地面塌陷特征及其遥感识别方法研究

第20卷 第3期地质灾害与环境保护

Vol.20, No.32009年9月

Journal of Geological Hazards and Envir onment P reservation

September 2009

文章编号: 1006-4362(2009)03-0008-05

收稿日期: 2009206203 改回日期: 2009207202

地面塌陷特征及其遥感识别方法研究

张敦虎,卢中正,强建华,曾光,马露

(中国煤炭地质总局航测遥感局,西安 710054)

摘要: 地下矿产资源的开采会引发地面塌陷,这已成为严重制约矿区可持续发展的重要因素。其主

要表现形式有:塌陷盆地、塌陷坑、地裂缝、滑坡崩塌等,并引发道路污染和道路改线及居民地和水系的变化。在矿山开发多目标遥感调查与监测过程中,这种地质灾害现象较为突出。本文在总结了地面塌陷的主要类型及其特征的基础上,对塌陷地的遥感识别方法进行了分析和研究。

关键词: 地面塌陷;遥感;矿山开发

中图分类号: P 642.26 文献标识码: A

地下矿产资源的开采会引发地面塌陷,不仅破坏土地资源,导致生态环境恶化,而且破坏人民的生产生活设施,进而诱发一系列社会、经济问题。快速准确地获取塌陷信息是矿区环境综合治理和塌陷区

复垦的重要条件。地面塌陷的形状、规模与其采矿方式、所处地形、地貌条件相关。大规模的塌陷可以有数万公顷,小规模的塌陷地仅有数百平方米,对塌陷地的调查传统上常采用实地测量方法,但因工作量大、成本高、时效性低,难以及时准确地获取塌陷地信息。遥感图像可以真实地记录区域地面实况,在塌陷地监测与识别方面具有明显的优越性[1]

。本文在分析了地面塌陷的形成机理、主要表现形式及其对土地资源和生态环境影响的基础上,对塌陷地在遥感影像上的解译标志进行了详细的研究。

1 地面塌陷的主要表现形式

煤炭及其他矿产资源的开采破坏了岩体内部原有的力学平衡状态,当开采的面积达到一定范围之后,起始于采场附近的移动和破坏扩展到地表,造成地表移动、变形和破坏。当采动引起的移动与破坏稳定后,按岩层破坏程度的不同,岩体内大致分成3个不同的开采影响带,简称/三带0,即冒落带、裂隙带、弯曲带[2](图1)。

然而不同的地质结构模型、地质采矿参数将诱

Ñ.冒落带;Ò.裂隙带;Ó.弯曲带

图1 覆岩移动上三带示意图

Fig.1 A sketch map shows the three belts of over lap

r ocks movement

发不同类型的塌陷。根据对典型矿区地面塌陷的调查和分析,总结出地面塌陷的以下表现形式。

(1)塌陷盆地

当采空区影响到达地表以后,在采空区上方的地表形成一个比采空区大得多的洼地,这种洼地称为塌陷盆地[3]。在开采急倾斜煤层的条件下,当采深与采厚的比值较大时,地表可能出现一种台阶状平底塌陷盆地,这种塌陷盆地的范围很大,边坡较陡,台阶数少。在一些地下水资源丰富的平原地区,由于地下水位埋藏较浅,会导致塌陷盆地常年积水或季节性积水,不但破坏了生态环境,还对当地居民的生产生活构成了威胁,如图2所示。

图2QUI CKBI RD影像解译的沉陷式开采塌陷

F ig.2Sink collapse due to exploitation on QUICKBIRD image

(2)塌陷坑

塌陷坑比塌陷盆地规模小,一般多出现在开采急倾斜煤层时。开采缓倾斜煤层时,只有某种特殊地质采矿条件下有可能出现塌陷坑。塌陷坑按其形状分为漏斗塌陷坑和槽型塌陷坑两种形式。

(3)裂缝

裂缝是采空区地面塌陷的常见形式。塌陷裂缝一般长几米至几百米,宽几厘米至数米。根据裂缝两侧的错落特点又可进一步区分为正台阶状裂缝、负台阶状裂缝、无明显错落裂缝3种。正台阶状裂缝倾向与坡向一致,负台阶状裂缝倾向与坡向相反。裂缝大体平行排列,台阶高度一般为几厘米至1m 左右。

(4)滑坡崩塌

由采矿引起的滑坡、崩塌是山区地表移动中最为严重的一种非连续滑动破坏。在陕北等地的黄土粱峁区,常表现为黄土崩塌和黄土崩滑。

2采矿形成地面塌陷的遥感响应

遥感识别采矿形成的地面塌陷是在分析含矿地层分布特征和开采状况的基础上进行的。

利用遥感图像通过对塌陷坑、地裂缝、地面塌陷等直接标志及地表污染、居民地变迁、地表水系改变、植被和土地利用类型变化、道路改线等间接标志的识别可以确定地面塌陷的范围。

(1)塌陷盆地

平原地区沉降特殊危害是地面形成槽形移动盆地,改变了地表水、地下水的流向,加上矿井排水在塌陷区内形成常年或季节性积水,使土地完全不能耕种。沉降幅度较大的沉降中心附近往往形成积水坑塘和沼泽地,其遥感影像特征明显,呈现蓝黑色色调,表面平滑,圆形和椭圆形,边界形态清晰。图2为QU ICKBIRD影像解译的煤矿开采形成的塌陷积水坑。对比不同时相的遥感图像,可以分析积水坑塘的发展和治理情况。

(2)塌陷坑

山区地面塌陷往往形成塌陷坑,多为圆形或椭圆形,一般没有与其连接的道路,这是区别于其他采矿活动的重要特征。图3为QUICKBIRD影像解译的洛南钼矿开采形成的塌陷坑。

(3)地裂缝

与采矿活动有关的地裂缝分为两类:地面沉降裂缝、滑坡裂缝。地面沉降裂缝因地下采空或过量开采地下水引起地面沉降过程的岩土体开裂而形成;滑坡裂缝因斜坡滑动造成地表开裂而成。

在遥感影像上地裂缝呈暗色线状,是地形突变引起光谱差异所致。有平行排列型、折线型和蠕虫型。规模较大的宽数米,长几百米。

与其他线状地物有一定区别:

¹地裂缝具有一定的形态特征,如直线型地裂缝:裂缝平直,延伸方向稳定;曲线型:裂缝呈弧形弯曲,大多数由工作面的一侧延伸至另一侧。

º地裂缝的走向一般与地形地貌单元走向不一致,并可能切穿不同地形地貌单元。

»其走向与农业耕作方向不一致,属非人工所为。

地裂缝在植被覆盖度较低的地区,遥感图像很容易识别(图4),在植被覆盖较高的平原区不易识别,所以在使用遥感数据时应选用植被覆盖度低时间段的遥感图像。

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