新疆葦湖梁煤礦塌陷區(qū)的動態(tài)監(jiān)測分析

杜茜詩慧, 于 浩, 孫衛(wèi)東, 周可法, 王金林, 劉盈娣

(1.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所, 新疆礦產(chǎn)資源研究中心, 烏魯木齊 830011;2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局信息中心, 烏魯木齊 830000)

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新疆葦湖梁煤礦塌陷區(qū)的動態(tài)監(jiān)測分析

杜茜詩慧1,2, 于 浩3, 孫衛(wèi)東3, 周可法1, 王金林1, 劉盈娣1,2

(1.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所, 新疆礦產(chǎn)資源研究中心, 烏魯木齊 830011;2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局信息中心, 烏魯木齊 830000)

由于采煤塌陷常常會帶來環(huán)境惡化、土地沉降等問題，這成為了制約城市快速發(fā)展的瓶頸。以新疆葦湖梁煤礦塌陷區(qū)作為研究區(qū)，通過2002年、2006年、2009年和2013年4期預(yù)處理后的高分遙感影像為基礎(chǔ)，采用人機(jī)交互的解譯方法對塌陷區(qū)的相關(guān)信息進(jìn)行提取，并結(jié)合空間格局和動態(tài)度的方法對地面塌陷信息進(jìn)行定性研究與定量分析。結(jié)果表明，葦湖梁煤礦塌陷區(qū)逐漸向東擴(kuò)展，塌陷區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量呈持續(xù)上升趨勢，尤其是2006—2009年地質(zhì)災(zāi)害增速最快；2002—2013年塌陷回填區(qū)面積增加了92.45 hm2，空間上3個相互獨(dú)立的塌陷回填區(qū)已有匯合的趨勢，說明塌陷區(qū)的恢復(fù)治理速度明顯加快。

遙感; 塌陷區(qū); 動態(tài)監(jiān)測; 葦湖梁煤礦

煤礦開采為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出巨大貢獻(xiàn)的同時，也常常造成礦區(qū)地表的大面積塌陷，尤其是半干旱風(fēng)沙地帶的煤礦，更容易因采煤塌陷而出現(xiàn)嚴(yán)重的礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題，這嚴(yán)重地制約了城市的可持續(xù)發(fā)展[1-5]。烏魯木齊市葦湖梁煤礦已有50多年的開采歷史，長期的煤炭地下開采形成了大面積的地面塌陷區(qū)，嚴(yán)重破壞了原始的地形地貌，降低了土地利用率。近年來，隨著烏魯木齊市的快速發(fā)展，城區(qū)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，原本位于近郊工礦區(qū)的葦湖梁煤礦現(xiàn)已處于城市中心區(qū)邊緣，但已形成的塌陷區(qū)成為了制約烏魯木齊城市建設(shè)的瓶頸，對城市的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展產(chǎn)生了不可忽視的影響[6]。因此，對葦湖梁煤礦塌陷區(qū)進(jìn)行快速有效的監(jiān)測已迫在眉睫。

傳統(tǒng)的塌陷區(qū)監(jiān)測常采用實(shí)地測量的方法，但因工作量大、成本高、時效性低等因素，難以達(dá)到快速動態(tài)監(jiān)測的目的[7-8]。遙感技術(shù)具有時效性高、成本低、速度快、可重復(fù)觀測、監(jiān)測范圍廣等特點(diǎn)[9]，不僅可以節(jié)省人力、財(cái)力、物力和時間，而且能夠快速準(zhǔn)確的獲取地面塌陷信息。遙感技術(shù)在塌陷區(qū)的識別與監(jiān)測方面具有明顯優(yōu)勢，已成為地面塌陷信息提取與動態(tài)監(jiān)測的重要手段。我國學(xué)者通過遙感手段分別對淮南礦區(qū)、兗濟(jì)滕礦區(qū)、開灤礦區(qū)等地[10-14]進(jìn)行了地面塌陷的研究和監(jiān)測，結(jié)果表明遙感和GIS手段可以有效地圈定出地面塌陷的位置和范圍等信息，對后續(xù)地面塌陷的預(yù)測與防治工作具有重要的指導(dǎo)意義。

