刘士亮，山东泗水人，博士，山东大学副教授、硕士生导师、山大未来计划青年学者，聚焦“矿山生态与污染水文地质”相关的教研工作。

主持国家自然科学基金项目、国家重点研发计划政府间重点专项课题、省自然科学基金、济南市科技计划项目及开放基金等省部级课题8项，参与973、国家自然科学基金重点、面上项目及企业委托等科研课题20余项。出版专著2部，发表学术论文30余篇，授权发明专利15项，荣获中国岩石力学与工程学会二等奖1项，山东省环保产业协会一等奖1项。担任10余种国内外核心、EI、SCI学术期刊青年编委和审稿专家，国家自然科学基金委员会同行评议专家，山东省科技专家（技术研发类）等。

主要内容

1 采煤沉陷区包气带水分运移主控因素

1.1 裂缝条件

图  1  采煤塌陷区包气带结构[10]

1.2 降水量

1.3 植被生态

1.4 地下水埋深

1.5 土壤质地类型

2 采煤塌陷裂缝对包气带水分运移的影响数值模拟方案

2.1  数值模型建立

      2.1.1   土壤水分运动基本方程

      2.1.2   土壤水分特征方程

      2.1.3   水力模型参数设置

表  1  风沙土、壤土土壤水力特性参数

          2.1.4   模型初始条件

图  2  数值模拟模型框架图

2.2  实验方案设计

表  2  数值模拟试验工况

3 采煤塌陷裂缝对包气带水分运移规律影响模拟结果与分析

3.1  裂缝对周边土壤含水率的影响分析

图  3  单裂缝条件下风沙土不同宽度裂缝数值模拟第7.5天包气带含水率变化图

图  4  20 cm裂缝宽度风沙土数值模拟第7.5天包气带含水率分布图

图  5  20 cm裂缝宽度壤土数值模拟第7.5天包气带含水率分布图

图  6  叠层土壤(风沙土30 cm、壤土70 cm)20 cm裂缝宽度下包气带含水率分布图

图  7  双裂缝20 cm裂缝宽度壤土数值模拟第7.5天包气带含水率分布图

图  8  三裂缝20 cm裂缝宽度壤土数值模拟第7.5天包气带含水率分布图

图  9  不同裂缝密度和宽度条件下60 cm深度处第7.5天数值模拟包气带含水率变化图

3.2  裂缝对周边水分运移方向的影响分析

图  10  不同宽度裂缝数值模拟水分运移方向图

图  11  风沙土裂缝宽度16 cm时数值模拟水分运移方向图

图  12  叠层土壤(风沙土30 cm、壤土70 cm)裂缝宽度20 cm数值模拟水分运移方向图

图  13  壤土20 cm双裂缝数值模拟水分运移方向图

图  14  壤土20 cm三裂缝数值模拟水分运移方向图

3.3  裂缝对周边水分运移速度的影响分析

图  15  裂缝宽度16 cm时壤土水分运移瞬时速度与时间关系图

1) 在单一裂缝时，同一土壤深度靠近裂缝的区域的土壤含水率低于远离裂缝的区域，且含水率差与裂缝宽度，以及与裂缝的距离呈正相关关系，含水率降低的区域大小随裂缝宽度的变大而变大。

在裂缝密度增高时，同一土壤深度的含水率随裂缝数量的增多而降低，裂缝之间区域的含水率低于一侧有裂缝区域的含水率。

在其他条件相同的情况下，同一土壤深度下壤土的含水率明显高于风沙土含水率。在2种土壤叠层的情况下，在土壤交界处上方出现水分聚集现象，上方风沙土区域含水率与单一风沙土含水率模拟结果基本相同，下方壤土区域含水率低于相同初始条件的单一壤土的含水率。

2) 单一裂缝时，在同一土壤深度时，整个区域的土壤水分运移方向向裂缝处发生偏转，越靠近裂缝的区域偏转角度越大，且最大偏转角度和发生水分运移方向变化的区域大小随裂缝宽度变大而变大。土壤条件对水分运移方向变化几乎没有影响。

裂缝密度增高后，由于两侧裂缝的复合作用，裂缝之间的区域相对于一侧有裂缝的区域，水分运移方向偏转最大角度变小，发生偏转的区域变小。

3) 单一裂缝时，同一土壤深度靠近裂缝的区域整个模拟过程中的平均水分运移速率高于远离裂缝的区域，同一土壤深度裂缝边缘的平均水分运移速度随裂缝宽度的增大而增大。且其他条件相同时风沙土条件的平均水分运移速度高于壤土条件的水分运移速度。裂缝密度增高后，在与裂缝距离相同时，一侧有裂缝区域的水分运移速度要低于裂缝之间区域的运移速度。在整个过程中不同区域瞬时流速的高低因为周边含水率等因素的影响是不定的。