煤矿开采沉陷地裂缝对植被覆盖的影响

李海欣，雷少刚，申艳琴

(1.鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯　010399；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州　221116)



煤矿开采沉陷地裂缝对植被覆盖的影响

李海欣1，雷少刚2①，申艳琴2

(1.鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯010399；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州221116)

摘要：浅埋煤层开采引起地表出现大量地裂缝，部分地裂缝自我修复后闭合程度较好，但大部分地裂缝难以闭合而发展成为永久裂缝。在进行生态重建工作时，地裂缝及其周边植被状况关系到矿区生态重建的效果。以大柳塔矿区2003、2004和2005年开采的工作面为例，利用现场勘测和内业统计分析方法，首先结合井下开采布置图对地裂缝的空间分布进行分析，然后利用ArcGIS 10.0软件提取地裂缝及其周边植被信息，统计分析地裂缝周边植被指数均值变化情况。研究发现，地裂缝主要分布在开切眼、停采线、工作面相邻处以及巷道交叉处，且地裂缝数随地形起伏增大而增多；通过对192条地裂缝的统计回归分析发现，距地裂缝2 m范围内的植被与地裂缝显著相关(R2≥0.96，P<0.05)，而>2 m范围的植被与地裂缝相关性未达显著水平(P>0.05)，表明受到其他因子的影响较大；随机选取7条地裂缝，分析距地裂缝不同距离处植被指数均值变化情况，发现地裂缝对距其4 m范围内植被有影响。

关键词：煤炭开采；地裂缝；植被破坏

地下开采造成大量诱发自然灾害和破坏生态环境的潜在因子,地表对地下开采的响应敏感,包括地表变形[1]、地表裂缝、水污染和植被破坏[2]等。永久裂缝的形成滞后于开采活动,对地表的破坏必须依靠人工进行修复。西部矿区大多属于干旱半干旱区,降雨少,蒸发量大,而植被覆盖与温度和降水呈现显著性关系[3]。当裂缝存在时,其会加剧土壤水分的流失。西部地区煤炭资源丰富,埋层浅,基岩采厚比基本在4～20之间,地下开采很容易波及地表,造成大范围的地裂缝和塌陷地[4]。在采空塌陷地区内,地表土为风积沙,地裂缝经过雨水冲蚀和沙土渗漏可基本闭合;当表层为沙土或黄土时,超前于工作面形成的裂缝在工作面稳定后大部分闭合,部分滞后于工作面开采形成的裂缝经过自我修复也可以闭合,草本基本可恢复到开采前状态,但乔木、灌木等保土贡献大的植被长势明显衰退[5]。在黄土区某些地裂缝自我修复能力差,由于土壤温度和水分是影响干旱半干旱区土壤呼吸的主要因素[6],因此裂缝周边土壤营养成分和水分流失严重。

国内外学者在地裂缝成因、机理、规律和预测方法认识上具有相似性,根据所掌握的资料和侧重的专业理论分别从地质构造、地层地质条件和表层土壤特性进行研究[7-10]。关于煤炭开采地裂缝对生态环境的影响及地裂缝治理等方面的研究较少。西部黄土沟壑区浅埋煤层开采造成的地裂缝大量出现,导致水土流失、植被枯萎等生态环境灾害。目前,对采动地裂缝导致的水土流失规律及对浅层地下水和植被的影响程度研究很少,缺乏对采动地裂缝灾害的有效治理。有必要结合不同地形地貌特征以及不同裂缝深度、宽度和位置等对生态环境的影响进行深入研究[11]。

