CN109146275A - 一种采矿区适宜自然恢复的土地裂缝判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采矿区适宜自然恢复的土地裂缝判别方法，包括：1、对裂缝区域进行勘察，获得关于裂缝形态、地形、土地利用方式和植被覆盖度等基础数据；2、根据基础数据，判断裂缝对地面人畜安全和地下采矿生产安全是否有影响，有影响的裂缝实施人工修复策略；3、对于无影响的裂缝，根据基础数据计算裂缝在侵蚀作用下的自然恢复时间；4、判断裂缝自然恢复时间是否可以容忍，不能容忍的实施人工修复策略，能容忍的实施自然恢复策略。本发明判别可以实施自然恢复的土地裂缝，从而确定采矿沉陷后土地裂缝的恢复策略，为矿区土地复垦和生态修复规划和施工提供科学依据。
Description
技术领域
本发明涉及矿山土地复垦与生态修复的技术领域，特别是涉及一种采矿区适宜自然恢复的土地裂缝判别方法。
背景技术
本发明涉及矿山土地复垦与生态修复的技术领域，特别是涉及采矿后适宜自然恢复的土地裂缝判别方法。
地下有用矿物采出后，地面发生沉陷，同时伴生大量的地面裂缝。这些裂缝对当地生态系统造成了一定程度的扰动，如水土流失、植被群落损伤等，一些裂缝甚至可能影响到地面居民人生安全和地下采矿生产安全。我国有10万多座矿山，累计塌陷面积80万公顷，每年新增约4万公顷，因而我国有数量庞大的地面裂缝，这使得裂缝的恢复成为矿山土地复垦和生态修复的关键任务之一，也是我国乡村振兴、全域土地整治、矿山可持续发展过程中亟待解决的问题。
目前，裂缝恢复的技术主要是人工修复，如对裂缝进行扩口充填，如《煤矿沉陷盆地伴生地裂缝的修复方法》，专利公开号：CN106640083A；裂缝充填与微生物注浆技术，如《一种采煤黄土塌陷区地表裂缝修复的装置及方法》，专利公开号CN106368207A；裂缝充填与植物扦插恢复方法，如《一种促进矿区采动地表裂缝带植被恢复的水土保持方法》，专利公开号：CN105453977A；高水材料地裂缝充填，如《一种高水材料地裂缝充填系统及充填治理方法》，专利公开号：CN103321228A。这些技术对于快速恢复消除裂缝和恢复生态具有良好的效果和实用价值。
然而，实施这些人工修复措施成本高，而且裂缝恢复的经济效益不明显。这就使得人工恢复技术难以被广泛采用和实施。考虑到采矿沉陷后土地裂缝分布零散、数量众多，全部实施人工修复策略是不现实的。实际上，裂缝在自然状态下，经过水力侵蚀和重力作用，也能逐渐愈合恢复。因而，在矿山土地复垦和生态修复中，较为现实的是，一部分裂缝需要采用自然恢复的策略。但是，哪些土地裂缝采用自然恢复策略，这就需要科学决策。从公开发表的专利和其他文献来看，目前还没有这样的判别方法。
技术方案
有鉴于上述技术需求，本发明旨在提供一种采矿区适宜自然恢复的土地裂缝判别方法，为解决上述技术问题提供一种可供选择的方案，为确定采动后土地裂缝的恢复策略提供科学依据。其特征在于主要包括以下步骤：
步骤1)对裂缝区域进行勘查，获得基础地理数据，这些数据包括裂缝长度、宽度、裂缝深度，导水裂隙高度与采深的差值，数字高程地形DEM，土地利用类型，植被覆盖度；上述数据可参照现有成熟技术进行获取，在此不赘述。
步骤2)判断裂缝对地面人畜安全和地下采矿生产安全是否有影响。具体地，当裂缝宽度大于37.5cm时，超过成年人的一般肩宽，人或其他同体型牲畜容易掉落到裂缝中，造成伤害，此时判定为对地面人畜安全有影响，需要实施裂缝充填的人工恢复措施。另外，当裂缝深度发育在采空区上方，裂缝深度大于或等于导水裂隙带高度与采深的差值，裂缝会贯通地表和地下采空区，地表水和大气降雨会灌入采空区影响地下采矿，此时判定为对地下采矿生产安全有影响，需要实施裂缝充填的人工恢复措施；除上述两种情况,还包括对地面人畜安全和地下采矿生产安全无影响的裂隙。
