李海欣，雷少剛，申艷琴

(1.鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯　010399；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州　221116)

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煤礦開(kāi)采沉陷地裂縫對(duì)植被覆蓋的影響

李海欣1，雷少剛2①，申艷琴2

(1.鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯010399；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州221116)

摘要：淺埋煤層開(kāi)采引起地表出現(xiàn)大量地裂縫，部分地裂縫自我修復(fù)后閉合程度較好，但大部分地裂縫難以閉合而發(fā)展成為永久裂縫。在進(jìn)行生態(tài)重建工作時(shí)，地裂縫及其周邊植被狀況關(guān)系到礦區(qū)生態(tài)重建的效果。以大柳塔礦區(qū)2003、2004和2005年開(kāi)采的工作面為例，利用現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和內(nèi)業(yè)統(tǒng)計(jì)分析方法，首先結(jié)合井下開(kāi)采布置圖對(duì)地裂縫的空間分布進(jìn)行分析，然后利用ArcGIS 10.0軟件提取地裂縫及其周邊植被信息，統(tǒng)計(jì)分析地裂縫周邊植被指數(shù)均值變化情況。研究發(fā)現(xiàn)，地裂縫主要分布在開(kāi)切眼、停采線、工作面相鄰處以及巷道交叉處，且地裂縫數(shù)隨地形起伏增大而增多；通過(guò)對(duì)192條地裂縫的統(tǒng)計(jì)回歸分析發(fā)現(xiàn)，距地裂縫2 m范圍內(nèi)的植被與地裂縫顯著相關(guān)(R2≥0.96，P<0.05)，而>2 m范圍的植被與地裂縫相關(guān)性未達(dá)顯著水平(P>0.05)，表明受到其他因子的影響較大；隨機(jī)選取7條地裂縫，分析距地裂縫不同距離處植被指數(shù)均值變化情況，發(fā)現(xiàn)地裂縫對(duì)距其4 m范圍內(nèi)植被有影響。

關(guān)鍵詞：煤炭開(kāi)采；地裂縫；植被破壞

地下開(kāi)采造成大量誘發(fā)自然災(zāi)害和破壞生態(tài)環(huán)境的潛在因子,地表對(duì)地下開(kāi)采的響應(yīng)敏感,包括地表變形[1]、地表裂縫、水污染和植被破壞[2]等。永久裂縫的形成滯后于開(kāi)采活動(dòng),對(duì)地表的破壞必須依靠人工進(jìn)行修復(fù)。西部礦區(qū)大多屬于干旱半干旱區(qū),降雨少,蒸發(fā)量大,而植被覆蓋與溫度和降水呈現(xiàn)顯著性關(guān)系[3]。當(dāng)裂縫存在時(shí),其會(huì)加劇土壤水分的流失。西部地區(qū)煤炭資源豐富,埋層淺,基巖采厚比基本在4～20之間,地下開(kāi)采很容易波及地表,造成大范圍的地裂縫和塌陷地[4]。在采空塌陷地區(qū)內(nèi),地表土為風(fēng)積沙,地裂縫經(jīng)過(guò)雨水沖蝕和沙土滲漏可基本閉合;當(dāng)表層為沙土或黃土?xí)r,超前于工作面形成的裂縫在工作面穩(wěn)定后大部分閉合,部分滯后于工作面開(kāi)采形成的裂縫經(jīng)過(guò)自我修復(fù)也可以閉合,草本基本可恢復(fù)到開(kāi)采前狀態(tài),但喬木、灌木等保土貢獻(xiàn)大的植被長(zhǎng)勢(shì)明顯衰退[5]。在黃土區(qū)某些地裂縫自我修復(fù)能力差,由于土壤溫度和水分是影響干旱半干旱區(qū)土壤呼吸的主要因素[6],因此裂縫周邊土壤營(yíng)養(yǎng)成分和水分流失嚴(yán)重。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在地裂縫成因、機(jī)理、規(guī)律和預(yù)測(cè)方法認(rèn)識(shí)上具有相似性,根據(jù)所掌握的資料和側(cè)重的專(zhuān)業(yè)理論分別從地質(zhì)構(gòu)造、地層地質(zhì)條件和表層土壤特性進(jìn)行研究[7-10]。關(guān)于煤炭開(kāi)采地裂縫對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響及地裂縫治理等方面的研究較少。西部黃土溝壑區(qū)淺埋煤層開(kāi)采造成的地裂縫大量出現(xiàn),導(dǎo)致水土流失、植被枯萎等生態(tài)環(huán)境災(zāi)害。目前,對(duì)采動(dòng)地裂縫導(dǎo)致的水土流失規(guī)律及對(duì)淺層地下水和植被的影響程度研究很少,缺乏對(duì)采動(dòng)地裂縫災(zāi)害的有效治理。有必要結(jié)合不同地形地貌特征以及不同裂縫深度、寬度和位置等對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響進(jìn)行深入研究[11]。