地裂缝从形态上可以分为拉伸型裂缝、塌陷型裂缝和滑动型裂缝。拉伸型裂缝是由于采动地表拉伸的变形超过地表松散层的抗拉伸极限造成的,其表现为横向开裂,宽度和深度都较小,这种裂缝随工作面先张开后逐渐闭合[12]。塌陷型裂缝则是由于顶板断裂导致覆岩和表土垮落而成,一般滞后于工作面开采,其表现为横向开裂且纵向下沉,宽度和深度较大。滑动型裂缝在地形起伏较大的山坡处较多。目前生态治理裂缝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对水文响应不同[13],因此,总体上植被呈现的长势有所不同。该文研究区裂缝主要为拉伸型裂缝和塌陷型裂缝,通过调查开采稳沉后裂缝的分布以及周边植被长势来分析地裂缝对周边植被覆盖的影响。利用现场调查的地裂缝分布图,结合遥感影像和矿区地形,得到地裂缝的分布范围。以地裂缝处植被覆盖为参照,分析距地裂缝一定距离的植被覆盖状况,揭示地裂缝对周边植被的影响范围。随机选取7条地裂缝具体分析裂缝对周边植被破坏的程度,为裂缝治理提供理论依据与技术参考。

1研究区概况

研究区隶属陕西省神木县大柳煤镇以及乌兰木伦河以西中鸡镇所辖部分地区,面积为370.13 km2[14],煤炭地质储量为23.18亿t,可采储量为15.27亿t,浅埋深,厚煤层,工作强度大,具有典型西部矿区特点[15]。该区属半干旱大陆性季风气候区,常年降水量主要集中在7、8月,多年气温为28.1～38.9 ℃,降水量为251.3～646.5 mm,平均蒸发量为1 788.4 mm。地下水资源匮乏。区内土地类型为沙地、乔灌木林地、天然草地和裸岩地等。以沙蒿、沙柳和柠条为代表的沙生植被组合主要生长于半固定沙地、固定沙地和沙地沙丘间低地[14]。该矿区属于黄土高原中东部草原区暖温型草原-灌木区。矿区植被以草本植物沙蒿和沙柳为主,长势良好,分布范围广,面积大[16]。矿区开采后,地表经过长期稳沉,工作面上方大部分地裂缝会闭合,而有些地区的地裂缝却长期存在,影响着地表植被的生长,破坏周边的生态环境。

2研究方法

2.1遥感影像与地形数据处理

首先对2012年7月5日获取的WorldView 2高分影像进行全色和多光谱融合,得到0.5 m融合影像;然后利用ENVI正射校正模块结合矿区地形图对遥感影像进行正射校正,校正点主要选取道路交叉口,校正精度利用地形图进行矢量验证,误差是0.5个像素。最后利用ENVI FLAASH模块对遥感影像进行大气校正。

利用ArcGIS 10.0软件将地形图、井下开采图和地裂缝分布的CAD图转化为统一的ArcGIS 10.0矢量格式,然后利用ArcGIS 10.0软件中坐标定义系统工具对所有矢量文件进行坐标系统投影转换,所有数据统一到WGS-84坐标下,利用提取的等高线和高程点信息生成数字高程模型(DEM),重采样精度与遥感图像匹配。

2.2地物信息提取

2.2.1植被信息提取

归一化差分植被指数(NDVI，INDV)能较好地反映植被覆盖较低的区域,利用WorldView 2数据的红光和近红外波段提取的NDVI作为植被覆盖特征。参照郭伟伟等[17]的植被覆盖分级方法,并结合实地情况,将研究区植被分为5类:稀疏植被(INDV≤0.14)、较少植被(0.140.35)。利用ENVI 4.8软件将地裂缝分布图与NDVI密度分割图叠加,以此来分析地裂缝区与非地裂缝区植被长势,以及地裂缝区周围植被长势。同时将地裂缝区作为目标区域,提取地裂缝区植被信息为后续工作做准备。

2.2.2地裂缝及距地裂缝一定距离处植被信息提取

首先分析未闭合地裂缝的分布情况,了解其受地下采煤活动的影响程度。然后分析地裂缝对周边植被的影响范围,为后期针对性地查找地裂缝进行治理提出建议。利用ENVI 4.8软件对地裂缝和植被覆盖等级图进行叠加,发现在地裂缝处植被集中在前3个低植被覆盖等级,而茂密和高植被区分布在非地裂缝区。这表明地裂缝的存在确实对周边环境造成了一定的破坏作用。地裂缝治理对生态建设尤为重要。