步骤3)对于无影响的裂缝，根据基础数据计算裂缝在侵蚀作用下的自然恢复时间。考虑自然侵蚀作用下，裂缝周边一些土地单元的表层物质，如土壤，由高到底汇流到裂缝中，最终将裂缝填平，裂缝实现自然恢复。这些土地单元的表层侵蚀物质称为充填物料，这些土地单元的集合称为充填物料的物源区；裂缝自然恢复所需要的时间按如下公式计算：
式中，T为裂缝在自然侵蚀作用下的恢复时间，单位为年；L、W、D分别为裂缝的长度、宽度和深度，单位都为m；∑(S×p(x，y))是物源区内所有栅格单元在一年时间所产生的充填物料的总体积，单位为m3/年；S是物源区内单个栅格单元的面积，单位为m2；p(x，y)物源区内空间位置为(x，y)的栅格的在一年时间所产生的充填物料的体积，即物料供给模数，单位为10-2m3/(m2.年)。
在本步骤中，物源区及区内坡度的提取基于野外获取的数字高程地形DEM完成，ArcGIS软件中成熟的水文分析和空间分析模块可以快速实现，物源区提取后，将物源区按照格网法划分为栅格单元，较佳地，栅格单元的大小取为1m×1m为优。将植被覆盖度和坡度数据与栅格单元叠加，读取每个栅格单元的坡度、植被覆盖度；我国土壤侵蚀分类分级标准(SL 190-2007)确定了不同坡度和植被覆盖度下的物料供给模数的范围，如表1所示。
表1不同坡度及植被覆盖度组合下物料供给模数取值范围
依照栅格单元的坡度和植被覆盖度查表1确定物料供给模数的取值范围，然后分别对坡度和植被覆盖度线性内插，得到两个物料供给模数，再求取二者的平均值，最终得到该栅格单元的物料供给模数。具体计算公式为：
式中，p(x，y)物源区内空间位置为(x，y)的栅格的物料供给模数，Veg为空间位置为(x，y)的栅格的植被覆盖度，[Vegmin，Vegmax]为Veg在表1中确定的植被覆盖度的归属范围；Slop为空间位置为(x，y)的栅格的坡度，[Slopmin，Slopmax]为Slop在表1中确定的坡度的归属范围；[pmin，pmax]为Veg和Slop在表1中所确定的物料供给模数的归属范围。
步骤4)判断裂缝自然恢复时间是否可以容忍，不能容忍的实施人工修复策略，能容忍的实施自然恢复策略，将土地利用类型分为耕地、草地、园地和林地；耕地裂缝、草地裂缝、园地裂缝、林地裂缝自然恢复容忍时间分别为1、3、5、15年，如表2所示；将每条裂缝所在区域的土地利用类型、自然恢复时间与表2对比，当自然恢复时间超过裂缝自然恢复的容忍时间，则需要实施裂缝充填的人工恢复措施，反之，可以实施自然修复策略。
表2不同土地利用类型裂缝自然恢复的容忍时间
本发明与现有技术相比的创新在于：
(1)本发明提出了一种决策方法，可以为矿区土地复垦与生态修复成本控制、裂缝分类治理、生态环境影响评价提供科学依据。
(2)本发明提出了生命生产安全、恢复时间容忍作为判别土地裂缝修复的策略的两个关键标准。这两个关键标准是土地管理者最关心的，因此判别标准的社会可接受度高。本发明的决策过程依据定量的计算，决策过程简单易执行，结果科学可靠。
(3)本发明中基于地图显示的方式，显示裂缝的空间分布位置、恢复策略的类型，可为矿区土地复垦的规划和施工提供基础图件。
附图说明
图1是本发明的技术流程图；
图2是裂缝在自然侵蚀作用下自动愈合恢复的示意图；
图3是一个实施例中采矿区土地裂缝的空间分布；
图4是一个实施例中采矿区数字高程地形DEM；
图5是一个实施例中采矿区植被覆盖度；
图6是一个实施例中采矿区坡度；
图7是一个实施例中采矿区土地裂缝自然恢复时间的计算结果；
图8是一个实施例中采矿区土地裂缝自然恢复的决策结果。
具体实施方式