地裂縫從形態(tài)上可以分為拉伸型裂縫、塌陷型裂縫和滑動(dòng)型裂縫。拉伸型裂縫是由于采動(dòng)地表拉伸的變形超過(guò)地表松散層的抗拉伸極限造成的,其表現(xiàn)為橫向開(kāi)裂,寬度和深度都較小,這種裂縫隨工作面先張開(kāi)后逐漸閉合[12]。塌陷型裂縫則是由于頂板斷裂導(dǎo)致覆巖和表土垮落而成,一般滯后于工作面開(kāi)采,其表現(xiàn)為橫向開(kāi)裂且縱向下沉,寬度和深度較大?；瑒?dòng)型裂縫在地形起伏較大的山坡處較多。目前生態(tài)治理裂縫的主要措施是覆土回填[12]和栽培植被。由于人工植被和天然植被對(duì)水文響應(yīng)不同[13],因此,總體上植被呈現(xiàn)的長(zhǎng)勢(shì)有所不同。該文研究區(qū)裂縫主要為拉伸型裂縫和塌陷型裂縫,通過(guò)調(diào)查開(kāi)采穩(wěn)沉后裂縫的分布以及周邊植被長(zhǎng)勢(shì)來(lái)分析地裂縫對(duì)周邊植被覆蓋的影響。利用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的地裂縫分布圖,結(jié)合遙感影像和礦區(qū)地形,得到地裂縫的分布范圍。以地裂縫處植被覆蓋為參照,分析距地裂縫一定距離的植被覆蓋狀況,揭示地裂縫對(duì)周邊植被的影響范圍。隨機(jī)選取7條地裂縫具體分析裂縫對(duì)周邊植被破壞的程度,為裂縫治理提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)隸屬陜西省神木縣大柳煤鎮(zhèn)以及烏蘭木倫河以西中雞鎮(zhèn)所轄部分地區(qū),面積為370.13 km2[14],煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量為23.18億t,可采儲(chǔ)量為15.27億t,淺埋深,厚煤層,工作強(qiáng)度大,具有典型西部礦區(qū)特點(diǎn)[15]。該區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),常年降水量主要集中在7、8月,多年氣溫為28.1～38.9 ℃,降水量為251.3～646.5 mm,平均蒸發(fā)量為1 788.4 mm。地下水資源匱乏。區(qū)內(nèi)土地類(lèi)型為沙地、喬灌木林地、天然草地和裸巖地等。以沙蒿、沙柳和檸條為代表的沙生植被組合主要生長(zhǎng)于半固定沙地、固定沙地和沙地沙丘間低地[14]。該礦區(qū)屬于黃土高原中東部草原區(qū)暖溫型草原-灌木區(qū)。礦區(qū)植被以草本植物沙蒿和沙柳為主,長(zhǎng)勢(shì)良好,分布范圍廣,面積大[16]。礦區(qū)開(kāi)采后,地表經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期穩(wěn)沉,工作面上方大部分地裂縫會(huì)閉合,而有些地區(qū)的地裂縫卻長(zhǎng)期存在,影響著地表植被的生長(zhǎng),破壞周邊的生態(tài)環(huán)境。

