煤礦開采沉陷地裂縫對植被覆蓋的影響

李海欣，雷少剛，申艷琴

(1.鄂爾多斯市華興能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯　010399；2.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州　221116)

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煤礦開采沉陷地裂縫對植被覆蓋的影響

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任公司，內蒙古 鄂爾多斯010399；2.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州221116)

摘要：淺埋煤層開采引起地表出現大量地裂縫，部分地裂縫自我修復后閉合程度較好，但大部分地裂縫難以閉合而發展成為永久裂縫。在進行生態重建工作時，地裂縫及其周邊植被狀況關系到礦區生態重建的效果。以大柳塔礦區2003、2004和2005年開采的工作面為例，利用現場勘測和內業統計分析方法，首先結合井下開采布置圖對地裂縫的空間分布進行分析，然后利用ArcGIS 10.0軟件提取地裂縫及其周邊植被信息，統計分析地裂縫周邊植被指數均值變化情況。研究發現，地裂縫主要分布在開切眼、停采線、工作面相鄰處以及巷道交叉處，且地裂縫數隨地形起伏增大而增多；通過對192條地裂縫的統計回歸分析發現，距地裂縫2 m范圍內的植被與地裂縫顯著相關(R2≥0.96，P<0.05)，而>2 m范圍的植被與地裂縫相關性未達顯著水平(P>0.05)，表明受到其他因子的影響較大；隨機選取7條地裂縫，分析距地裂縫不同距離處植被指數均值變化情況，發現地裂縫對距其4 m范圍內植被有影響。

關鍵詞：煤炭開采；地裂縫；植被破壞

地下開采造成大量誘發自然災害和破壞生態環境的潛在因子,地表對地下開采的響應敏感,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采活動,對地表的破壞必須依靠人工進行修復。西部礦區大多屬于干旱半干旱區,降雨少,蒸發量大,而植被覆蓋與溫度和降水呈現顯著性關系[3]。當裂縫存在時,其會加劇土壤水分的流失。西部地區煤炭資源豐富,埋層淺,基巖采厚比基本在4～20之間,地下開采很容易波及地表,造成大范圍的地裂縫和塌陷地[4]。在采空塌陷地區內,地表土為風積沙,地裂縫經過雨水沖蝕和沙土滲漏可基本閉合;當表層為沙土或黃土時,超前于工作面形成的裂縫在工作面穩定后大部分閉合,部分滯后于工作面開采形成的裂縫經過自我修復也可以閉合,草本基本可恢復到開采前狀態,但喬木、灌木等保土貢獻大的植被長勢明顯衰退[5]。在黃土區某些地裂縫自我修復能力差,由于土壤溫度和水分是影響干旱半干旱區土壤呼吸的主要因素[6],因此裂縫周邊土壤營養成分和水分流失嚴重。

國內外學者在地裂縫成因、機理、規律和預測方法認識上具有相似性,根據所掌握的資料和側重的專業理論分別從地質構造、地層地質條件和表層土壤特性進行研究[7-10]。關于煤炭開采地裂縫對生態環境的影響及地裂縫治理等方面的研究較少。西部黃土溝壑區淺埋煤層開采造成的地裂縫大量出現,導致水土流失、植被枯萎等生態環境災害。目前,對采動地裂縫導致的水土流失規律及對淺層地下水和植被的影響程度研究很少,缺乏對采動地裂縫災害的有效治理。有必要結合不同地形地貌特征以及不同裂縫深度、寬度和位置等對生態環境的影響進行深入研究[11]。

地裂縫從形態上可以分為拉伸型裂縫、塌陷型裂縫和滑動型裂縫。拉伸型裂縫是由于采動地表拉伸的變形超過地表松散層的抗拉伸極限造成的,其表現為橫向開裂,寬度和深度都較小,這種裂縫隨工作面先張開后逐漸閉合[12]。塌陷型裂縫則是由于頂板斷裂導致覆巖和表土垮落而成,一般滯后于工作面開采,其表現為橫向開裂且縱向下沉,寬度和深度較大?；瑒有土芽p在地形起伏較大的山坡處較多。目前生態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水文響應不同[13],因此,總體上植被呈現的長勢有所不同。該文研究區裂縫主要為拉伸型裂縫和塌陷型裂縫,通過調查開采穩沉后裂縫的分布以及周邊植被長勢來分析地裂縫對周邊植被覆蓋的影響。利用現場調查的地裂縫分布圖,結合遙感影像和礦區地形,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,揭示地裂縫對周邊植被的影響范圍。隨機選取7條地裂縫具體分析裂縫對周邊植被破壞的程度,為裂縫治理提供理論依據與技術參考。

