考慮原始地形的采煤沉陷積水范圍確定方法

張瑞婭，肖　武，史亞立，陳慧玲，李文玉，袁冬竹

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院，河北 保定 071001)

考慮原始地形的采煤沉陷積水范圍確定方法

張瑞婭1，肖武1，史亞立2，陳慧玲1，李文玉1，袁冬竹1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院，河北 保定 071001)

摘要：高潛水位礦區(qū)采煤沉陷后，將導(dǎo)致大面積積水，給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民生活帶來(lái)了嚴(yán)重影響。目前土地復(fù)墾方案編制過(guò)程中需要對(duì)未來(lái)沉陷積水范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，常規(guī)做法是根據(jù)預(yù)計(jì)的下沉等值線和當(dāng)?shù)貪撍宦裆畲_定采煤沉陷后的積水范圍，由于沒(méi)有考慮原始地形的影響，通過(guò)這種簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)所獲得的積水范圍往往與實(shí)際積水范圍有所差異。本文利用GIS提供的空間分析功能，將原始地形納入地表沉陷分析中確定了煤炭開采后地面將出現(xiàn)的積水區(qū)域范圍，并通過(guò)高分辨率遙感影像獲取實(shí)際積水信息，對(duì)以上兩種方法確定的沉陷積水范圍進(jìn)行了精度對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：考慮原始地形后確定的沉陷積水范圍與傳統(tǒng)未考慮原始地形方法相比，其面積相對(duì)精度提高了約13%，位置精度也由傳統(tǒng)方法的106提高到58，因此考慮原始地形確定沉陷積水范圍的方法更加科學(xué)合理，且更貼近于實(shí)際情況，這將為采煤沉陷地復(fù)墾規(guī)劃與方案提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而促進(jìn)復(fù)墾工作的實(shí)施與開展。

關(guān)鍵詞：高潛水位；沉陷積水范圍；原始地形；GIS；遙感

中國(guó)是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，據(jù)《2014年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，2014年全年我國(guó)原煤產(chǎn)量為38.7億t，消費(fèi)量約為35.1億t。煤炭在為國(guó)民經(jīng)濟(jì)做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也帶來(lái)了許多問(wèn)題[1]。尤其是在高潛水位煤礦區(qū)，采煤沉陷后，大面積土地出現(xiàn)積水[2-3]，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，我國(guó)十四大煤炭基地中的五個(gè)屬于高潛水位礦區(qū)，分別為兩淮基地、魯西基地、河南基地、冀中基地以及蒙東基地的東北部，這些礦區(qū)的地下煤炭開采，最終形成的積水面積將會(huì)超過(guò)19088km2[4-5]，采煤沉陷后的積水比例達(dá)到50%以上[6]，這將給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民生活帶來(lái)了嚴(yán)重的影響[7]，因此急需在采前掌握沉陷積水位置和范圍，以便做好防范措施，并進(jìn)行復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計(jì)[8]，從而指導(dǎo)礦井進(jìn)行綠色開采設(shè)計(jì)。采煤沉陷積水范圍的確定主要涉及兩方面的關(guān)鍵因素：一是能夠真實(shí)反映采煤沉陷后的地面高程信息；二是當(dāng)?shù)氐臐撍宦裆钋闆r[9]。

在平原礦區(qū)，由于采前地表形態(tài)較為平坦，坡度一般在5°以下，在預(yù)測(cè)未來(lái)采煤沉陷積水位置和范圍時(shí)，原始地形往往被人們所忽略，僅根據(jù)預(yù)計(jì)的下沉等值線和當(dāng)?shù)氐臐撍宦裆畲_定[10-11]，目前土地復(fù)墾方案和土地復(fù)墾規(guī)劃中大多采用此類方法。然而，因?yàn)闆](méi)有考慮原始地形的高低起伏，這種方法只能夠反映地面為水平時(shí)的積水情況，所獲得的積水范圍通常與實(shí)際沉陷積水范圍有所差異。

因此顧及原始地貌特征的地表沉陷研究成為了熱點(diǎn)，易四海、王京衛(wèi)、郭獻(xiàn)濤等先后利用不同的軟件和方法生成了，采煤沉陷后顧及原始地形的礦區(qū)地貌[12-14]，但這些研究側(cè)重于應(yīng)用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，過(guò)程較為復(fù)雜，不利于大范圍推廣實(shí)現(xiàn)。本文借鑒以上思想，基于原始地形信息和采煤沉陷預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)提供的空間分析功能，將原始地形納入地表沉陷分析中，模擬更貼近于實(shí)際情況的采后地表形態(tài)，同時(shí)考慮當(dāng)?shù)氐臐撍宦裆?，進(jìn)而確定地下煤炭開采后，將形成的沉陷積水區(qū)域范圍。最后利用高分辨率遙感影像解譯出實(shí)際積水信息，對(duì)以上兩種方法確定的沉陷積水范圍進(jìn)行了精度對(duì)比分析