2研究方法

2.1遙感影像與地形數(shù)據(jù)處理

首先對(duì)2012年7月5日獲取的WorldView 2高分影像進(jìn)行全色和多光譜融合,得到0.5 m融合影像;然后利用ENVI正射校正模塊結(jié)合礦區(qū)地形圖對(duì)遙感影像進(jìn)行正射校正,校正點(diǎn)主要選取道路交叉口,校正精度利用地形圖進(jìn)行矢量驗(yàn)證,誤差是0.5個(gè)像素。最后利用ENVI FLAASH模塊對(duì)遙感影像進(jìn)行大氣校正。

利用ArcGIS 10.0軟件將地形圖、井下開(kāi)采圖和地裂縫分布的CAD圖轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的ArcGIS 10.0矢量格式,然后利用ArcGIS 10.0軟件中坐標(biāo)定義系統(tǒng)工具對(duì)所有矢量文件進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)投影轉(zhuǎn)換,所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到WGS-84坐標(biāo)下,利用提取的等高線和高程點(diǎn)信息生成數(shù)字高程模型(DEM),重采樣精度與遙感圖像匹配。

2.2地物信息提取

2.2.1植被信息提取

歸一化差分植被指數(shù)(NDVI，INDV)能較好地反映植被覆蓋較低的區(qū)域,利用WorldView 2數(shù)據(jù)的紅光和近紅外波段提取的NDVI作為植被覆蓋特征。參照郭偉偉等[17]的植被覆蓋分級(jí)方法,并結(jié)合實(shí)地情況,將研究區(qū)植被分為5類(lèi):稀疏植被(INDV≤0.14)、較少植被(0.140.35)。利用ENVI 4.8軟件將地裂縫分布圖與NDVI密度分割圖疊加,以此來(lái)分析地裂縫區(qū)與非地裂縫區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì),以及地裂縫區(qū)周?chē)脖婚L(zhǎng)勢(shì)。同時(shí)將地裂縫區(qū)作為目標(biāo)區(qū)域,提取地裂縫區(qū)植被信息為后續(xù)工作做準(zhǔn)備。

2.2.2地裂縫及距地裂縫一定距離處植被信息提取

首先分析未閉合地裂縫的分布情況,了解其受地下采煤活動(dòng)的影響程度。然后分析地裂縫對(duì)周邊植被的影響范圍,為后期針對(duì)性地查找地裂縫進(jìn)行治理提出建議。利用ENVI 4.8軟件對(duì)地裂縫和植被覆蓋等級(jí)圖進(jìn)行疊加,發(fā)現(xiàn)在地裂縫處植被集中在前3個(gè)低植被覆蓋等級(jí),而茂密和高植被區(qū)分布在非地裂縫區(qū)。這表明地裂縫的存在確實(shí)對(duì)周邊環(huán)境造成了一定的破壞作用。地裂縫治理對(duì)生態(tài)建設(shè)尤為重要。

因此,在查明地裂縫分布規(guī)律的基礎(chǔ)上,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析確定地裂縫的大致影響范圍,再通過(guò)典型地裂縫確定具體影響范圍。選取大柳塔礦區(qū)2003、2004和2005年開(kāi)采的工作面為研究對(duì)象,現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)地裂縫共192條,最長(zhǎng)90 m,最寬0.6 m,最深2.6 m。利用該區(qū)2012年7月5日的四波段WorldView 2遙感影像提取植被信息。該區(qū)居民地少,覆蓋區(qū)內(nèi)主要為植被、裸地和公路等。收集該區(qū)的地形圖,在等高程下提取垂直于地裂縫一定距離的植被信息。

