山東省濟(jì)寧市煤礦礦集區(qū)地面沉陷現(xiàn)狀遙感調(diào)查

王海慶，陳 玲

（1.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引言

研究區(qū)位于黃河下游，山東省西部，在行政區(qū)域上主要涉及濟(jì)寧地區(qū)（圖 1），研究區(qū)面積為2345km2。研究區(qū)內(nèi)地形平坦，農(nóng)田廣泛分布。主要礦產(chǎn)是煤礦和建筑石材礦。煤礦資源的開(kāi)發(fā)利用是濟(jì)寧市重要的經(jīng)濟(jì)來(lái)源之一，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。但煤礦資源開(kāi)采利用的同時(shí)也造成了嚴(yán)重的地面沉陷，破壞了大量的農(nóng)田、建筑、道路，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳睢?/p>

圖1 研究區(qū)在山東省內(nèi)位置示意圖Fig.1 The location map of the study areain Shandong Province

地面沉陷不同于地面沉降，也不同于地面塌陷。地面沉降是指開(kāi)采地下水、石油條件下的地面變形；地面塌陷是指短時(shí)間內(nèi)比較劇烈的地表高程變化；而地面沉陷是指采礦區(qū)地面緩慢的沉降變形，與地面沉降的區(qū)別在于其形成原因不同，與地面塌陷的區(qū)別在于其變形速率有明顯差異。三者在影響范圍上也有明顯差異，地面沉降的影響范圍最大，往往是區(qū)域性的；地面沉陷次之，往往以 km2、hm2為單位；地面塌陷最小，往往以m2為單位。

國(guó)內(nèi)對(duì)地面沉陷的研究已取得不少的成果，如譚績(jī)文、肖尚德等對(duì)地面沉陷的變形機(jī)制進(jìn)行了研究［1-2］，史珍珍等對(duì)煤礦采空沉陷區(qū)地面變形危害進(jìn)行了評(píng)估研究［3］，陸晉湘等、趙安文、張向東等、師凱研究了煤礦開(kāi)采造成的地面沉陷對(duì)地面建筑物的影響［4-7］，李永樹(shù)研究了地面沉陷對(duì)路基的破壞及其防治技術(shù)［8］，陳桂珍和郭亞靜調(diào)查研究了鐵法礦區(qū)地面沉陷及其對(duì)礦區(qū)環(huán)境的影響［9］，Wu Quanyuan等研究了山東省龍口地區(qū)煤礦開(kāi)采引起的地面沉陷對(duì)環(huán)境的影響［10］，武強(qiáng)等采用 FLAC3D專業(yè)軟件包對(duì)榆神府礦區(qū)大柳塔井田煤層群采地面沉陷進(jìn)行了可視化數(shù)值模擬［11］，D.M.Shu 等、Xim in Cui等、丁德馨等、田紅等、朱濟(jì)勛等研究了地面沉陷的預(yù)測(cè)方法［12-17］，王淑霞運(yùn)用開(kāi)采沉陷理論探討了地面沉陷的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程［18］，陳雨等利用概率積分法探討了地面沉陷的災(zāi)害預(yù)測(cè)［19］，黃祥嘉等研究了楊家坪地面沉陷機(jī)理并進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析［20］，鐘亞平以開(kāi)灤集團(tuán)公司唐山礦為例探討了地下煤層開(kāi)采覆巖離層注漿減少地面沉陷技術(shù)［21］，卜華等對(duì)山東巨野煤礦開(kāi)發(fā)可能引起的地面沉陷提出了防治建議［22］。這些研究雖然涉及地面沉陷的形成機(jī)理、變形機(jī)制、危害影響、預(yù)測(cè)分析、防治措施等方面，但應(yīng)用高分辨率遙感影像對(duì)地面沉陷現(xiàn)狀的調(diào)查卻鮮有報(bào)道。本文采用最新獲取的高分辨率遙感影像，結(jié)合地形圖、地質(zhì)圖等歷史資料，配合實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證，利用ARCGIS平臺(tái)開(kāi)展研究區(qū)內(nèi)的地面沉陷現(xiàn)狀調(diào)查。調(diào)查過(guò)程中充分發(fā)揮了遙感技術(shù)宏觀、快速的特點(diǎn)，調(diào)查結(jié)果真實(shí)可靠。希望能拋磚引玉，推進(jìn)相關(guān)工作。

