青海省聚乎更煤矿区矿山地质环境遥感监测及质量评价

马世斌， 李生辉， 安萍， 杨文芳， 辛荣芳

(1.青海省地质调查院，西宁 810012；2.青海省青藏高原北祁连地质过程与矿产资源重点实验室，西宁 810012)

青海省聚乎更煤矿区矿山地质环境遥感监测及质量评价

马世斌1,2， 李生辉1,2， 安萍1,2， 杨文芳1,2， 辛荣芳1,2

(1.青海省地质调查院，西宁 810012；2.青海省青藏高原北祁连地质过程与矿产资源重点实验室，西宁 810012)

以2011年和2012年获取的2期IKONOS2数据为信息源，在波段组合、数据融合和正射纠正等图像预处理基础上，针对矿山地质环境问题进行人机交互解译，对青海省木里煤田聚乎更煤矿区因煤矿开发而引发的矿山地质环境问题及矿山环境恢复治理情况进行了遥感调查与监测；并将矿山环境调查结果与矿区基础地理及地质资料相结合，根据矿区环境的实际状况，合理选择矿山地质环境评价因子及权重指标，对该矿区的矿山地质环境质量进行了动态评价。结果表明：聚乎更煤矿区的矿山地质环境质量呈明显下降的趋势，2012年采矿活动对矿山地质环境有影响的面积较2011年增加了近10 km2，主要是地表植被直接或间接地受到破坏，且矿山环境恢复治理工作进程远远跟不上矿山环境恶化速度。

IKONOS2；聚乎更煤矿；遥感监测；矿山地质环境质量

0 引言

位于青海省海西州天峻县的木里煤田聚乎更煤矿区是青海省最具资源潜力的煤矿集中区之一，是青海省重点鼓励开采区。近年来，随着对煤炭需求量的剧增，在矿产资源开发监管机制不健全和监管力度不到位的情况下，往往会导致因煤矿资源的大量开采而对矿区及其周围环境造成一系列负面影响。因此，有必要对矿区的矿山环境状况进行动态监测，获取客观数据，掌握矿区的矿山地质环境现状和矿山环境恢复治理情况；并对矿山地质环境质量进行评估，为政府部门制定矿山地质环境恢复治理工作的决策及矿产资源合理开发利用规划提供科学依据。

与其他传统调查方法相比，遥感技术以其特有的宏观、高精度定位、重复监测及省时省力的高效特点为矿区矿山地质环境调查研究工作提供了可靠的技术支持[1-3]。本文以2011年和2012年获取的2期IKONOS2数据为信息源，通过RS与GIS的相互结合，对青海省木里煤田聚乎更煤矿区矿山地质环境及矿山环境恢复治理情况进行遥感调查与监测；并结合矿区基础地理及地质资料，合理选择矿山地质环境评价因子及权重指标，对该矿区的矿山地质环境质量进行动态评价，以掌握矿区矿山地质环境质量的现状及发展趋势。

1 研究区概况

1.1 自然地理

以青海省聚乎更煤矿区为研究区。该区位于青海省海西州天峻县木里镇，南距天峻县城90 km，地理范围在E99°03′00″～99°13′00″，N38°05′50″～38°09′30″之间，面积约100 km2。通往矿区的矿道长约150 km，因矿区运输车辆长期碾压路面致使路面崎岖不平，交通较为不便。

聚乎更矿区地处中祁连山高海拔地区，海拔4 026～4 128 m，相对高差102 m。地形呈西高东低、南高北低之势，东部努日寺部分沟壑发育；属高原丘陵地貌，地表广为草甸湿地覆盖，冻土发育。矿区内主要河流为哆嗦河，气候属内陆高寒大陆性气候，低氧、气候寒冷，昼夜温差大，年均气温-4℃。

1.2 地质矿产

1)地层。聚乎更矿区出露的地层由老至新为上三叠统、下侏罗统、中侏罗统、上侏罗统、古近系、新近系和第四系[4]。三叠系分布在矿区的南部、北部和背斜轴部，岩性以细—中粒砂岩为主；侏罗系为组成向斜和各井田的主要地层，自下而上为木里组和江仓组，其中木里组由上至下岩性以中—粗粒砂岩向砾岩过渡，江仓组则发育厚层的粉砂岩，中夹薄层的细砂岩；古近系—新近系多分布在北部的低凹地带，岩性为紫红、灰绿色砂岩，夹砾岩及石膏层；第四系是矿区主要的覆盖层，上部地表普遍为腐殖土及草皮，下部为冲洪积成因的含砾亚粘土、沙石和坡积的砾石、冰层等，厚度为0～14.50 m，平均厚度5.90 m。