因此,在查明地裂缝分布规律的基础上,通过统计分析确定地裂缝的大致影响范围,再通过典型地裂缝确定具体影响范围。选取大柳塔矿区2003、2004和2005年开采的工作面为研究对象,现场勘测地裂缝共192条,最长90 m,最宽0.6 m,最深2.6 m。利用该区2012年7月5日的四波段WorldView 2遥感影像提取植被信息。该区居民地少,覆盖区内主要为植被、裸地和公路等。收集该区的地形图,在等高程下提取垂直于地裂缝一定距离的植被信息。

对192条地裂缝周边植被进行统计分析,探索地裂缝对周边植被的大致影响范围。利用ArcGIS 10.0空间分析功能,以地裂缝为中心,以0.5 m空间分辨率的遥感影像为数据源,按距离裂缝远近建立间隔为0～1、>1～2和>2～3 m等15个缓冲区,并利用缓冲区建立掩膜,提取每一个掩膜中NDVI均值,最后通过统计分析相邻距离间隔的NDVI均值信息判断地裂缝对周边植被的大致影响范围。

2.2.3开采区不同位置处地裂缝周边植被信息的获取

首先将遥感影像植被覆盖图导入ArcGIS 10.0软件,并转化为.grid的栅格格式作为植被信息底图。寻找垂直于等高线的地裂缝,目的是消除高程、坡度等地形信息对植被长势的影响;由于ArcGIS 10.0本身提供的横断面剖面图不能反映地裂缝对周边的影响,若通过画垂直线提取剖面也不适宜。因此通过建立垂直于地裂缝的栅格图,栅格单元大小为10 m×0.5 m,提取距离地裂缝10 m以内的植被信息[18],利用ArcGIS 10.0的zonal statics命令提取每个栅格处的对应植被和高程信息,最后利用Excel 2007软件以距离和对应位置处的NDVI均值信息作为相关因子进行分析,最终确定不同采区位置处裂缝对植被的影响范围。

3结果与分析

3.1地裂缝与高程、工作面及巷道布置的关系

地裂缝主要分布在平行和垂直于工作面推进的2个方向。平行方向的地裂缝分布在开切眼处、停采线、巷道工作面交叉和工作面上方;垂直方向有工作面相邻的巷道处。这说明开切眼、停采线和巷道布设处生成的地裂缝自我修复较差,形成永久裂缝;在停采线附近裂缝也较多。图1中地裂缝集中在地势较高处,说明地形起伏较大时,地裂缝数呈增加趋势,如停采线和工作面上方,因此地形起伏减缓甚至抑制地裂缝自我闭合。而在地势平坦地区,地裂缝闭合较好。一方面,开采深厚比减小使地下采煤活动对地表影响相对较小；另一方面,地势较低更易获得外来的补给,如水、土壤养分等。因此,在实际矿区治理时可以针对性地治理平行和垂直方向的地裂缝,以防止地裂缝使周边环境进一步恶化。

图1　地形高程与地裂缝叠加结果

3.2地裂缝影响范围的确定

3.2.1地裂缝总体影响趋势

在较小范围内,气候、土壤等环境因子可视为不变量,因此可以地裂缝上方及周边植被和距地裂缝距离作为相关变量进行分析,判断地裂缝周边植被与距离之间的相关性,即视同一区域地裂缝区周围植被覆盖主要影响因子是地裂缝,其他要素(地形、太阳辐射等环境要素)为次要因素分析。

由表1可知,在距地裂缝距离2 m以内,R2≥0.96,P<0.05,表明距地裂缝2 m内的植被与地裂缝显著相关。而>2 m处的植被,P均>0.05,说明>2 m 处的植被很可能受到其他因素的影响。