本文選取2002年、2005年、2009年和2013年4期高分辨率遙感影像，采用遙感和GIS技術(shù)對新疆葦湖梁煤礦開采形成的塌陷區(qū)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，對塌陷區(qū)的動態(tài)變化過程、空間演變趨勢、變化速率以及時空分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，為進(jìn)一步的礦區(qū)環(huán)境恢復(fù)治理與防災(zāi)減災(zāi)工作提供理論支持和客觀依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)葦湖梁煤礦區(qū)，位于87°38′30″—87°41′30″E，43°51′00″—43°52′30″N，坐落于準(zhǔn)噶爾南緣煤田東南部及天山北麓，總面積約672 hm2。地層主要為中生界侏羅系砂、泥巖層及新生界第四系的松散沉積物層。侏羅系地層有下統(tǒng)的三工河組，中統(tǒng)的西山窯組、頭屯河組，其中西山窯組是井田含煤地層，且地層產(chǎn)狀比較穩(wěn)定。褶皺主要有八道灣向斜和七道灣背斜南翼，兩翼地層有相同層序[15-16]。葦湖梁井田位于六道灣井田與堿溝井田之間，與水磨溝河?xùn)|岸相鄰，地勢平坦，總體地勢南高北低。井田含煤33層，全部屬于急傾斜煤層群，開采形成的采空區(qū)頂板易破裂、坍塌[17-18]。

2　研究方法

2.1數(shù)據(jù)源

本文選取4期不同時相的IKONOS影像為主要數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)全色波段空間分辨率為1 m，多光譜影像空間分辨率為4 m。同時利用野外實(shí)測GPS控制點(diǎn)與1∶10 000數(shù)字地形圖對不同時相進(jìn)行正射校正，從而使各影像之間具有可比性。

2.2信息提取

綜合遙感影像特征、塌陷區(qū)的特點(diǎn)以及野外地質(zhì)資料等信息，建立相應(yīng)的遙感解譯標(biāo)志，采用人機(jī)交互的解譯方法，從陰影、紋理、色調(diào)、形狀以及地貌等多方面進(jìn)行綜合解譯，提取出塌陷坑、地裂縫的位置、形態(tài)、范圍及界限等相關(guān)信息，以便對研究區(qū)做出進(jìn)一步的定量分析與定性判別。

2.3塌陷區(qū)變化分析

根據(jù)研究區(qū)不同時相的影像所提取的數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件對4個不同時相的地面塌陷信息進(jìn)行空間疊加分析，分析塌陷區(qū)的時空分布格局、變化趨勢、變化速率以及空間演變形態(tài)。

3　結(jié)果與分析

3.1塌陷區(qū)空間變化分析

葦湖梁煤礦始建于1958年，經(jīng)過50 a的開采，采煤塌陷日益嚴(yán)重，形成了大面積采空區(qū)，采空深度在50 m以下。由于塌陷區(qū)范圍無法被準(zhǔn)確圈定，故分別從地裂縫、塌陷坑和塌陷回填區(qū)3個角度對塌陷區(qū)的空間變化進(jìn)行描述分析。為了使不同時相間的遙感解譯結(jié)果具有可比性，本文以2013年非塌陷回填區(qū)范圍為基準(zhǔn)，并以塌陷坑和塌陷回填區(qū)規(guī)模分級標(biāo)準(zhǔn)(表1)為參考，分別對地裂縫、塌陷坑和塌陷回填區(qū)進(jìn)行時空特征分析，可以直觀地反映出10 a來塌陷區(qū)的變化程度。

表1　塌陷坑和塌陷回填區(qū)的塌陷分級標(biāo)準(zhǔn)