2)构造。聚乎更矿区为中生代含煤盆地，矿区大地构造单元位于中祁连陆块西段， 属于瓦乎寺—热水中生代断陷-拗陷含煤沉积盆地西部，由一系列山脉和与之相平行的不同期的推覆构造组成构造线，其总体方向为NW-SE向，与之配套的构造有NW和NE向、在拉伸作用下形成的正断裂[5]。 由于盆地空间的控制，煤系地层沉积后，受南北大通、托赖2条山脉横向挤压的影响，矿区构造转向与祁连山的NW构造相应一致，以紧密连续的褶皱为主，并因横向挤压力的影响造成与走向平行或斜交的断裂。聚乎更煤矿区由南、北2个向斜组成，其中北向斜的聚煤沉积条件优于南向斜。

3)矿产。聚乎更煤矿区煤类以炼焦用煤为主，同时还赋有煤层气(可燃冰)。从地表至深部布施的各项工程了解到，聚乎更矿区含有煤层5～6层，煤层总厚度32.59 m，根据构造和煤层的稳定情况及赋存状况，共已探明并划分为7个井田(一井田、二井田、三井田、四井田、一号露天井田、二号露天井田和三号露天井田)。目前已有2处井田开始开发建设，其中一号露天井田由青海义海能源煤炭经营有限公司勘探开发，二井田由青海庆华矿业有限责任公司勘探开发。

1.3 矿山环境

聚乎更矿区位于青藏高原草沼湿地区域，区内草沼密布，雨量充沛，地下1 m处广泛分布着冻土层；由于土层薄，植被适应性弱差，其生态环境极其脆弱[6]。近年来，随着煤炭价格的上升，部分企业在利益驱使下不顾区域矿产开发规划的要求，造成煤矿无序滥采乱挖的现象非常严重，随之而引发的矿山地质环境问题日益严重。

对收集到的该区相关资料[7-8]的分析表明，目前聚乎更煤矿区的矿山地质环境问题主要表现在：①露天开采对表层土壤植被的剥离；②排土场堆积的大量煤矸石压占下方的草地及工业广场和行政生活区建设占用大面积的草沼湿地；③煤矿开采过程中所产生的煤尘以及煤矸石等对周边河流的污染；④伴随着煤矿的开发，草沼湿地下的多年冻土层也遭到不同程度的破坏。一方面，由于在煤矿开采中露天采场的垂直挖掘导致冻土层暴露，引起地表和浅层热平衡条件的改变，致使冻土层含冰融化；另一方面，由于排土场大面积堆放土石，导致地温上升，迫使冻土层消融。

随着煤矿开采活动范围的扩大，由于矿区生态环境的脆弱性，如不及时采取保护措施及煤矿的合理开发，被剥离的土壤植被、被压占的草沼湿地以及冻土层破坏的面积将会逐渐扩大，势必会加深该矿区草沼湿地的退化程度，迫使矿区的生态环境向恶性方向发展[9]。对该矿区的实际调查了解到，目前矿区环境治理工作是在原来的排土场周围砌筑挡墙和平整矿区周边的矿渣堆积物来减少污染，进而保护周边环境。据有关资料显示：治理前期进行的挖掘机整修坡面工程，共整修坡面面积57万m2，砌筑挡墙1 260 m3，工程搬运土石方总量约43.5万m3，截止目前已治理排土场体积2 182.65万m3。

2 遥感监测方法

本研究技术路线如图1所示。

图1 总体技术流程图Fig.1 Overall technical flow chart

2.1 遥感数据与处理

采用时相为2011年9月和2012年5月的美国IKONOS2数据作为遥感信息源，该数据的全色波段空间分辨率达1 m，多光谱波段空间分辨率达4 m。为保证2期卫星数据的信息提取结果的准确性和可对比性，对遥感图像数据进行处理，其技术流程见图2。首先，基于ERDAS软件完成对2011年数据的处理，主要包括波段组合、数据融合及正射纠正等；