1研究區概況

研究區隸屬陜西省神木縣大柳煤鎮以及烏蘭木倫河以西中雞鎮所轄部分地區,面積為370.13 km2[14],煤炭地質儲量為23.18億t,可采儲量為15.27億t,淺埋深,厚煤層,工作強度大,具有典型西部礦區特點[15]。該區屬半干旱大陸性季風氣候區,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,平均蒸發量為1 788.4 mm。地下水資源匱乏。區內土地類型為沙地、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于半固定沙地、固定沙地和沙地沙丘間低地[14]。該礦區屬于黃土高原中東部草原區暖溫型草原-灌木區。礦區植被以草本植物沙蒿和沙柳為主,長勢良好,分布范圍廣,面積大[16]。礦區開采后,地表經過長期穩沉,工作面上方大部分地裂縫會閉合,而有些地區的地裂縫卻長期存在,影響著地表植被的生長,破壞周邊的生態環境。

2研究方法

2.1遙感影像與地形數據處理

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

利用ArcGIS 10.0軟件將地形圖、井下開采圖和地裂縫分布的CAD圖轉化為統一的ArcGIS 10.0矢量格式,然后利用ArcGIS 10.0軟件中坐標定義系統工具對所有矢量文件進行坐標系統投影轉換,所有數據統一到WGS-84坐標下,利用提取的等高線和高程點信息生成數字高程模型(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(NDVI，INDV)能較好地反映植被覆蓋較低的區域,利用WorldView 2數據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]的植被覆蓋分級方法,并結合實地情況,將研究區植被分為5類: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,以此來分析地裂縫區與非地裂縫區植被長勢,以及地裂縫區周圍植被長勢。同時將地裂縫區作為目標區域,提取地裂縫區植被信息為后續工作做準備。

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的影響程度。然后分析地裂縫對周邊植被的影響范圍,為后期針對性地查找地裂縫進行治理提出建議。利用ENVI 4.8軟件對地裂縫和植被覆蓋等級圖進行疊加,發現在地裂縫處植被集中在前3個低植被覆蓋等級,而茂密和高植被區分布在非地裂縫區。這表明地裂縫的存在確實對周邊環境造成了一定的破壞作用。地裂縫治理對生態建設尤為重要。

因此,在查明地裂縫分布規律的基礎上,通過統計分析確定地裂縫的大致影響范圍,再通過典型地裂縫確定具體影響范圍。選取大柳塔礦區2003、2004和2005年開采的工作面為研究對象,現場勘測地裂縫共192條,最長90 m,最寬0.6 m,最深2.6 m。利用該區2012年7月5日的四波段WorldView 2遙感影像提取植被信息。該區居民地少,覆蓋區內主要為植被、裸地和公路等。收集該區的地形圖,在等高程下提取垂直于地裂縫一定距離的植被信息。

對192條地裂縫周邊植被進行統計分析,探索地裂縫對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據源,按距離裂縫遠近建立間隔為0～1、>1～2和>2～3 m等15個緩沖區,并利用緩沖區建立掩膜,提取每一個掩膜中NDVI均值,最后通過統計分析相鄰距離間隔的NDVI均值信息判斷地裂縫對周邊植被的大致影響范圍。

2.2.3開采區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入ArcGIS 10.0軟件,并轉化為.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、坡度等地形信息對植被長勢的影響;由于ArcGIS 10.0本身提供的橫斷面剖面圖不能反映地裂縫對周邊的影響,若通過畫垂直線提取剖面也不適宜。因此通過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以內的植被信息[18],利用ArcGIS 10.0的zonal statics命令提取每個柵格處的對應植被和高程信息,最后利用Excel 2007軟件以距離和對應位置處的NDVI均值信息作為相關因子進行分析,最終確定不同采區位置處裂縫對植被的影響范圍。

3結果與分析

3.1地裂縫與高程、工作面及巷道布置的關系

地裂縫主要分布在平行和垂直于工作面推進的2個方向。平行方向的地裂縫分布在開切眼處、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。這說明開切眼、停采線和巷道布設處生成的地裂縫自我修復較差,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較高處,說明地形起伏較大時,地裂縫數呈增加趨勢,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。而在地勢平坦地區,地裂縫閉合較好。一方面,開采深厚比減小使地下采煤活動對地表影響相對較??；另一方面,地勢較低更易獲得外來的補給,如水、土壤養分等。因此,在實際礦區治理時可以針對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境進一步惡化。

