r u c t u r e ，t h e i n f l u e n c eo fg r o u n d w a t e rc i r c u l a t i o n , t h e r e b ya f f e c t i n gt h er e s t o r a t i o no fs u b s i d e n c e a r e a ．T h i sp a p e rt a k e sH u a i b e iS h i t a ic o a ls u r f a c em i n i n gs u b s i d e n c ei nt h ep r o c e s so f w a t e rm i g r a t i o ni nu n s a t u r a t e dz o n ea st h eo b j e c t ，t h r o u g hf i e l de x p e r i m e n t s ，w a t e r p o t e n t i a la n dw a t e rc h a n g ec h a r a c t e r i s t i c si nt h ep r o c e s so fs e t t l e m e n to b s e r v a t i o n s y s t e m ，u s i n gs t a t i s t i c a lm e t h o d so f m i n i n gu n d e r i n c l u d i n gp r e c i p i t a t i o na n de v a p o r a t i o n i nu n s a t u r a t e dz o n e ，t h ev e r t i c a lw a t e rm o v e m e n to nt h el a ww a t e rd i s t r i b u t i o n ，w a t e r c h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dt h ed e t e r m i n a t i o no fh y d r o g e o l o g i c a lp a r a m e t e r s ．1 1 1 er e s u l t s s h o wt h a tt h em i n i n gg r o u n ds u b s i d e n c ei n d u c e db yt h ed i s t u r b a n c eo ft h eu n s a t u r a t e d s o i lw i t h i nt h ep r i m a r ys t m c t u r e ，t h ed e v e l o p m e n to fm i c r oc r a c k s ，c a u s e db yt h es o i l p e r m e a b i l i t yc o e f f l c i e n L v a r i a t i o n o fu n s a t u r a t e dh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t ya n do t h e r p a r a m e t e r s ，r e d u c et h ew a t e rh o l d i n gc a p a c i t yo fu n s a t u r a t e ds o i l ．A tt h es a m et i m e ， H Y D R U S 2 Ds o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t ea n dc o m p a r et h ew a t e rm i g r a t i o ni n u n s a t u r a t e dz o n e ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec h a n g e si nr a i n f a l l ，e v a p o r a t i o na n d g r o u n d w a t e rc o n d i t i o n s ，s u b s i d e n c eo fu n s a t u r a t e ds o i lo fd i f f e r e n td e p t hp o s i t i o no ft h e v o l u m e t r i cw a t e rc o n t e n tc o m p a r e dt o t h en o ns u b s i d e n c ea r e aw i l lp r o d u c eb i g g e r f l u c t u a t i o n ． F i g u r e [ 51 】t a b l e [ 7 】r e f e r e n c e 【61 】 K e y W o r d s m i n j n gs u b s i d e n c e ；w a t e rt r a n s p o r t a t i o n ；w a t e rp a r a m e t e r s ；m i n i n g s u b s i d e n c e ；H Y D R U S C h i n e s eb o o k s c a t a l o g P 6 4 1 ．4 ．．I I I ．． 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 ．I V ． 万方数据 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V C o n t e m s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．⋯．．．⋯．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．．．V I I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．1 选题背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．1 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 非饱和带水分运移理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～2 1 ．2 ．2 非饱和带水分动态模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．3 采煤沉陷区研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～4 1 ．3 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 研究方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 ．1 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 ．2 研究技术路线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 沉陷区非饱和带水分试验场设计与建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 研究区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．1 地形、地貌及水系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 ．2 气候⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 ．3 矿区地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 ．4 矿区构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．5 矿区水文地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9 2 ．2 试验场的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．2 ．1 试验场的位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．2 试验场的布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 试验场的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 5 ．V ． 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 2 ．3 ．1 水势观测室⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 ．2 含水率观测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．16 2 ．3 ．3 水位、气象观测站⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 3 沉陷区非饱和带参数测定及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 取样时间与取样位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 颗粒级配的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 ．1 实验装置与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．2 ．2 实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 3 ．3 水分特征曲线的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 ．1 实验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．3 ．2 实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．3 ．3 实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．4 非饱和导水率的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．1 实验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．4 ．2 实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．4 ．3 实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 沉陷区非饱和带水分特征分析及其影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．1 野外试验场数据整理与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．1 ．