表2　地裂縫、塌陷坑及塌陷回填區(qū)的數(shù)量變化

3.1.1地裂縫空間變化葦湖梁煤礦塌陷區(qū)的地裂縫主要分布在采空區(qū)和塌陷坑邊緣，延伸方向與煤層走向一致。在研究區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)兩類地裂縫：第一類發(fā)育規(guī)模較大，呈梯形或“V”形分布；第二類發(fā)育規(guī)模較小，具有不定向性，多出露在塌陷坑和規(guī)模較大的地裂縫附近。根據(jù)不同時相遙感影像解譯結(jié)果，對第一類地裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。2002年，礦區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)38條地裂縫，多以成組的方式出現(xiàn)，長度約為30～300 m，地裂縫的總長度達(dá)4.87 km；2006年，地裂縫增加到47條，總長度增加了0.91 km；到2009年和2013年，地裂縫分別約為57條和64條，總長度分別是6.84 km和7.78 km。

2002—2013年間，地裂縫數(shù)量與總體長度均逐步增多，新增的地裂縫多平行于開采工作面。隨著葦湖梁煤礦開采工作的推進(jìn)，地裂縫也不斷向前發(fā)展，兩側(cè)地形的高差也產(chǎn)生了明顯變化，高差在0.2～2 m。

3.1.2塌陷坑空間變化葦湖梁煤礦塌陷區(qū)的地面塌陷類型主要是深槽型不連續(xù)塌陷區(qū)，總體特征是呈現(xiàn)為串珠狀或帶狀分布的塌陷坑，其次是周邊的開裂型不連續(xù)塌陷區(qū)。2002年礦區(qū)內(nèi)的塌陷區(qū)已形成一定規(guī)模，塌陷嚴(yán)重地段的塌陷坑已連為一體，塌陷坑80處，其中大型塌陷坑1處，中型塌陷坑15處，小型塌陷坑64處，塌陷坑直徑約15～45 m，塌陷坑總面積達(dá)7.86 hm2；到2006年塌陷區(qū)內(nèi)的南北方向的塌陷帶呈明顯的“槽”型，南大槽塌陷帶寬度為30～40 m，北大槽塌陷帶寬度40～50 m，礦區(qū)內(nèi)約有小型塌陷坑70處，中型塌陷坑18處，大型塌陷坑1處，主要分布在塌陷槽內(nèi)及兩側(cè)，總面積約為8.26 hm2，相比2002年增加0.4 hm2；至2009年，塌陷坑個數(shù)增加至94處，其中大型塌陷坑有2處，中型塌陷坑有19處，小型塌陷坑有73處，總面積隨之增加0.63 hm2；2013年，大型塌陷坑為2處，中型塌陷坑增至24處，小型塌陷坑減至68處，總面積相比2009年增加了0.49 hm2。

根據(jù)上述分析，2002—2013年間，塌陷坑面積逐步增大，在2006—2009年增速最大，從2009—2013年增速放緩，但增長面積還是大于2002—2006年的增長面積。隨著地下煤層開采的延續(xù)以及開采強(qiáng)度的變化，葦湖梁煤礦地面塌陷區(qū)域是在不斷發(fā)展的，有新塌陷坑的生成，有小規(guī)模塌陷坑合并成大規(guī)模塌陷坑，并且塌陷坑總面積在不斷增大。

3.1.3塌陷回填區(qū)空間變化葦湖梁塌陷回填區(qū)始于2006年，存在1處位于南塌陷槽的大型塌陷回填區(qū)，面積約為9.19 hm2；至2009年，南塌陷槽的塌陷回填區(qū)域面積逐漸向東擴(kuò)展，形成1處巨型的塌陷回填區(qū)，面積約為27.03 hm2；2013年，回填區(qū)域面積的擴(kuò)張異常迅速，不斷向北塌陷槽擴(kuò)展，使南北塌陷槽回填成1處巨型塌陷回填區(qū)域，面積約為79.34 hm2，同時在塌陷區(qū)東側(cè)形成1處大型塌陷回填區(qū)和1處中型塌陷回填區(qū)不斷向西擴(kuò)展，并且這3處塌陷回填區(qū)有匯合的趨勢，相比2009年塌陷回填區(qū)面積增加了65.42 hm2。塌陷回填區(qū)面積增加趨勢異常明顯，特別是2009—2013年的這4 a間面積增速較快，但是葦湖梁煤礦區(qū)的采煤塌陷形勢仍舊非常嚴(yán)峻，采煤塌陷的治理刻不容緩。