對(duì)192條地裂縫周邊植被進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,探索地裂縫對(duì)周邊植被的大致影響范圍。利用ArcGIS 10.0空間分析功能,以地裂縫為中心,以0.5 m空間分辨率的遙感影像為數(shù)據(jù)源,按距離裂縫遠(yuǎn)近建立間隔為0～1、>1～2和>2～3 m等15個(gè)緩沖區(qū),并利用緩沖區(qū)建立掩膜,提取每一個(gè)掩膜中NDVI均值,最后通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析相鄰距離間隔的NDVI均值信息判斷地裂縫對(duì)周邊植被的大致影響范圍。

2.2.3開(kāi)采區(qū)不同位置處地裂縫周邊植被信息的獲取

首先將遙感影像植被覆蓋圖導(dǎo)入ArcGIS 10.0軟件,并轉(zhuǎn)化為.grid的柵格格式作為植被信息底圖。尋找垂直于等高線的地裂縫,目的是消除高程、坡度等地形信息對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)的影響;由于ArcGIS 10.0本身提供的橫斷面剖面圖不能反映地裂縫對(duì)周邊的影響,若通過(guò)畫(huà)垂直線提取剖面也不適宜。因此通過(guò)建立垂直于地裂縫的柵格圖,柵格單元大小為10 m×0.5 m,提取距離地裂縫10 m以?xún)?nèi)的植被信息[18],利用ArcGIS 10.0的zonal statics命令提取每個(gè)柵格處的對(duì)應(yīng)植被和高程信息,最后利用Excel 2007軟件以距離和對(duì)應(yīng)位置處的NDVI均值信息作為相關(guān)因子進(jìn)行分析,最終確定不同采區(qū)位置處裂縫對(duì)植被的影響范圍。

3結(jié)果與分析

3.1地裂縫與高程、工作面及巷道布置的關(guān)系

地裂縫主要分布在平行和垂直于工作面推進(jìn)的2個(gè)方向。平行方向的地裂縫分布在開(kāi)切眼處、停采線、巷道工作面交叉和工作面上方;垂直方向有工作面相鄰的巷道處。這說(shuō)明開(kāi)切眼、停采線和巷道布設(shè)處生成的地裂縫自我修復(fù)較差,形成永久裂縫;在停采線附近裂縫也較多。圖1中地裂縫集中在地勢(shì)較高處,說(shuō)明地形起伏較大時(shí),地裂縫數(shù)呈增加趨勢(shì),如停采線和工作面上方,因此地形起伏減緩甚至抑制地裂縫自我閉合。而在地勢(shì)平坦地區(qū),地裂縫閉合較好。一方面,開(kāi)采深厚比減小使地下采煤活動(dòng)對(duì)地表影響相對(duì)較?。涣硪环矫?地勢(shì)較低更易獲得外來(lái)的補(bǔ)給,如水、土壤養(yǎng)分等。因此,在實(shí)際礦區(qū)治理時(shí)可以針對(duì)性地治理平行和垂直方向的地裂縫,以防止地裂縫使周邊環(huán)境進(jìn)一步惡化。

圖1　地形高程與地裂縫疊加結(jié)果

3.2地裂縫影響范圍的確定

3.2.1地裂縫總體影響趨勢(shì)

在較小范圍內(nèi),氣候、土壤等環(huán)境因子可視為不變量,因此可以地裂縫上方及周邊植被和距地裂縫距離作為相關(guān)變量進(jìn)行分析,判斷地裂縫周邊植被與距離之間的相關(guān)性,即視同一區(qū)域地裂縫區(qū)周?chē)脖桓采w主要影響因子是地裂縫,其他要素(地形、太陽(yáng)輻射等環(huán)境要素)為次要因素分析。

由表1可知,在距地裂縫距離2 m以?xún)?nèi),R2≥0.96,P<0.05,表明距地裂縫2 m內(nèi)的植被與地裂縫顯著相關(guān)。而>2 m處的植被,P均>0.05,說(shuō)明>2 m 處的植被很可能受到其他因素的影響。