1 降雨与地下水位的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 l 4 ．1 ．2 土壤水势变化动态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．2 沉陷区非饱和带土壤含水率与各影响因素的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 ．1 降雨、蒸发与土壤含水率的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．2 ．2 地下水位与土壤含水率的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 ．2 ．3 开采沉陷与土壤含水率的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 ．2 ．4 土壤水分空间分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 5 沉陷区非饱和带水分运动机理的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．1 数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 ．1 微分方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．1 ．2 模型的定解条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 ．V I ． 万方数据 目录 5 ．2 数学模型的参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 5 ．2 ．1 水力模型参数数值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．2 ．2 气象参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．3 模型的离散化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 2 5 ．3 ．1 空间的离散⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．3 ．2 时间的离散⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．4 数值模拟的结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 5 ．4 ．1 沉陷条件下土壤水分时空变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．4 ．2 降雨条件下土壤水分时空变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．4 ．3 蒸发条件下土壤水分时空变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．4 ．4 地下水位变化条件下的非饱和带土壤水分时空变化规律⋯⋯4 9 5 ．4 ．5 沉陷区非饱和带水分运动机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 结论与建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．2 存在问题及建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 作者简介及读研期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 C o n t e n t s A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I C o n t e n t s ⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯．．．⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．V 1I n 廿o d u c f i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1B a c k g r o u n do f t h et o p i c ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．1S e l e c t e db a c k g r o u n d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 ．2R e s e a r c hm e a n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2R e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1T h e o r yo f u n s a t u r a t e dz o n ew a t e rt r a n s p o r t a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2W a t e rd y n a m i cs i m u l a t i o no fu n s a t u r a t e dz o n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3R e s e a r c h p r o g r e s so f c o a lm i n i n gs u b s i d e n c ea r e a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3R e s e a r c hc o n t e n t s ⋯．．．．．．．．．⋯．⋯．⋯．⋯．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．⋯．⋯⋯．．．．5 1 ．4R e s e a r c hm e t h o d sa n dt e c h n i c a lr o u t e ．．．⋯⋯．．．⋯．．．⋯．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．5 2D e s i g na n de s t a b l i s h m e n to fu n s a t u r a t e dz o n em o i s t u r et e s tf i e l di ns u b s i d e n c e a r e a ．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2 ．1S u r v e yo fs u b s i d e n c ea r e a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 ．1T o p o g r a p h ya n dd r a i n a g e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 ．2C l i m a t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．3M i n i n gs t r a t a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 ．4M i n i n gs t r u c t u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．5M i n eh y d r o g e o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2D e s i g no f t e s tf i e l d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯1 2 2 ．2 ．1L o c a t i o no f t e s tf i e l d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 1 2 ．2L a y o u to f t e s tf i e l d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3E s t a b l i s h m e m o f t e s t f i e l d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 5 2 ．3 ．1W a t e rp o t e n t i a lo b s e r v a t i o nr o o m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 ．2W a t e rc o n t e n to b s e r v a t i o n ．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯】6 万方数据 2 ．3 ．3W a t e rl e v e l ，w e a t h e rs t a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 3D e t e r m i n a t i o no f u n s a t u r a t e dz o n ep a r a m e t e r si ns u b s i d e n c ea 嗽⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1S a m p l i n gt i m ea n ds a m p l i n gp o s i t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．2D e t e r m i n a t i o no f g r a i nc o m p o s i t i o n ．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯．．．．．．．．⋯⋯⋯．2 0 3 ．2 ．1E x p e r i m e n t a ld e v i c ea n dm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．2 ．2E x p e r i m e n t a lr e s u l t ．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．2 1 3 ．3D e t e r m i n a t i o no f w a t e rc h a r a c t e f i s t i cc u r v e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．3 ．1E x p e r i m e n t a ld e v i c e ⋯．．⋯．．．⋯⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯．．．．．．．