1 煤礦資源概況

研究區(qū)處于黃河下游沖積平原區(qū)，地表被第四系沖積層覆蓋，煤層有較大埋深，故研究區(qū)內(nèi)的煤礦全部采用豎井開(kāi)采。山東省濟(jì)寧地區(qū)的煤礦資源豐富，研究區(qū)內(nèi)共有煤礦25個(gè)（圖2）。其中，興隆莊煤礦、鮑店煤礦、濟(jì)寧二號(hào)煤礦等大型國(guó)有煤礦都已經(jīng)有數(shù)十年的開(kāi)采歷史，為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)家社會(huì)主義建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。

圖2 研究區(qū)內(nèi)煤礦分布示意圖Fig.2 Distribution map of the coal mines in the study area

2 地面沉陷的遙感識(shí)別特征

地面沉陷（尤其是地面沉陷形成的積水坑）具有獨(dú)特的特征，在高分辨率遙感影像上易于識(shí)別，完全可以與露天的采沙坑、采土坑區(qū)別開(kāi)。而通過(guò)對(duì)比歷史資料與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，又可以將歷史上形成的湖泊等地表水體與地面沉陷積水坑區(qū)別開(kāi)。其主要特征如下：

2.1 嚴(yán)重的地面沉陷地區(qū)，坑內(nèi)會(huì)有積水，某些積水坑中有采沙船

研究區(qū)內(nèi)地下水位較高（如濟(jì)寧二號(hào)煤礦地區(qū)地表淺水位僅2.5m［23］），嚴(yán)重的地面沉陷往往導(dǎo)致地下水溢出，淹沒(méi)地表，形成積水坑；某些積水坑中還有采沙船。在高分辨率遙感影像上可以清楚看到地表的積水坑，以及積水坑中的采沙船（圖3、圖 4）。這些采沙行為會(huì)增大積水坑的深度，使積水坑周圍的沙土在地下水壓力作用下向積水坑運(yùn)動(dòng)，從而加劇周圍地面的沉陷。

圖3 有采沙船的地面沉陷積水坑（遙感影像）Fig.3 A surface subsidence p lash where exits a sandmining ship（Remote Sensing Image）

2.2 地面沉陷坑的邊界比較圓滑

因地面沉陷形成的坑的邊界往往比較圓滑，不會(huì)出現(xiàn)明顯的拐角，這是地面沉陷坑區(qū)別于露天采沙坑、采土坑等人工開(kāi)挖坑的重要特點(diǎn)（圖5、圖6）。

圖4 地面沉陷積水坑中的采沙船（現(xiàn)場(chǎng)照片）Fig.4 The sanding mining ship in a surface subsidence p lash（Site Photo）

圖5 地面沉陷積水坑的邊界圓滑（遙感影像）Fig.5 The smooth boundary of surface subsidence p lash（Remote Sensing Image）

2.3 地面沉陷坑的邊坡比較平緩

因地面沉陷形成的坑壁邊坡往往比較平緩，不會(huì)出現(xiàn)陡坎，表現(xiàn)為從外向內(nèi)地表變形量逐漸增大，地物為農(nóng)田（或道路、建筑等）—草地—淺水地帶（可能長(zhǎng)有蘆葦）—深水地帶的逐漸變化。這也是地面沉陷坑區(qū)別于露天采沙坑、采土坑等人工開(kāi)挖坑的重要特點(diǎn)（圖7、圖8）。

2.4 可反映地下采煤巷道的走向與規(guī)模

圖6 采沙坑邊界有明顯的拐角（遙感影像）Fig.6 The clear corners in sandpit′s boundary（Remote Sensing Image）

圖7 地面沉陷積水坑較平緩的邊坡（遙感影像）Fig.7 The gentle slope of surface subsidence plash（Remote Sensing Image）

圖8 采土坑較陡峭的邊坡（現(xiàn)場(chǎng)照片）Fig.8 The steeper slope of sandpit（Site Photo）

因地面沉陷坑與地下采煤巷道密切相關(guān)，故其在一定程度上可以反映出地下采煤巷道的走向與規(guī)模（圖9）。時(shí)，也給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳顜?lái)了嚴(yán)重的影響。如濟(jì)寧二號(hào)煤礦環(huán)保中心工作人員撰文報(bào)道，在2006年濟(jì)寧二號(hào)煤礦沉陷就已經(jīng)造成了37.8hm2耕地絕產(chǎn)，42.5hm2耕地減產(chǎn)［23］。

圖9 地面沉陷積水坑體現(xiàn)巷道走向與規(guī)模（遙感影像）Fig.9 The direction and size of tunnel which are indicated by the surface subsidence p lashes（Rem ote Sensing Im age）

3 地面沉陷的遙感調(diào)查結(jié)果

本文采用接收于2009年6月21日至12月22日的GeoEye-1高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，空間分辨率為1m。通過(guò)遙感調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)地面沉陷積水坑集中分布于兗州市東南部、鄒城市西北部、曲阜市西南部，及濟(jì)寧市市轄區(qū)中東部地區(qū)，已有積水的地面沉陷坑有47個(gè)，僅積水面積就有2828hm2（圖10）。

