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探讨煤炭开采地裂缝存在对地表植被覆盖的影响

2020-06-16 250 上传者：管理员

摘要：以官地煤矿与天龙山森林公园重叠区采煤工作面地表塌陷区为研究对象，采用现场勘探和统计法对地裂缝发育情况进行统计，用ArcGIS软件将地裂缝展布与采掘工程平面图、地形图叠加，分析地裂缝存在对地表植被覆盖影响。研究表明：煤炭开采后地裂缝主要发育在采面切眼、停采线、护巷煤柱两侧及巷道交汇处，在地表起伏明显区域地裂缝数量明显增加；距地裂缝2m以内的植被覆盖与地裂缝关联度大，2m以外则关联度不明显；地裂缝对其附近4m范围内的植被生长影响明显。

关键词：
地表植被
地裂缝
天龙山森林公园
植物学
植被破坏
煤炭开采
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煤炭开采引起地面沉陷并产生裂隙，会在一定程度上破坏地面生态环境[1]。地表植被对地下煤炭开采引起的地表沉陷、裂缝，污水排放等较为敏感[2,3]。地面沉陷、裂缝等往往滞后于采掘活动，开采引起的地表破坏需要人工进行修整[4]。山西地区缺水少雨，蒸发量大，当煤炭开采引起地面裂缝后会造成一定程度的水分、土壤流失，给植被生长带来不利影响。

1、矿井概况

官地煤矿位于西山煤田东部，地处吕梁山山脉中麓，井田地表地形总体呈东北低西南高趋势，海拔最高1005m，最低860m。井田范围内山高坡陡、沟谷纵横，大部分基岩出现裸露，地表多被植被覆盖，以灌木、松林为主。矿井核定生产能力为390万t/a，井田面积78.33km2，开采2、3、6、8、9煤，可采储量剩余约6.43×109t，采用综合机械化采煤工艺，全部垮落法控制顶板。

官地煤矿与邻近的天龙山森林公园间有38.6km2的重叠区，压覆煤炭约3.3×109t，具体如图1所示。矿井从20世纪60年代建矿开采，至今已开采面积（含浅部小煤窑开采采空区）44.03km2，占井田面积约56.22%，其中有11.246km2的采空区位于官地煤矿与天龙山森林公园重叠区，约占重叠区面积29.14%。

图1官地煤矿与天龙山森林公园重叠区位置示意

2、煤炭开采后地表裂缝展布分析

煤炭开采后地裂隙展布以平行和垂直采面两个推进方向为主[5]。垂直采面推进方向裂隙主要发育在工作面切眼、终采线以及巷道交汇处；平行于采面推进方向的裂隙主要发育在护巷煤柱两侧。采用ArcGIS软件将矿区地形图、采掘工程平面图以及地面裂缝分布图转化为统一的矢量图如图2所示。

图2地表裂缝展布示意

图2可以看出，地面裂缝发育在地势较高区域，在地势起伏明显区域裂缝数量呈增加趋势，例如在停采线以及采煤工作面上方，由于地势变化平缓，开采引起的地面裂缝闭合程度较好；在工作面切眼、停采线以及巷道交汇处形成的难以闭合的永久地表裂隙，其中停采线附近裂隙较为发育；采煤高度（M）与埋深（H）比值越小，采掘活动对地面影响越不明显；在地表地势较低位置，植被更容易获取水分、土壤养分等。因此，为防止因煤炭开采引起的地表裂缝对地表植被影响进一步恶化，应采取有针对性的防治措施。

3、地裂缝对植被的影响

3.1关联性分析

分析同一区域地表植被与地裂缝之间关系。在较小的空间范围内，可将环境因子、土壤及气候等均认为是不变量，植被与地裂缝间距离作为变量，即将地裂缝作为影响植被发育的主因素，将地形、太阳照射等其他因素作为次要因素分析。对地表形成的134条地裂缝不同距离处植被生长关联性统计归纳数据如表1所列。

表1地裂缝不同距离处植被生长关联性统计归纳数据

从表1中可以看出，在距地裂缝2m范围内R2≥0.95,P<0.05，表明在地裂缝两侧2m范围内植被受地裂缝影响显著；在距地裂缝2m以外，P值均大于0.05,R2均小于0.9，表明植被在距离地裂缝2m以外受其他因素影响明显。总的来说，在距地裂缝2m以内的植被生长与地裂缝关联度大，在2m以外关联度不明显。