图2 遥感图像处理流程图Fig.2 Flow chart of remote sensing image processing

然后，以处理好的2011年数据为基准，通过计算机自动获取控制点的方法完成对2012年数据的配准。 选择IKONOS2图像的B3(R)B2(G)B1(B)进行波段合成，效果较接近于真彩色，有利于对图像地物信息的判别。数据融合方法采用主成分分析法；正射纠正通过“RPC+DEM+GCP”的方法来实现，即采用IRS-P5卫星数据制作的10 m空间分辨率的DEM数据和IKONOS2全色波段数据自带的RPC有理多项式系数，结合6个野外实测的高精度GCP，辅以二阶多项式的方法[10-12]实现，其成图比例尺可达1∶1万。运用该方法所得到的正射图像的空间分辨率能达到1 m，几何纠正精度在0.2～0.3 mm，成图比例尺可达到1∶1万，完全满足该煤矿区矿山地质环境遥感监测要求。

2.2 信息提取

本文以经过正射纠正处理的2011年和2012年2期IKONOS2图像为基础图像，在野外前期踏勘的基础上，利用ArcGIS平台，采取人机交互解译的方法，分别提取与煤矿开采相关的地物信息，主要包括活动开采面、煤矿开采采场、固体废弃物(弃土弃矸)、中转场地(煤堆)、矿山建筑(包含矿山道路)、水体污染和矿山环境恢复与治理等信息[13-14]。聚乎更矿区地形起伏小，地势平缓，坡体坡度一般小于3°，这种地形条件决定了矿区内不会发生大规模崩塌、滑坡或泥石流等山体地质灾害。

根据聚乎更矿区煤矿开发现状，矿区内不同地物目标在IKONOS2图像中具有各自独特的影像特征，易于区分和判别。露天采场多沿NW方向展布，呈负地形，边部有阶梯状剥离台阶发育，呈深色调；活动开采面范围较露天采场小，位于露天采场内，色调较采场深，且有机械设备活动迹象(图3(a))；固体废弃物(如弃土弃矸)的表面较为新鲜，堆积范围较为集中，呈锥形，与周边地表植被边界明显(图3(b))；中转场地(如煤堆)为明显的深黑色调，堆放于防护栏内，并与矿区道路相通(图3(c))；矿山建筑多为规则的房屋建筑组成，分布较为集中，多呈浅蓝色调(图3(d))；水体污染在影像上的特征较为明显，通过对比可以发现，受污染的水体较未被污染的水体色调要暗(图3(e))；矿山恢复治理主要是对弃土弃矸的改造，在影像上弃土弃矸的形状特征仍然保留，但人工改造迹象非常明显，容易识别(图3(f))。

(a) 露天采场 (b) 固体废弃物(c) 中转场地

(d) 矿山建筑 (e) 水体污染 (f) 矿山环境恢复治理

图3 聚乎更煤矿区地物目标影像特征

Fig.3 Image features of ground objects in Juhugeng coal mining area

前已述及，聚乎更煤矿区存在的矿山地质环境问题主要表现在4个方面：①煤矿开采对表层土壤植被的剥离；②矿山建筑、矿山道路以及弃土弃矸对下方植被土壤的压占；③开采中煤尘和煤矸石等对周边河流的污染；④露天开采的挖掘对地下冻土层的破坏。

结合本文所提取的矿区内地物信息可以看出,露天开采场信息能够反映出煤矿开采剥离表层土壤植被的程度；固体废弃物、中转场地及矿山建筑等矿山占地信息能够较为明确地反映出煤矿开采所堆放的弃土弃矸和矿山建筑等对下方植被的压占情况；活动开采面占地信息在一定程度上能够反映出露天开采的挖掘对地下冻土层的破坏程度；水体污染可以反映出该矿区水资源的被破坏程度。因此，通过对上述地物信息的提取，可以定量化地反映聚乎更煤矿区的矿山地质环境问题。

3 矿山地质环境状况

应用2期IKONOS2图像数据对聚乎更煤矿区矿山地质环境问题的调查结果见表1。

表1 聚乎更煤矿区矿山地质环境及恢复治理情况遥感调查统计Tab.1 Remote sensing survey statistics of mine geological environment and recovery management in Juhugeng coal mining area (hm2)