通過(guò)與中國(guó)人民解放軍總參謀部測(cè)繪局于20世紀(jì)60～70年代生產(chǎn)的1∶50000地形圖資料對(duì)比，發(fā)現(xiàn)地面沉陷已造成了20個(gè)村莊的搬遷（圖10～圖13）。這些村莊集中分布于兗州市東南部、鄒城市西北部、曲阜市西南部地區(qū)。從2828hm2的積水面積推測(cè)，地面沉陷已破壞了約2667hm2的土地。由此可見(jiàn)，煤礦資源的開(kāi)采利用在為經(jīng)濟(jì)發(fā)展做貢獻(xiàn)的同

圖10 研究區(qū)內(nèi)地面沉陷積水坑和因地面沉陷被迫搬遷的村莊分布示意圖Fig.10 Distribution map of the surface subsidence p lashes and the villages which were forced moved out due to the surface subsidence in the study area

我國(guó)政府部門對(duì)地面沉陷危害高度重視，并積極采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)及治理措施。濟(jì)寧市地質(zhì)礦產(chǎn)局早在2001年就出臺(tái)文件（濟(jì)地字［2001］17號(hào)）要求必須對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行治理［23］。如將沉陷區(qū)進(jìn)行復(fù)墾治理，將地面沉陷積水坑改造成魚(yú)塘等。政府所采取的有力措施為減輕地面沉陷危害、保障當(dāng)?shù)鼐用裆?、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定和發(fā)展起到了巨大的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

山東省濟(jì)寧地區(qū)煤礦資源豐富，煤礦資源的開(kāi)發(fā)利用為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家社會(huì)主義建設(shè)做出了巨大的貢獻(xiàn)，但同時(shí)也造成了嚴(yán)重的地面沉陷災(zāi)害。遙感調(diào)查結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)有地面沉陷積水坑47個(gè)，積水面積達(dá)2828hm2。通過(guò)與歷史資料對(duì)比，發(fā)現(xiàn)地面沉陷已造成了20個(gè)村莊的搬遷，破壞土地約2667hm2，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厝嗣竦纳睢?/p>

研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的地面沉陷災(zāi)害集中分布于兗州市東南部、鄒城市西北部、曲阜市西南部，及濟(jì)寧市市轄區(qū)中東部地區(qū)；其它地區(qū)的煤礦開(kāi)采時(shí)間較短，地面沉陷災(zāi)害還不突出，但隨著煤礦資源進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)利用，必將在這些煤礦周圍形成新的地面沉陷災(zāi)害，吞噬耕地，甚至淹沒(méi)村莊。希望政府有關(guān)部門進(jìn)一步加大災(zāi)害防治力度，盡量減輕相關(guān)災(zāi)害。

圖11 因地面沉陷即將被淹沒(méi)的后屯村（遙感影像）Fig.11 Houtun village which was submerging due to the surface subsidence（Remote Sensing Image）

圖12 因地面沉陷被淹沒(méi)的民房（現(xiàn)場(chǎng)照片）Fig.12 House which was submerging due to the surface subsidence（Site Photo）

圖13 因地面沉陷被迫拆遷的小中疃村（現(xiàn)場(chǎng)照片）Fig.13 Xiaozhongtuan village which was forced to relocate due to the surface subsidence（Site Photo）

另外，筆者認(rèn)為在地面沉陷積水坑內(nèi)開(kāi)展采沙作業(yè)將加劇地面沉陷進(jìn)程，危害周圍農(nóng)田。為了保護(hù)寶貴的耕地，建議取締地面沉陷積水坑中的采沙行為，并對(duì)地下采空區(qū)進(jìn)行必要的回填處理。

本文只是對(duì)研究區(qū)內(nèi)地面沉陷現(xiàn)狀的調(diào)查，主要反映現(xiàn)狀特征，對(duì)其變化趨勢(shì)缺少深入的研究，望今后能在研究區(qū)內(nèi)持續(xù)開(kāi)展調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作，更好的為防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。

致謝：本文得益于“礦山開(kāi)發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)成果集成與綜合研究”項(xiàng)目和“環(huán)渤海多金屬礦區(qū)遙感地質(zhì)綜合調(diào)查”項(xiàng)目的資助。工作過(guò)程中得到了中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心楊金中研究員和王曉紅教授的指導(dǎo)與幫助，野外調(diào)查過(guò)程中得到了中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心汪潔同志、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）王斌同學(xué)和武景淑同學(xué)的大力幫助，在此表示衷心的感謝!

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