以山西翼城县某采矿区的土地复垦与生态修复项目为例，对本发明实施作进一步详细说明。矿区为一不规则多边形，面积11km2。主要开采石炭二叠系山西组2号煤层，煤炭可采厚度为3.29m，采煤方式主要是长壁式综采，年生产能力为60万吨。采深100m，地下煤炭采出后，在地表形成了大量的裂缝。矿区内主要的土地类型包括耕地、园地、林地。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1，本发明提供了一种采矿区适宜自然恢复的土地裂缝判别方法，具体实施过程如下：
步骤1、开展现场勘查，获取每条裂缝的位置、裂缝长度、裂缝宽度、裂缝深度、裂缝的土地利用类型，矿区导水裂隙高度与采深的差值、数字高程地形DEM、植被覆盖度。在本实施例中，总计有裂缝63条，所有裂缝的平均长度、宽度、深度分别为32.50m、0.27m、0.36m，土地裂缝的空间分布如图3所示。矿区导水裂隙高度与采深的差值为49m。本实例中数字高程地形DEM植被覆盖度分别如图4、图5所示。
步骤2、将所有裂缝的宽度与37.5cm相比较，有15条裂缝的宽度大于37.5cm，威胁地面居民生产生活安全。再将所有裂缝的深度与导水裂隙带高度与采深的差值49m相比较，所有裂缝都没有贯通地下采空区，没有威胁地下采矿生产安全。因此，本实施例中有15条裂缝需要实施人工修复。
步骤3、计算其余48条裂缝的自然恢复时间。基于数字高程地形DEM，利用ArcGIS软件的水文分析功能，提取每条裂缝的物源区,(参考图2)。同时，利用数字高程地形DEM和ArcGIS软件的空间分析功能，提取矿区坡度。ArcGIS的水文分析和空间分析是成熟技术，在此不赘述。物源区提取后，将物源区按照格网法划分为1m×1m栅格单元。
将植被覆盖度和坡度数据与栅格单元叠加，读取每个栅格单元的坡度、植被覆盖度，并表1确定物料供给模数的归属范围，然后分别对植被覆盖度和坡度线性内插，得到两个物料供给模数，再求取二者的平均值，最终得到该栅格单元的物料供给模数。例如，当某个空间位置栅格单元的植被覆盖度取值为50％，坡度取值为18°，则植被覆盖度属于表1中的45％-60％范围，坡度属于表1中的15°-25°范围。植被覆盖度和坡度共同确定的物料供给模数的取值范围为1.9×10-2m3/(m2.年)-3.7×10-2m3/(m2.年)。利用植被覆盖度对物料供给模数进行线性内插得2.80×10-2m3/(m2.年)，利用坡度对物料供给模数进行线性内插得2.44×10-2m3/(m2.年)，取二者平均值为2.62×10-2m3/(m2.年)，作为这个空间位置栅格单元的物料供给模数，同方法，可以得到其他空间位置栅格单元的物料供给模数。最后，参照公式3计算依次每条裂缝的自然恢复时间。
本步骤中提取的实施例中采矿区坡度如图6所示，实施例中采矿区每条裂缝的自然恢复时间如图7所示。
步骤4、依照每条裂缝的自然恢复时间和土地利用类型数据，判断裂缝自然恢复时间是否可以容忍，不能容忍的实施人工修复策略，能容忍的实施自然恢复策略。其中位于耕地、园地、林地上的裂缝自然恢复时间为1年、5年、15年，当自然恢复时间大于这些时间，则判定需要实施人工恢复，反之，可以实施自然修复策略，判定结果如图8所示。根据判定结果，在48条对地面居民生产和地下采矿生产没有影响的裂缝中，有23条土地裂缝可实施自然恢复策略。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不能脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种采矿区适宜自然恢复的土地裂缝判别方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)对裂缝区域进行勘查，获得基础地理数据，这些数据包括裂缝长度、宽度、裂缝深度，导水裂隙高度与采深的差值，数字高程地形DEM，土地利用类型，植被覆盖度；