2011年针对聚乎更煤矿区的弃土弃矸问题进行改造，完成矿山环境恢复治理面积19.76 hm2；但因煤矿开采而造成的土壤植被剥离、土壤植被压占和对冻土层的破坏面积合计达1 702.23 hm2，污染河流2条，污染水面面积达154.45 hm2。2012年虽然矿山恢复治理面积较2011年增加了近9 hm2，但对土壤植被剥离、压占和对冻土层的破坏面积合计达2 031.64 hm2，较2011年净增329.41 hm2；水体污染面积达164.72 hm2，净增10.27 hm2。上述统计结果表明：2011—2012年，聚乎更煤矿区因煤矿开发而造成的矿山环境恶化程度呈明显加剧趋势，尤其对土壤植被的剥离问题最为严重，矿山恢复治理工作进程远远跟不上矿山环境恶化速度，与2 a间增加的矿山环境破坏面积相比较，矿山环境恢复治理则显得“杯水车薪”。

4 矿山地质环境质量评价

本文以网格为单元，对每个单元格内的矿山地质环境进行评价[15]。在综合研究矿区基础地理数据、地质资料和遥感解译结果的基础上，根据聚乎更煤矿区的矿山地质环境特征，建立矿山地质环境评价子系统和评价指标；利用层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)分别获得矿山地质环境评价子系统权值和评价指标权值，并基于ArcGIS平台，通过网格法对矿区进行矿山地质环境子系统评价和矿山地质环境综合评价。

4.1 评价原则

根据不同的矿山地质环境特征,并以各类矿山地质环境问题的空间分布、发育现状及发展趋势为依据，以兼顾地质环境背景和突出重点的地质环境问题为原则,评价采矿活动对矿山地质环境影响的程度。

4.2 评价方法

4.2.1 评价单元划分

矿山地质环境评价通常采用正方形网格单元划分方法,即将整个研究区域划分成统一大小和形状的离散网格(通常为正方形)，以其作为基本评价单元[16]。根据评价精度要求，本文以1 km×1 km网格对研究区进行了划分，共100个评价单元。

4.2.2 评价因子及等级划分

根据上述评价原则和聚乎更矿区矿山地质环境的特点，确定以矿山开采对矿山地质环境影响为主、兼顾地质环境背景的10个评价指标作为本次评价的因子，分别为地形地貌、植被覆盖度、地质构造、岩性组合、土壤植被剥离比例、土壤植被压占比例、冻土层破坏比例、地质灾害隐患、地质灾害和水体污染比例。根据相关规范，结合研究区实际情况，采用经验或专家打分法将评价因子等级划分为严重、较严重、较轻和无影响4级；依据该等级划分方法，将聚乎更煤矿区矿山地质环境影响程度也划分为严重、较严重、较轻和无影响4个等级(表2)。

表2 聚乎更煤矿区矿山地质环境评价指标及等级划分Tab.2 Evaluation index and hierarchies of mine geological environment in Juhugeng coal mining area

4.2.3 评价指标权重

权重的准确度关系到评价结果的可信程度，因此要特别重视权值的确定[17-18]。确定评价指标权值的方法主要有熵值法、AHP法和集值迭代法等[19-20]。其中，AHP基本原理是把复杂系统分解成目标、准则和方案等层次,在此基础上进行定性和定量分析的决策。本文利用AHP法,通过建立递阶层次结构模型、构造判断矩阵、计算权向量和一致性检验,计算出聚乎更煤矿区矿山地质环境评价指标权重(表3)。

表3 聚乎更煤矿区矿山地质环境评价指标权重Tab.3 Evaluation index weight of mine geological environment in Juhugeng coal mining area

4.3 评价结果

聚乎更煤矿区2011年和2012年2期矿山地质环境质量评级结果见表4和图4。

表4 聚乎更煤矿区矿山地质环境评价分区面积统计Tab.4 Statistics of assessment partition area of mine geological environment in Juhugeng coal mining area (km2 )

矿山地质环境影响程度严重区主要分布在对冻土层破坏和土壤植被剥离严重的区域；矿山地质环境影响程度较严重区分布于矿山地质环境影响程度严重区之外，主要为土壤植被压占较严重区域；矿山地质环境影响程度较轻区分布于矿山地质环境影响程度较严重区之外，主要为因煤矿开采而造成的土地荒漠化。