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省淮南市西北部，屬于淮河沖積平原，地面平坦開闊，地勢(shì)西北高、東南低，地表高程一般為+21.5～+25.4m，平均標(biāo)高在+23.1m左右。所在區(qū)域?qū)偌撅L(fēng)溫暖帶半濕潤(rùn)氣候，季節(jié)性明顯，夏季炎熱，冬季寒冷，降雨多集中在6月、7月、8月三個(gè)月，約占全年的40%，年平均降雨量926.3mm，年平均蒸發(fā)量1610.14mm，蒸發(fā)量大于降雨量，潮濕系數(shù)近似0.5。區(qū)內(nèi)溝渠縱橫，水利設(shè)施完善，當(dāng)?shù)貪撍宦裆罴s為1.5m，因此地下煤炭開采沉陷后，地表極易形成積水。

該煤礦于2007年底投產(chǎn)，主要開采A、B兩個(gè)煤層，這兩個(gè)煤層均為全區(qū)可采，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬于穩(wěn)定煤層。A、B兩個(gè)煤層平均厚度分別為2.7m、4.5m。根據(jù)礦山到2014年底的開采計(jì)劃，選取位于礦井中西部的一塊區(qū)域作為本文的研究區(qū)域，自2007年底投產(chǎn)到2014年底，研究區(qū)范圍內(nèi)開采涉及A、B兩個(gè)煤層的7個(gè)工作面，其中A煤層5個(gè)工作面，B煤層2個(gè)工作面，如圖 1所示。

概率積分法因其參數(shù)容易確定、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前我國(guó)各礦區(qū)比較常用的采煤沉陷預(yù)計(jì)方法[14]。本文根據(jù)國(guó)家煤炭工業(yè)局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程(2000版)》中關(guān)于概率積分法下沉系數(shù)、主要影響角正切、水平移動(dòng)系數(shù)、拐點(diǎn)偏移系數(shù)、開采影響傳播角等沉陷預(yù)計(jì)一般參數(shù)，結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際煤層地質(zhì)條件以及對(duì)地表移動(dòng)參數(shù)進(jìn)行的分析，確定了該礦的沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

圖1　開采工作面布置示意圖

序號(hào)預(yù)測(cè)參數(shù)符號(hào)單位預(yù)測(cè)參數(shù)值備注1下沉系數(shù)0.91重復(fù)采動(dòng)下沉系數(shù)取1.112主要影響正切2.103水平移動(dòng)系數(shù)b0.314拐點(diǎn)偏移距Sm0.05HH為煤層埋深5影響傳播角deg90-0.6αα為煤層傾角

2沉陷積水范圍確定方法

2.1沉陷預(yù)計(jì)

本文根據(jù)礦井采煤沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)和研究區(qū)內(nèi)的工作面開采計(jì)劃，利用沉陷預(yù)計(jì)軟件，對(duì)研究區(qū)內(nèi)2007～2014年底的采煤沉陷情況進(jìn)行了預(yù)計(jì)計(jì)算。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出采煤沉陷影響區(qū)域總面積360hm2，最大下沉值約為6.6m，預(yù)計(jì)下沉等值線如圖 2所示。

2.2傳統(tǒng)未考慮原始地形沉陷積水范圍確定方法

傳統(tǒng)未考慮原始地形的沉陷積水范圍確定方法一般僅根據(jù)預(yù)計(jì)的下沉等值線和當(dāng)?shù)氐臐撍宦裆畲_定采煤沉陷后的積水范圍。本研究區(qū)內(nèi)的潛水位埋深為1.5m，因此煤炭開采后，預(yù)計(jì)下沉等值線值≥1.5m的區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)積水(圖 3)，可以看出由下沉等值線圈定的積水區(qū)域形狀規(guī)則、邊界圓潤(rùn)，積水面積為191hm2。

2.3考慮原始地形的沉陷積水范圍確定方法

考慮原始地形的沉陷積水范圍確定方法著重利用地理信息系統(tǒng)(GIS)強(qiáng)大的空間分析功能，將原始地形納入地表采煤沉陷分析中。在考慮原始地形的前提下，結(jié)合煤炭開采引起的地表下沉以及當(dāng)?shù)貪撍宦裆钋闆r，共同確定采煤沉陷后的積水范圍。本文以ArcGIS軟件為平臺(tái)，首先根據(jù)地面原始高程信息(地表高程點(diǎn)或等高線)構(gòu)建原始地表DEM，如圖4所示，同理根據(jù)沉陷預(yù)計(jì)的下沉等值線構(gòu)建研究區(qū)下沉DEM(圖5)，最后利用柵格計(jì)算Raster calculator工具將這兩個(gè)DEM模型進(jìn)行疊加分析，得到煤炭開采后地表DEM(圖6)。