3.2.2地裂缝影响范围的确定

利用遥感技术对随着距裂缝距离增加引起的植被覆盖变化进行分析。为了统计分析不受裂缝影响的植被覆盖变化情况,主要根据实地调查情况,将样本距裂缝的距离最大设为7 m。由3.1节可知,地裂缝集中分布在高程较大处,且地裂缝与井下开采的巷道、切眼和工作面息息相关。因此，选取垂直于等高线的7个样本,以此来消除高程对地裂缝周边植被的影响。但是由于垂直于地裂缝7 m以内的地形并不是完全处在同一个高程上,因此样本尽可能按要求选取。这7个样本分别为2004年开切眼、停采线、2005年工作面末端与巷道交叉处、工作面上方(2处)以及相邻工作面之间(2处)。地裂缝具体情况见表2。

表1距地裂缝等间距处植被与距地裂缝不同距离之间的相关性分析

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

距地裂缝距离/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地裂缝具体情况

Table 2Details of some selected fissures

代号位置长度/m高程/mL1开切眼391241L2停采线781244L3巷道与工作面交叉641267L4工作面上方1121264L5工作面上方681266L6相邻工作面之间1081260L7相邻工作面之间531262

图2显示,这7条地裂缝在起点基本处于上升趋势,这说明地裂缝对周边植被存在一定影响,主要原因是裂缝促使周围水分蒸发,而土壤温度和水分在干旱半干旱区是影响土壤呼吸的主要因素,因此裂缝处土壤有效利用率降低,土壤养分贫瘠,植被长势受到影响。由图2可知,受地裂缝影响范围最大的是L5,最小的是L3,分别在5.5和2 m处趋于水平,其余基本在2.5～4 m内波动。波动情况的不同很可能是由于地裂缝宽度以及常年受到周边环境对自身修复速度影响所致。L2和L3位于地形起伏大、地势较高处,L7位于塌陷坑较高位置。L2植被指数均值在4.3 m位置处于高峰随后下降到原来的植被覆盖水平,说明在植被覆盖较低时,地裂缝对低植被覆盖区植被恢复的抑制作用较大。当距地裂缝距离达到4 m以上时,植被覆盖的变化相对更为平缓。尽管有稍微的变化,但主要是由于植被自然立地条件的异质性引起。在L1和L6两处,有规则的农田且植被绿化较多,因此人为干扰下地裂缝相对影响作用减小。在工作面上方的地裂缝植被相对较好,说明随着工作面的开采,地裂缝动态闭合后后期自我修复较好。在生态修复中，工作人员应针对地形起伏较大的地裂缝进行重点治理,同时对工作面上方起伏较大的地区进行合理绿化修复。

L1～L7分别为位于开切眼、停采线、巷道与工作面交叉、工作面

4结论

在西部干旱半干旱矿区,井工开采对土地损伤最明显的现象是沉陷与地裂缝,而地裂缝的出现不仅会加剧周边水土流失,同时还将引起周边植被的变化。因此,认识地裂缝对其周边植被的影响有助于探寻井工开采对土地退化的影响规律。

(1)开采稳定后仍然未闭合的地裂缝主要集中在开切眼、巷道与工作面交叉、地势较高的工作面上方以及相邻工作面之间;同时,地势也影响地裂缝数量,当地势起伏较大时,地裂缝明显增多,植被影响范围扩大。

(2)地裂缝对周边植被的影响大多集中在距离地裂缝4 m以内,这主要是因为地裂缝处土壤水分变化明显的范围大概在距裂缝4 m左右。因此,应及时治理地裂缝以减少其对周边环境的影响。

(3)在实际的修复工作中,根据地裂缝的分布情况进行生态重建,因此重点应在垂直和平行于工作面推进方向进行重建,同时在植被覆盖本身较低区域,需在地下开采前就进行植被重建;对于地形起伏较大的地区,也要做好防患工作,防止因自然或人为因素使裂缝扩大形成难以治理的冲蚀沟，造成对周边植被影响的进一步扩大。

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(责任编辑： 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

作者简介：李海欣(1980—),男,安徽淮南人,工程师,本科,从事采煤沉陷区综合治理、环境保护管理等方面的工作。E-mail: 34763588@qq.com

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.004

中图分类号：X87；TD167

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)02-0195-05

通信作者①E-mail: lsgang@126.com

基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-12-0956);国家科技基础性工作专项(2014FY110800)

收稿日期：2015-11-09