3.2地裂缝的选取

采用遥感技术对地裂缝给地表植被覆盖造成影响进行动态分析，并结合实地调查法对植被覆盖变化情况进行统计，将统计范围最大位置设在距离地裂缝7m处。由前面分析可知，地裂缝发育与地表高程落差、巷道布置、切眼、终采线等位置密切相关，因而将取样点设置在等高线相接近的7个位置，分别是2002年开采的工作面切眼、停采线，2013年开采的工作面末端与邻近巷道的交叉口位置（1处）、采空区上方（2处）、护巷煤柱侧边（2处），具体的地裂缝展数据如表2所列。

表2地裂缝展布数据

3.3地裂缝对植被生长影响

NDVI（归一化植被指数）可以较好地对地表植被覆盖情况进行描述，参考相关文献[6,7],将研究区的地表植被覆盖进行分级，具体如表3所列。随机选取7条地裂缝对周边植被覆盖影响情况进行分析，具体如图3所示。

表3植被覆盖分级指标

图3距地裂缝不同距离的植被覆盖影响变化

由图3可以得知，地裂缝DL5达到5.5m，对周边植被生长影响最广；地裂缝DL3在2m时对植被生长影响范围最小；其余的DL1、DL2、DL4、DL6、DL7地裂缝对植被生长影响范围在2.5～4m。这主要是由于地裂缝的存在使得周边水分蒸发增加，而在山西土壤水分、温度等是影响土壤呼吸的主控因素。

造成地裂缝影响范围波动的原因是地裂缝宽度、周边环境自身修复速度等。DL2、DL3地形较高，处在地表起伏较大位置，DL7处于采空塌陷区位置较高处。

DL2植被指数在距离地裂缝4.4m位置处于高峰，随着与地裂缝距离增加，迅速降低至原有的植被覆盖水平，表明地裂缝对植被覆盖有较明显的抑制作用；当与地裂缝距离达到4m以上时，地表植被的覆盖变化趋势不明显，出现的少许变动主要是受自然条件影响。在DL1以及DL6两处地裂缝位置，地表植被较多，人为因素对地裂缝产生的干扰作用减弱。

在工作面上方的地裂缝（DL4、DL5）植被覆盖度相对较好，随着煤炭的开采，地裂缝逐渐闭合，后期具有较好的自我修复能力。

4、结语

（1）煤炭开采地表塌陷稳定后，地裂缝未闭合区域主要发生在采面切眼、停采线、护巷煤柱两侧，地势较高塌陷区上方；地表地势变化越为明显区域、地裂缝发育越多，对植被生长影响越为明显。

（2）地裂缝对植被生长影响明显范围在地裂缝周边4m内，因此应及时对地表的未闭合地裂缝进行治理，降低对周边植被生长影响。

（3）开采引起地表植被出现较大破坏主要发生在地裂缝周边2m范围内，地表草植等出现一定程度倾斜，大型灌木完好，整体来说，矿井开采对地表植影响不明显。

今后在开采官地煤矿与天龙山森林公园间未采的重叠区时，随着煤层埋深增加，采高（M）与采深（H）比值降低，开采对地表影响减弱，引起的地裂缝发育及地表沉陷较已采区也会有所降低；且在采面布置时应根据地形、地表植被覆盖情况等合理选择，尽量避免将切眼或者停采线布置在地表起伏较大区域；当采面上方有珍贵的植被时，避免将停采线或者切眼布置在该树木群下，降低开采对珍贵植被影响。另外，矿井可以采取填充式开采等方法，减少重复采动对地表的影响，加大地表恢复力度，保护地表植被，为后续采煤工作面布置等提供一定的指导。

参考文献：

[1]白宇.采矿扰动区地表植被指数时空变化分析研究[D].太原:太原理工大学,2017.

[2]战友,朱亚威,李立欣.煤矿井工开采过程产生的生态影响及生态恢复研究[J].山西建筑,2017,43(26):173-174.

[3]徐占军,冯俊芳,张媛,等.工作面开采沉陷对农田土壤和植被碳库扰动预评价[J].煤炭学报,2018,43(9):2605-2617.

[4]王丽,雷少刚,卞正富.系统视角下中国西部煤炭开采生态损伤与自然修复研究综述[J].资源开发与市场,2017,33(10):1188-1192.

[5]赵会君.煤矿开采对植被和土壤的影响及植被恢复策略[J].安徽农业科学,2017,45(27):93-94,130.

[6]杨亮亮,苏晓刚,袁蹈.基于NDVI的天长县植被覆盖度动态变化分析[J].黑龙江工程学院学报,2019,33(1):13-16.

[7]苗凯,施冬.基于NDVI的晋城市植被覆盖度变化分析[J].科技经济导刊,2019,27(12):135.

武威.煤炭开采对地表森林植被影响分析[J].煤炭科技,2020,41(02):5-8.