本文研究區(qū)地面原始高程一般為+21.5～+25.4m，平均標(biāo)高在+23.1m左右，由于當(dāng)?shù)貪撍宦裆罴s為1.5m，因此采煤沉陷后高程值≤+21.6m的區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)積水(圖7)，由于考慮了原始地形的高低起伏，采煤沉陷后的積水區(qū)域也呈現(xiàn)出略不規(guī)則的特點(diǎn)，積水面積為165hm2。

圖2　采煤沉陷下沉等值線圖

圖3　傳統(tǒng)方法確定的沉陷積水范圍

圖4　煤炭開采前原始地表DEM

圖5　研究區(qū)采煤沉陷DEM

圖6　煤炭開采后地表DEM

圖7　考慮原始地形后確定的沉陷積水范圍

3精度對(duì)比分析

為了更好的對(duì)比分析上文中兩種方法的優(yōu)劣性，本文基于研究區(qū)2014年12月份高分辨率遙感影像，根據(jù)沉陷積水為不規(guī)則環(huán)形或橢圓形黑色斑塊，且與周圍顏色截然不同等解譯標(biāo)志[8]，提取了該區(qū)域內(nèi)的積水信息，如圖8所示，積水區(qū)域邊緣基本比較規(guī)則，積水面積約為160hm2，并將此作為沉陷積水范圍真實(shí)值。

圖8　遙感圖像解譯出的沉陷積水范圍

圖9　不同方法確定的積水范圍對(duì)比圖

圖10　不同積水范圍至遙感解譯范圍的距離示意圖

將上一節(jié)中獲得的采煤沉陷積水范圍與遙感解譯出的積水范圍進(jìn)行對(duì)比分析。

1)沉陷積水面積。從沉陷積水面積來(lái)看(表2)，傳統(tǒng)未考慮原始地形確定的積水面積明顯大于利用遙感影像解譯出的真實(shí)值積水面積，而考慮原始地形確定的積水面積卻幾近于遙感解譯積水面積，相差僅5hm2，同時(shí)其相對(duì)精度也較未考慮原始地形確定的積水面積提高了13%左右。

表2　積水區(qū)域面積統(tǒng)計(jì)表

2)沉陷積水位置。從確定的沉陷積水位置來(lái)看(圖 9)，上述兩種方法確定的積水范圍在東南部與遙感圖像解譯出的真實(shí)積水范圍幾近重合，其他部分差異較大，經(jīng)分析可能由于東南部原始地形較低，采煤沉陷后積水向此處匯集，從而導(dǎo)致其他原始高程較高的區(qū)域水位下降。同時(shí)傳統(tǒng)未考慮原始地形確定的積水范圍最大，完全覆蓋住了遙感解譯真實(shí)積水范圍，而考慮原始地形確定的積水范圍，除西部和東北部邊緣外，與遙感解譯真實(shí)積水范圍基本吻合。

本文以遙感影像解譯出的真實(shí)積水范圍的邊界輪廓線為基礎(chǔ)，等間距繪制n條法線(n=26)，詳見圖 10，分別測(cè)量出未考慮原始地形確定的積水范圍和考慮原始地形確定的積水范圍沿法線方向到遙感解譯積水范圍的距離d1i、d2i(i=1，2，…n 并規(guī)定d1i、d2i在積水范圍3內(nèi)側(cè)時(shí)為負(fù)值，外側(cè)時(shí)為正值)，則沉陷積水范圍確定的位置精度可表示為式(1)。

(1)

從圖10和表3中可以看出，未考慮原始地形確定的積水范圍幾乎全部位于遙感解譯積水范圍的外側(cè)，因此測(cè)量獲得的d1i值幾乎均大于0，且數(shù)值較大，表明傳統(tǒng)方法未考慮原始地形確定的積水范圍較真實(shí)情況擴(kuò)大了很多。考慮原始地形確定的積水范圍雖與遙感解譯積水范圍有交錯(cuò)相交部分，但d2i仍然以正值為主，說(shuō)明考慮原始地形而確定的積水范圍較遙感解譯積水范圍也稍有擴(kuò)大。

表3　距離統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，傳統(tǒng)未考慮原始地形確定的沉陷積水范圍的位置精度δ1為106，考慮原始地形而確定的沉陷積水范圍的位置精度δ2為58，可以看出δ2明顯高于δ1。