3.2.2地裂縫影響范圍的確定

利用遙感技術(shù)對(duì)隨著距裂縫距離增加引起的植被覆蓋變化進(jìn)行分析。為了統(tǒng)計(jì)分析不受裂縫影響的植被覆蓋變化情況,主要根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況,將樣本距裂縫的距離最大設(shè)為7 m。由3.1節(jié)可知,地裂縫集中分布在高程較大處,且地裂縫與井下開(kāi)采的巷道、切眼和工作面息息相關(guān)。因此，選取垂直于等高線的7個(gè)樣本,以此來(lái)消除高程對(duì)地裂縫周邊植被的影響。但是由于垂直于地裂縫7 m以?xún)?nèi)的地形并不是完全處在同一個(gè)高程上,因此樣本盡可能按要求選取。這7個(gè)樣本分別為2004年開(kāi)切眼、停采線、2005年工作面末端與巷道交叉處、工作面上方(2處)以及相鄰工作面之間(2處)。地裂縫具體情況見(jiàn)表2。

表1距地裂縫等間距處植被與距地裂縫不同距離之間的相關(guān)性分析

Table 1Correlation analysis between vegetation along the fissure at a certain distance and different distance away from the fissure

距地裂縫距離/m R2P值0～10.990.001>1～20.960.01>2～30.900.13>3～40.860.23>4～50.790.60>5～60.740.23>6～70.690.40

表2地裂縫具體情況

Table 2Details of some selected fissures

代號(hào)位置長(zhǎng)度/m高程/mL1開(kāi)切眼391241L2停采線781244L3巷道與工作面交叉641267L4工作面上方1121264L5工作面上方681266L6相鄰工作面之間1081260L7相鄰工作面之間531262

圖2顯示,這7條地裂縫在起點(diǎn)基本處于上升趨勢(shì),這說(shuō)明地裂縫對(duì)周邊植被存在一定影響,主要原因是裂縫促使周?chē)终舭l(fā),而土壤溫度和水分在干旱半干旱區(qū)是影響土壤呼吸的主要因素,因此裂縫處土壤有效利用率降低,土壤養(yǎng)分貧瘠,植被長(zhǎng)勢(shì)受到影響。由圖2可知,受地裂縫影響范圍最大的是L5,最小的是L3,分別在5.5和2 m處趨于水平,其余基本在2.5～4 m內(nèi)波動(dòng)。波動(dòng)情況的不同很可能是由于地裂縫寬度以及常年受到周邊環(huán)境對(duì)自身修復(fù)速度影響所致。L2和L3位于地形起伏大、地勢(shì)較高處,L7位于塌陷坑較高位置。L2植被指數(shù)均值在4.3 m位置處于高峰隨后下降到原來(lái)的植被覆蓋水平,說(shuō)明在植被覆蓋較低時(shí),地裂縫對(duì)低植被覆蓋區(qū)植被恢復(fù)的抑制作用較大。當(dāng)距地裂縫距離達(dá)到4 m以上時(shí),植被覆蓋的變化相對(duì)更為平緩。盡管有稍微的變化,但主要是由于植被自然立地條件的異質(zhì)性引起。在L1和L6兩處,有規(guī)則的農(nóng)田且植被綠化較多,因此人為干擾下地裂縫相對(duì)影響作用減小。在工作面上方的地裂縫植被相對(duì)較好,說(shuō)明隨著工作面的開(kāi)采,地裂縫動(dòng)態(tài)閉合后后期自我修復(fù)較好。在生態(tài)修復(fù)中，工作人員應(yīng)針對(duì)地形起伏較大的地裂縫進(jìn)行重點(diǎn)治理,同時(shí)對(duì)工作面上方起伏較大的地區(qū)進(jìn)行合理綠化修復(fù)。

