煤矸石充填重构土壤水气热耦合运移试验研究

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中文摘要：在我国采煤地区，存在着大面积的煤矸石充填采煤塌陷生态修复区。据不完全统计，仅淮南矿区就有超过300hm2。由于煤矸石理化性质与表层土壤存在显著差异，受矸石层的影响，重构土壤水气热运动过程则更为复杂，这对修复区生态系统起着至关重要的作用，进而影响修复区的修复效果。然而，目前对煤矸石水力学、热力学及导气特性和重构土壤水气热运移这方面的研究还十分欠缺。因此，文中系统地对煤矸石的水力学参数、热扩散系数、导气率进行了测定，并设计了一种重构土壤水气热耦合运移室内模拟系统对重构土壤剖面水气热状况进行监测，深入探讨重构土壤水气热运移规律。这不仅可以增加复垦土壤的安全性并提高土壤熟化技术，为土壤碳固定或碳隔离奠定基础，并且可以深化特殊层状土壤水气热运动特征机制的认识，为类似层状土壤研究提供理论依据和实验基础。本文得出的主要结论如下: (1)煤矸石水力学、热力学及导气特性与土壤存在显著差异。煤矸石的饱和含水量远低于一般土壤，在6.90％～16.40％左右，而煤矸石的饱和导水率、热扩散系数和导气率均大于土壤。煤矸石的饱和导水率随容重的增加明显降低，当容重从1.8增加到2.2g/cm3时，饱和导水率从0.249降到0.017mm/min。导气率对水分的敏感度与土壤相反，随含水量的增加而增加。 (2)在煤矸石充填重构土壤中，矸石层会阻碍土壤层水分的入渗，增加土壤层的持水能力。通过定量分析覆土厚度对表层土壤温度变幅的影响和表土、填充基质与其重构土壤间导气率的关系，建立了矸石层对表层土壤的温度影响系数(Tc)和重构土壤导气率计算模型。另外，CO2气体在重构土壤中扩散时会受到土壤层的阻碍，导致气体在矸石层及层间界面累积。 (3)Hydrus-1D软件能够较好地模拟重构土壤剖面含水量分布，但是无法准确地模拟水分入渗过程。受矸石层的影响，水分入渗受阻并在层间界面累积，导致重构土壤水分入渗实际过程比模拟过程存在明显的滞后性，使得现有的水流理论不能很好地描述重构土壤的水分入渗问题。 (4)通过重构土壤水气热耦合运移装置底部的加热系统模拟煤矸石氧化释热过程，当煤矸石氧化放热时会在重构土壤中形成稳定的温度梯度。在温度梯度的作用下，重构土壤中的水分会从底部向上运动，导致底层含水量明显降低，而其他层的含水量均明显上升。温度和含水量均会影响重构土壤气体的扩散，但温度梯度的增加会削弱含水量对气体扩散的影响。

作者：

陈敏

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关键词：

重构土壤煤矸石水力学参数热扩散系数导气率水气热运移采煤塌陷区

授予学位：

硕士

学科专业：

环境科学

导师：

陈孝杨

学位年度：

2018

学位授予单位：

安徽理工大学

语种：

中文

中图分类号：