结果表明：聚乎更煤矿的矿山地质环境质量呈下降趋势。其中2011年存在4处矿山地质环境影响程度严重区，面积为2.63 km2；2012年虽然在矿山环境恢复治理工作后严重区面积减少为2.44 km2，但严重区的数量增加至11处，且空间展布呈现向外围扩散的趋势。2011年较严重区和较轻区占地面积分别为11.04 km2和13.27 km2，2012年较严重区和较轻区占地面积与2011年相比均有所增加，分别增加了11.12 km2和24.67 km2，尤其是矿山地质环境影响程度较轻区的占地面增加幅度较大，净增约11 km2。2011年矿山地质环境无影响区的占地面积为73.06 km2，2012年则减少为61.77 km2。

图4 聚乎更煤矿区矿山地质环境质量评价图Fig.4 Quality evaluation map of mine geological environment in Juhugeng coal mining area

5 结论

1)本文利用2011年和2012年获取的2期IKONOS2数据对聚乎更煤矿区矿山地质环境进行遥感监测，摸清了该矿区矿山地质环境的现状与变化趋势，并结合基础地理及地质信息对该矿区2期矿山地质环境的质量进行了动态评价，掌握了该矿区矿山地质环境质量的现状及发展趋势,可为政府部门制定下一步矿山地质环境恢复治理工作的决策及矿产资源合理开发利用规划提供科学依据。

2)聚乎更煤矿区存在的矿山地质环境问题主要是直接或间接地破坏地表植被，且矿山环境恢复治理工作进程远远跟不上矿山环境恶化速度，矿山环境恶化程度呈明显加剧趋势，尤其对土壤植被的剥离问题最为严重。另外，矿区矿山地质环境质量呈明显下降的趋势，露天采场在露采过程中表土被完全剥离，挖掘程度深，致使原有地貌形态发生了根本改变，植被遭受破坏；采矿过程中剥离排出的废土、废石堆造成了土地资源的二次占用，毁坏了原生植被，恶化了植被的生存条件，从而加速了工矿型荒漠化，极易引发水土流失。

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(责任编辑：邢宇)

Remote sensing monitoring and quality evaluation for the mine geological environment of the Juhugeng coal mining area in Qinghai Province

MA Shibin1,2， LI Shenghui1,2， AN Ping1,2， YANG Wenfang1,2， XIN Rongfang1,2

(1.InstituteofGeologicalSurveyofQinghaiProvince，Xining810012，China；2.QinghaiKeyLaboratoryforNorthQilianGeologicalProcessandMineralResourcesofTibetanPlateau，Xining810012，China)

Taking the two-period IKONOS2 data acquired in 2011 and 2012 as the information sources,based on the band combination,data fusion and ortho-rectification,the authors made interactive interpretation of the mine geological environment problems,carried out the remote sensing investigation and monitoring work on coal mine environment problems and mine environmental recovery governance of the Juhugeng coal mining area in the Yushania coalfield of Qinghai,combined the mine environment survey results with the geographic and geological data of the mining area,and selected mine geological environment evaluation factors and weight indicators according to the environment condition of the mining area. The dynamic evaluation was conducted for the quality of mine geological environment. The results show that the mine geological environment quality of the Juhugeng coal mining area exhibits a downward trend,the area that affected the mine geological environment by mining activities in 2012 increased by nearly 10 km2as compared with that in 2011,the vegetation was destroyed directly or indirectly,and the process of the work to control mine recovery couldn’t keep up with the process of mine environmental degradation.

IKONOS2；Juhugeng coal mine；remote sensing monitoring；mine geological environment quality

2014-03-06；

2014-04-08

中国地质调查局地质调查项目“青海省重点矿集区矿产资源开发遥感调查与监测”(编号：1212011121286)资助。

10.6046/gtzyyg.2015.02.22

马世斌，李生辉，安萍，等.青海省聚乎更煤矿区矿山地质环境遥感监测及质量评价[J].国土资源遥感，2015，27(2)：139-145.(Ma S B，Li S H，An P，et al.Remote sensing monitoring and quality evaluation for the mine geological environment of the Juhugeng coal mining area in Qinghai Province[J].Remote Sensing for Land and Resources，2015，27(2)：139-145.)

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1001-070X(2015)02-0139-07

马世斌(1983-)，男，工程师，主要从事遥感地质及遥感图像处理方面的研究。Email：msb19831010711@sohu.com。