L1～L7分別為位于開(kāi)切眼、停采線、巷道與工作面交叉、工作面

4結(jié)論

在西部干旱半干旱礦區(qū),井工開(kāi)采對(duì)土地?fù)p傷最明顯的現(xiàn)象是沉陷與地裂縫,而地裂縫的出現(xiàn)不僅會(huì)加劇周邊水土流失,同時(shí)還將引起周邊植被的變化。因此,認(rèn)識(shí)地裂縫對(duì)其周邊植被的影響有助于探尋井工開(kāi)采對(duì)土地退化的影響規(guī)律。

(1)開(kāi)采穩(wěn)定后仍然未閉合的地裂縫主要集中在開(kāi)切眼、巷道與工作面交叉、地勢(shì)較高的工作面上方以及相鄰工作面之間;同時(shí),地勢(shì)也影響地裂縫數(shù)量,當(dāng)?shù)貏?shì)起伏較大時(shí),地裂縫明顯增多,植被影響范圍擴(kuò)大。

(2)地裂縫對(duì)周邊植被的影響大多集中在距離地裂縫4 m以?xún)?nèi),這主要是因?yàn)榈亓芽p處土壤水分變化明顯的范圍大概在距裂縫4 m左右。因此,應(yīng)及時(shí)治理地裂縫以減少其對(duì)周邊環(huán)境的影響。

(3)在實(shí)際的修復(fù)工作中,根據(jù)地裂縫的分布情況進(jìn)行生態(tài)重建,因此重點(diǎn)應(yīng)在垂直和平行于工作面推進(jìn)方向進(jìn)行重建,同時(shí)在植被覆蓋本身較低區(qū)域,需在地下開(kāi)采前就進(jìn)行植被重建;對(duì)于地形起伏較大的地區(qū),也要做好防患工作,防止因自然或人為因素使裂縫擴(kuò)大形成難以治理的沖蝕溝，造成對(duì)周邊植被影響的進(jìn)一步擴(kuò)大。

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(責(zé)任編輯： 李祥敏)

Impacts of Ground Subsidence and Fissures Caused by Coal Mining on Vegetation Coverage.

LIHai-xin1,LEIShao-gang2,SHENYan-qin2

(1.Huaxin Energy Ltd., Erdos 010399, China；2.School of Environment Science and Spatial Informatics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Abstract:Mining of shallow coal seams mining may cause formation of lots of fissures, some of which close automatically, while the others hardly close and then develop into permanent fissures. In ecological reconstruction, ground fissures and their surrounding vegetation covers is somewhat related to the effect of ecological reconstruction of the mining area. The working faces opened up in 2003, 2004 and 2005 in the Daliuta mining area were selected as examples for field investigation and statistical analysis of fissures. Firstly, based on the layouts of underground mining, distribution of permanent fissures was analyzed; basic information of permanent fissures and their surrounding vegetation covers was extracted with the aid of the ArcGIS 10.0 software; and then statistic analysis was performed of variation of the vegetation covers around the fissures. It was found that fissures were mainly distributed at open-off cuts, stopping lines, bordering of two working faces and intersection of tunnels, and the number of fissures rose with rising undulation degree of the terrain. Statistic regression analysis of 192 ground fissures shows that the vegetation 2 m away from permanent fissures is significantly and closely related to the fissures (P<0.05), while the vegetation >2 m away from fissures is not so much related (P>0.05), which indicates that the vegetation along the fissures is highly affected by other factors. Analysis of seven randomly selected permanent fissures shows that the fissures have some impact on the vegetation within 4 m alongside them.

Key words:coal mining;permanent fissure;destruction of vegetation

作者簡(jiǎn)介：李海欣(1980—),男,安徽淮南人,工程師,本科,從事采煤沉陷區(qū)綜合治理、環(huán)境保護(hù)管理等方面的工作。E-mail: 34763588@qq.com

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.004

中圖分類(lèi)號(hào)：X87；TD167

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-4831(2016)02-0195-05

通信作者①E-mail: lsgang@126.com

基金項(xiàng)目：教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-12-0956);國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)(2014FY110800)

收稿日期：2015-11-09