北方草原区露天煤矿外排土场平台土体裂缝形态特征

李叶鑫^1,2，吕刚²，王道涵²，刁立夫³，李朝辉⁴，董亮²，杜昕鹏²

1. 辽宁工程技术大学矿业学院2. 辽宁工程技术大学环境科学与工程学院3. 内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司4. 抚顺矿业集团有限责任公司

摘 要：煤炭资源的开采不仅能够带来经济的快速发展,也会产生严重的生态环境问题,其中以露天开采最为严重。频繁不合理的采矿活动破坏土地资源,诱发矿区地质灾害。土体裂缝是煤矿区地质灾害中最直观的一种,也是危害最大的一种,其数量多、分布广、危害重,严重影响矿区生态安全。土体裂缝的产生极大程度地影响着排土场地表径流、入渗、蒸发等水文循环过程,也增加排土场泻溜、崩塌、滑坡等水土流失灾害发生的可能性。研究排土场平台土体裂缝形态特征可为认识矿区水分快速运动、植被恢复与重建提供科学依据。以内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市大唐国际胜利东二号露天煤矿南排土场为研究对象,通过现场调查、野外试验、室内分析、图像处理等研究方法,系统地研究北方草原区露天煤矿外排土场平台土体裂缝形态规律及其分形特征。结果表明:排土场平台土体裂缝发育严重,多为直线型,走向平行于等高线,集中在排土场平台前缘5 m内;排土场平台土体裂缝长度主要集中在0～500 cm,占80%以上;土体裂缝宽度在4.3～40.4 cm,深度在5.7～55.3 cm。土体裂缝尺寸的差异较大,但可以根据裂缝宽度W将其划分为小裂缝（W<15 cm）、中裂缝（15 cm<W<30 cm）和大裂缝（W>30 cm）3个等级;GFⅠ,GFⅡ,GFⅢ裂缝宽度依次为9.85,2.86,5.77 cm,各裂缝之间差异显著（P<0.05）。GFⅠ,GFⅡ,GFⅢ裂缝深度依次为29.00,30.67,28.67 cm,各裂缝之间无显著差异（P>0.05）。随着裂缝宽度不断扩张,松散的砂质壤土会在裂缝开裂过程中坍塌而回填裂缝,影响裂缝深度。裂缝宽深比与裂缝深度之间具有较好的幂函数关系,两者达到极显著水平（P<0.001）。GFⅠ,GFⅡ,GFⅢ分形维数为1.437,1.240,1.309,回归方程的决定系数为0.986～0.994,P<0.001,排土场土体裂缝分布具有明显的自相似性。分形维数越大,裂缝的形态特征越复杂,对土壤及植被的扰动作用也越大。

关键词：土体裂缝;排土场;形态特征;不均匀沉降;分形维数;露天煤矿;