4結(jié)論與不足

針對(duì)目前高潛水位平原礦區(qū)采煤沉陷后，積水位置和范圍難以精確預(yù)測(cè)的問(wèn)題，本文以原始地形和采煤沉陷預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用GIS的空間分析功能，將原始地形特征納入地表沉陷分析中，同時(shí)結(jié)合區(qū)域潛水位埋深，模擬確定了煤炭開采后地表積水的位置和范圍，與傳統(tǒng)未考慮原始地形確定的沉陷積水范圍輪廓線十分規(guī)則、圓潤(rùn)的特點(diǎn)相比，考慮原始地形而確定的沉陷積水范圍更接近于遙感解譯實(shí)際積水區(qū)域不太規(guī)則的形態(tài)，同時(shí)精度對(duì)比分析結(jié)果顯示，考慮原始地形而確定的沉陷積水范圍，比傳統(tǒng)未考慮原始地形確定的沉陷積水范圍的面積相對(duì)精度提高了13%，位置精度也由106提高到58，表明考慮原始地形確定沉陷積水范圍的方法更加科學(xué)合理，且更貼近于實(shí)際情況，這將為采煤沉陷地復(fù)墾規(guī)劃和土地復(fù)墾方案提供精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而促進(jìn)復(fù)墾規(guī)劃和方案的實(shí)地實(shí)施。

當(dāng)然，在地面絕對(duì)平坦，且可獲得詳盡的當(dāng)?shù)貪撍毁Y料時(shí)，不考慮原始地形也可以預(yù)測(cè)出較精確的沉陷積水范圍。在地勢(shì)起伏較大時(shí)，如果對(duì)沉陷積水范圍精度要求不是很高，進(jìn)行粗略規(guī)劃設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮成本因素的情況下，可以使用傳統(tǒng)未考慮原始地形的方法，獲得大致沉陷積水范圍；如果在進(jìn)行精細(xì)規(guī)劃設(shè)計(jì)、土方工程計(jì)算，或地表有急需要保護(hù)的地面附著物(如基礎(chǔ)設(shè)施、農(nóng)作物等)時(shí)，建議考慮原始地形，進(jìn)而確定精確的沉陷積水范圍。

本文利用GIS的空間分析功能，考慮了原始地形對(duì)采煤沉陷后地表形態(tài)的影響，從而獲得了與實(shí)際情況更為貼近的采后地面DEM。但由于研究區(qū)范圍內(nèi)詳細(xì)潛水位數(shù)據(jù)不可獲得，并沒(méi)有充分考慮區(qū)域潛水位變化問(wèn)題，僅以當(dāng)?shù)卮髤^(qū)域的地下潛水位埋深值判定沉陷后是否積水。因此，在人力物力允許的情況下，應(yīng)盡量獲取礦山范圍內(nèi)地下潛水位高程數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得更加精準(zhǔn)的沉陷積水信息。

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Demarcation of coal mining subsidence waterlogged area based on original topography

ZHANG Rui-ya1，XIAO Wu1，SHI Ya-li2，CHEN Hui-ling1，LI Wen-yu1，YUAN Dong-zhu1

(1.Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration，China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China；2.Institute of Technology，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China)

Abstract:In high ground water level region，large amount of land will submerge into water after underground coal mining which will seriously impact the eco-environment，industrial and agricultural production，and people’s daily lives.Currently，when designing land reclamation，it needs to demarcate subsidence waterlogged region in the future.Traditional method usually bases on the subsidence equivalent curves and local ground water table.Since the original topography hasn’t been taken into consideration，big deviation will emerge when compared to the real situation.So making good use of special analysis function provided by Geography Information System (GIS)，this paper integrates original terrain into the analysis of surface mining subsidence.According to the analysis above and ground water table in the mining area，waterlogged area is finally delineated.In order to demonstrate the superiority-inferiority of these two different methods，the information of real waterlogged area is extracted based on high-resolution Remote Sensing image.The result shows that the area accuracy of considering original topography method is 13% higher than that of traditional demarcating method.Meanwhile，the position accuracy increases to 58 from 106 in traditional method.Thus，the method of considering original topography is more scientific and reasonable，and closer to actual circumstance.This research would provide precise data for coal mining subsidence reclamation plan and improve its implementation in field.

Key words：high ground water level；subsidence waterlogged area；original topography；GIS；RS

收稿日期：2015-12-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：41401609)

作者簡(jiǎn)介：張瑞婭(1988-)，女，河北石家莊人，博士研究生，研究方向?yàn)橥恋貜?fù)墾、生態(tài)重建與測(cè)繪。E-mail: zhangruiyaz@163.com。 通訊作者：肖武(1983- )，男，湖南婁底人，副教授，從事測(cè)繪、GIS、開采沉陷與土地復(fù)墾研究。E-mail: xiaowuwx@126.com。

中圖分類號(hào)：TD88

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)06-0143-05