2 2 3 ．3 ．2E x p e r i m e n t a lm e t h o d ．．．⋯．．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．2 2 3 ．3 ．3E x p e r i m e n t a lr e s u l t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．4D e t e r m i n a t i o no f u n s a t u r a t e dh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y ．⋯．⋯⋯．⋯．⋯．．．．．．⋯．．．2 7 3 ．4 ．1E x p e r i m e n t a ld e v i c e ．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．⋯⋯．．．．．．．．⋯．．．2 7 3 ．4 ．2E x p e r i m e n t a lm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．4 ．3E x p e r i m e n t a lr e s u l t ⋯⋯．⋯．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯．．．2 9 4S t u d yo nw a t e rc h a r a c t e r i s t i c so fu n s a t u r a t e dz o n ei ns u b s i d e n c ea r e aa n di t s i n f l u e n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．3 1 4 ．1D a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i so f f i e l dt e s tf i e l d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．1 ．1R e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a i n f a l la n dg r o u n d w a t e rl e v e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．1 ．2D y n a m i ca n a l y s i so f s o i lw a t e rp o t e n t i a l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 2 4 ．2 R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o i lm o i s t u r ec o n t e n ta n di t s i n f l u e n c ef a c t o r si n u n s a t u r a t e dz o n eo fs u b s i d e n c ea r e a ．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯3 4 4 ．2 ．1R e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a i n f a l l ，e v a p o r a t i o na n ds o i lm o i s t u r ec o n t e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 ．2 ．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r o u n d w a t e rl e v e la n ds o i lw a t e rc o n t e n t ．．．．．3 5 4 ．2 ．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i n i n gs u b s i d e n c ea n ds o i lw a t e rc o n t e n t ⋯．35 4 ．2 ．4S p a t i a ld i s t r i b u t i o no f s o i lm o i s t u r e ⋯．．．．．．．⋯．．．．．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．3 7 5N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw a t e rm o v e m e n ti nu n s a t u r a t e dz o n eo fs u b s i d e n c ea r e a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 51M a t h e m a t i c a lm o d e 】⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．} 9 ．Ⅸ． 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 5 ．1 ．1D i f f e r e n t i a le q u a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 ．2C o n d i t i o n sf o rt h es o l u t i o no f t h em o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．2T w o d i m e n s i o n a lr e c t a n g u l a rg r o o v em o d e lt e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 - 2 ．1H y d r a u l i cm o d e lp a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．2 ．2M e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．3D i s c r e t i z a t i o no f m o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 _ 3 ．1S p a t i a ld i s c r e t i z a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．3 ．2T i m ed i s c r e t i z a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．4D i s c r e t i z a t i o no f m o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．4 ．1T e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o no f s o i lm o i s t u r eu n d e rs u b s i d e n c e ．．4 4 5 ．4 ．2T e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o no fs o i lm o i s t u r eu n d e rr a i n f a l l ⋯⋯．．4 6 5 ．4 ．3T e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o no fs o i lm o i s t u r eu n d e re v a p o r a t i o n ．4 7 5 ．4 ．4T e m p o r a Ja n ds p a t i a lv a r i a t i o no fs o i lm o i s t u r eu n d e rw a t e rl e v e l v a r i a t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 9 5 ．4 ．5M e c h a n i s ma n a l y s i so fw a t e rm o v e m e n ti nu n s a t u r a t e dz o n eo f s u b s i d e n c ea r e a ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 0 6C o n c l u s i o n sa n dr e c o m m e n d a t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 6 ．1C o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．2R e c o m m e n d a t i o n s ．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯．．⋯．⋯．．．．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯．．．5 3 R e f e r e n c e s ．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 5 5 i ．X ． 万方数据 第1 章绪论 1 ．1 研究背景及意义 1 ．1 ．1 选题背景 1 绪论 煤炭占我国能源结构的7 0 ％，在煤炭开采期间，不可避免地会对土地资源造 成破坏。我国的煤炭开采方式以地下井工开采为主，其产量约为原煤产量的9 6 ％， 因此我国由于煤炭开采而破坏土地的类型主要为采煤塌陷地【。随着时间的推移 和经济的发展，因煤矿开采破坏的土地范围将会持续增加，开采及其引发的地面塌 陷、地表裂缝，对水循环的影响极为严重【2 1 。 采煤打破地应力构成的平衡状态，改变了矿区的水文条件、地质条件以及环境 条件，在地表处形成大范围的沉陷区域，使潜水沿裂隙迅速向深层渗漏，使得地下 水直接转化为矿井水，造成地下水位大幅下降，表层土壤水分来自于地下水的补给 减少，对地表植被生存产生负面影U l 甸f 3 , 4 1 。煤炭开采过程还破坏改变了非饱和带土 壤的原有结构，一方面在非饱和带内部产生裂缝，导致土壤垂向上含水率及地下水 位发生改变，而沉陷区农作物生长及生态修复治理取决于包气带水分含量变化另 一方面，在包气带内部产生了扰动型阶梯裂缝，不仅破坏了沉陷范围内浅层土壤结 构，同时也改变了地表径流、入渗和蒸发条件。近年来，我国东部平原地区开采沉 陷对土壤和生态环境破坏影响越来越严重，因此，受到高度重视，它关系到如何处 理好矿区经济社会发展与自然生态环境保护间的关系，关系到如何实现矿山的绿 色开采和可持续发展【5 _ 7 ] 。 1 ．1 ．2 研究意义 淮北市位于安徽北部，上个世纪5 0 年代便开始进行煤炭开采，其管辖区域内 建有国家和地方大型矿井三十余个。淮北煤田是新生界松散层所覆盖的全隐伏煤 田，煤炭生产全部为井工开采，地表处发生大面