經(jīng)過野外實(shí)地驗(yàn)證，葦湖梁煤礦采用靜態(tài)注漿和建筑垃圾回填的方法對塌陷區(qū)進(jìn)行充填，目前一部分的塌陷坑和塌陷槽已經(jīng)填平，已填成高出地表20～25 m的垃圾山。由此可見，10 a間葦湖梁煤礦塌陷區(qū)回填面積擴(kuò)大趨勢明顯，但礦山復(fù)綠仍需進(jìn)一步跟進(jìn)。

3.2塌陷區(qū)空間格局演化

塌陷坑作為塌陷區(qū)地面塌陷的重要表現(xiàn)形式，其空間格局演化反映了特定時期塌陷區(qū)的形態(tài)以及塌陷區(qū)的發(fā)展變遷。為了準(zhǔn)確分析出空間演化過程，本文選取2006年做參照，通過對比4個時間點(diǎn)上空間格局分布狀況，來分析空間格局演化特征。

采用ArcGIS軟件，借助度量空間分布工具中的均值中心(Mean Center)分析工具，對2002年、2006年、2009年和2013年塌陷坑空間分布均值中心進(jìn)行標(biāo)注，對比分析出塌陷坑的空間演化方向與趨勢。從附圖15可以看出，在空間發(fā)展上，塌陷坑呈現(xiàn)2個擴(kuò)展方向，2002—2006年和2009—2013年塌陷坑的均值中心出現(xiàn)北偏東的發(fā)展方向，2006—2009年均值中心出現(xiàn)東偏南的發(fā)展方向；在空間形態(tài)上，隨著時間的推移，塌陷坑整體上由西向東擴(kuò)展。由此可以推測出，2002—2013年間葦湖梁煤礦逐步向東進(jìn)行深部開采，塌陷區(qū)的范圍逐漸向東擴(kuò)大，加上急傾斜煤層采動的影響，整個區(qū)域處在活動狀態(tài)，這與野外實(shí)地驗(yàn)證結(jié)果一致。

3.3動態(tài)度分析

動態(tài)度是用于衡量塌陷區(qū)的變化率，它代表了塌陷區(qū)改變內(nèi)在期間礦區(qū)塌陷區(qū)的動態(tài)表達(dá)一些變化，即

(1)

上式中：L——多年塌陷區(qū)或塌陷回填區(qū)的動態(tài)度；Ua，Ub——該研究時段初期和末期塌陷區(qū)或塌陷回填區(qū)的面積；T——兩段時期的間隔步長。令當(dāng)Ua等于0，L為100。

采用動態(tài)度分析葦湖梁煤礦塌陷區(qū)的動態(tài)變化，可以真實(shí)地反映煤礦塌陷區(qū)的變化程度。從圖1可以看出，在2002—2013年，地裂縫、塌陷坑以及塌陷回填區(qū)的動態(tài)度均為正值，表示煤礦區(qū)的地裂縫總長度、塌陷坑總面積和塌陷回填區(qū)面積在這10 a中呈持續(xù)上升趨勢。2006—2009年地裂縫動態(tài)度最大為6.43，相當(dāng)于2002—2006年動態(tài)度的1.5倍，2009—2013年動態(tài)度的2.1倍，說明地裂縫總長度在2006—2009年增速最快；2006—2009年期間塌陷坑的動態(tài)度為2.54，相當(dāng)于2002—2006年和2009—2013年動態(tài)度的2倍左右，說明塌陷坑總面積從2006—2009年期間發(fā)生了極大的變化，且在這段時間內(nèi)塌陷坑總面積增長的速度最快；塌陷回填區(qū)動態(tài)度2002—2006年為100，2006—2009年為64.71，2009—2013年為60.51，表示塌陷回填區(qū)面積的增長速度逐年下降，但是塌陷回填區(qū)的增長面積仍呈逐年上升趨勢，說明2002—2013年葦湖梁煤礦塌陷區(qū)的恢復(fù)治理速度明顯加快。