圖1　地形高程與地裂縫疊加結果

3.2地裂縫影響范圍的確定

3.2.1地裂縫總體影響趨勢

在較小范圍內,氣候、土壤等環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變量進行分析,判斷地裂縫周邊植被與距離之間的相關性,即視同一區域地裂縫區周圍植被覆蓋主要影響因子是地裂縫,其他要素(地形、太陽輻射等環境要素)為次要因素分析。

由表1可知,在距地裂縫距離2 m以內,R2≥0.96,P<0.05,表明距地裂縫2 m內的植被與地裂縫顯著相關。而>2 m處的植被,P均>0.05,說明>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

利用遙感技術對隨著距裂縫距離增加引起的植被覆蓋變化進行分析。為了統計分析不受裂縫影響的植被覆蓋變化情況,主要根據實地調查情況,將樣本距裂縫的距離最大設為7 m。由3.1節可知,地裂縫集中分布在高程較大處,且地裂縫與井下開采的巷道、切眼和工作面息息相關。因此，選取垂直于等高線的7個樣本,以此來消除高程對地裂縫周邊植被的影響。但是由于垂直于地裂縫7 m以內的地形并不是完全處在同一個高程上,因此樣本盡可能按要求選取。這7個樣本分別為2004年開切眼、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

代號位置長度/m高程/mL1開切眼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條地裂縫在起點基本處于上升趨勢,這說明地裂縫對周邊植被存在一定影響,主要原因是裂縫促使周圍水分蒸發,而土壤溫度和水分在干旱半干旱區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,土壤養分貧瘠,植被長勢受到影響。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內波動。波動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境對自身修復速度影響所致。L2和L3位于地形起伏大、地勢較高處,L7位于塌陷坑較高位置。L2植被指數均值在4.3 m位置處于高峰隨后下降到原來的植被覆蓋水平,說明在植被覆蓋較低時,地裂縫對低植被覆蓋區植被恢復的抑制作用較大。當距地裂縫距離達到4 m以上時,植被覆蓋的變化相對更為平緩。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性引起。在L1和L6兩處,有規則的農田且植被綠化較多,因此人為干擾下地裂縫相對影響作用減小。在工作面上方的地裂縫植被相對較好,說明隨著工作面的開采,地裂縫動態閉合后后期自我修復較好。在生態修復中，工作人員應針對地形起伏較大的地裂縫進行重點治理,同時對工作面上方起伏較大的地區進行合理綠化修復。

L1～L7分別為位于開切眼、停采線、巷道與工作面交叉、工作面

4結論

在西部干旱半干旱礦區,井工開采對土地損傷最明顯的現象是沉陷與地裂縫,而地裂縫的出現不僅會加劇周邊水土流失,同時還將引起周邊植被的變化。因此,認識地裂縫對其周邊植被的影響有助于探尋井工開采對土地退化的影響規律。

(1)開采穩定后仍然未閉合的地裂縫主要集中在開切眼、巷道與工作面交叉、地勢較高的工作面上方以及相鄰工作面之間;同時,地勢也影響地裂縫數量,當地勢起伏較大時,地裂縫明顯增多,植被影響范圍擴大。

(2)地裂縫對周邊植被的影響大多集中在距離地裂縫4 m以內,這主要是因為地裂縫處土壤水分變化明顯的范圍大概在距裂縫4 m左右。因此,應及時治理地裂縫以減少其對周邊環境的影響。

(3)在實際的修復工作中,根據地裂縫的分布情況進行生態重建,因此重點應在垂直和平行于工作面推進方向進行重建,同時在植被覆蓋本身較低區域,需在地下開采前就進行植被重建;對于地形起伏較大的地區,也要做好防患工作,防止因自然或人為因素使裂縫擴大形成難以治理的沖蝕溝，造成對周邊植被影響的進一步擴大。

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(責任編輯： 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

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

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.004

中圖分類號：X87；TD167

文獻標志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)02-0195-05

通信作者①E-mail: lsgang@126.com

基金項目：教育部新世紀優秀人才支持計劃(NCET-12-0956);國家科技基礎性工作專項(2014FY110800)

收稿日期：2015-11-09