步骤2)判断裂缝对地面人畜安全和地下采矿生产安全是否有影响，当裂缝宽度大于37.5cm时，此时判定为对地面人畜安全有影响，需要实施裂缝充填的人工恢复措施；当裂缝深度发育在采空区上方，裂缝深度大于或等于导水裂隙带高度与采深的差值，此时判定为对地下采矿生产安全有影响，需要实施裂缝充填的人工恢复措施；除上述两种情况,还包括对地面人畜安全和地下采矿生产安全无影响的裂隙；
步骤3)对于无影响的裂缝，根据基础数据计算裂缝在侵蚀作用下的自然恢复时间；自然侵蚀作用下，裂缝周边一些土地单元的表层物质，由高到底汇流到裂缝中，最终将裂缝填平，裂缝实现自然恢复；这些土地单元的表层侵蚀物质称为充填物料，这些土地单元的集合称为充填物料的物源区；裂缝自然恢复所需要的时间按如下公式计算：
式中，T为裂缝在自然侵蚀作用下的恢复时间，单位为年；L、W、D分别为裂缝的长度、宽度和深度，单位都为m；∑(S×p(x，y))是物源区内所有栅格单元在一年时间所产生的充填物料的总体积，单位为m3/年；S是物源区内单个栅格单元的面积，单位为m2；p(x，y)物源区内空间位置为(x，y)的栅格的在一年时间所产生的充填物料的体积，即物料供给模数，单位为10-2m3/(m2.年)；
所述物源区及区内坡度的提取基于野外获取的数字高程地形DEM完成，ArcGIS软件中成熟的水文分析和空间分析模块能够快速实现；物源区提取后，将物源区按照格网法划分为栅格单元；将植被覆盖度和坡度数据与栅格单元叠加，读取每个栅格单元的坡度、植被覆盖度；根据我国土壤侵蚀分类分级标准(SL 190-2007)确定不同坡度和植被覆盖度下的物料供给模数的范围；
依照栅格单元的坡度和植被覆盖度确定物料供给模数的取值范围，然后分别对坡度和植被覆盖度线性内插，得到两个物料供给模数，再求取二者的平均值，最终得到该栅格单元的物料供给模数,具体计算公式为：
式中，p(x，y)物源区内空间位置为(x，y)的栅格的物料供给模数，Veg为空间位置为(x，y)的栅格的植被覆盖度，[Vegmin，Vegmax]为Veg确定的植被覆盖度的归属范围；Slop为空间位置为(x，y)的栅格的坡度，[Slopmin，Slopmax]为Slop确定的坡度的归属范围；[pmin，pmax]为Veg和Slop确定的物料供给模数的归属范围；
步骤4)判断裂缝自然恢复时间是否可以容忍，不能容忍的实施人工修复策略，能容忍的实施自然恢复策略；将土地利用类型分为耕地、草地、园地和林地；将每条裂缝所在区域的土地利用类型、自然恢复时间与裂缝自然恢复的容忍时间对比，当自然恢复时间超过裂缝自然恢复的容忍时间，则需要实施裂缝充填的人工恢复措施，反之，可以实施自然修复策略。
2.根据权利要求1所述的一种采矿区适宜自然恢复的土地裂缝判别方法,其特征在于，栅格单元的大小取为1m×1m为优。
3.根据权利要求1所述的一种采矿区适宜自然恢复的土地裂缝判别方法,其特征在于，耕地裂缝、草地裂缝、园地裂缝、林地裂缝自然恢复容忍时间分别为1、3、5、15年。
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| Title |
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| 吴刚 等: "基于"3S"技术的矿区生态扰动监测系统设计", 《测绘与空间地理信息》 * |
| 许冬 等: "基于GIS的矿区土地复垦辅助信息系统", 《金属矿山》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109146275B (zh) | 2021-07-30 |
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Legal Events
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