圖1葦湖梁煤礦地裂縫、塌陷坑和塌陷回填區(qū)的年平均動態(tài)度

4　結(jié) 論

(1) 2002—2013年間，葦湖梁煤礦塌陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量呈不斷上升的狀態(tài)，地裂縫總長度由4.87 km增至7.78 km，塌陷坑總面積由7.86 hm2增至9.38 hm2，增幅分別為1.6倍和1.19倍，尤其是在2006—2009年間地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情惡化速度明顯加快。

(2) 葦湖梁煤礦加大了塌陷區(qū)的恢復(fù)治理力度。從2006年開始，葦湖梁煤礦開始對塌陷區(qū)用建筑垃圾回填，到2013年已形成3個獨(dú)立的塌陷回填區(qū)，總面積達(dá)92.45 hm2，且這3個塌陷回填區(qū)存在合并的趨勢。

(3) 在2002—2013年間，塌陷坑總體上由西向東逐漸擴(kuò)張，由此推測出這10 a來葦湖梁煤礦逐漸向東進(jìn)行地下開采。

(4) 建議對未回填的地面塌陷，采用黏土、礫石混合料對地面塌陷進(jìn)行分層回填，逐層夯實(shí)；對仍繼續(xù)進(jìn)行地下深部開采的已回填地面塌陷，采取夯實(shí)表層回填垃圾，以防地面塌陷進(jìn)一步的擴(kuò)展和蔓延，做到“在開發(fā)中保護(hù)，在保護(hù)中開發(fā)”。

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Dynamic Monitoring of Coal Mining Subsidence Area in Weihuliang, Xinjiang

DU Xishihui1,2, YU Hao3, SUN Weidong3, ZHOU Kefa1, WANG Jinlin1, LIU Yingdi1,2

(1.Xinjiang Research Center for Mineral Resources, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.InformationCenterofBureauofGeologyandMineralResourcesofXinjiang,Urumqi830000,China)

Coal mining subsidence always causes environmental deterioration and surface subsidence, which restricts the rapid development of cities nearby. We took coal mining subsidence area of Xinjiang Weihuliang as the research area to extract the subsidence area information by using the high resolution remote sensing images in 2002, 2006, 2009 and 2013. By using the method of spatial pattern and dynamic degree to monitor the information of the subsidence area dynamically, we compared and analyzed the evolution trend and the characteristics of temporal and spatial variation of the subsidence area. The result showed that the subsidence area had an eastward trend and the events of geological hazards had been increasing. In particular, the growth of geological hazards was the fastest in the period from 2006 to 2009. Meanwhile, the area of backfillings increased to 92.45 hm2in 2013. Besides, three independent backfillings had the trend of merging together. Consequently, the speed of controlling the geological environment had accelerated significantly.

remote sensing; subsidence area; dynamic monitoring; Weihuliang coal mine

2015-03-11

2015-04-13

中國地質(zhì)調(diào)查局基礎(chǔ)調(diào)查項(xiàng)目(1212011220084);新疆維吾爾自治區(qū)重大專項(xiàng)(201330121-2)

杜茜詩慧(1988—),女(錫伯族),遼寧沈陽人,博士生,主要研究方向?yàn)镚IS技術(shù)在地學(xué)模型中的應(yīng)用。E-mail:daisy_duxi@126.com

周可法(1972—),男,河南南陽人,研究員,主要從事地球探測信息技術(shù)研究。E-mail:Zhoukf@ms.xjb.ac.cn

TP79

A

1005-3409(2016)02-0323-04