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.中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建研究所，北京 100083；2.河北農業大學理工學院，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.中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建研究所，北京 100083；2.河北農業大學理工學院，河北 保定 071001)

摘要：高潛水位礦區采煤沉陷后，將導致大面積積水，給當地的生態環境、工農業生產以及人民生活帶來了嚴重影響。目前土地復墾方案編制過程中需要對未來沉陷積水范圍進行預測，常規做法是根據預計的下沉等值線和當地潛水位埋深確定采煤沉陷后的積水范圍，由于沒有考慮原始地形的影響，通過這種簡單預測所獲得的積水范圍往往與實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的積水區域范圍，并通過高分辨率遙感影像獲取實際積水信息，對以上兩種方法確定的沉陷積水范圍進行了精度對比分析。研究結果表明：考慮原始地形后確定的沉陷積水范圍與傳統未考慮原始地形方法相比，其面積相對精度提高了約13%，位置精度也由傳統方法的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合理，且更貼近于實際情況，這將為采煤沉陷地復墾規劃與方案提供精確的基礎數據，從而促進復墾工作的實施與開展。

關鍵詞：高潛水位；沉陷積水范圍；原始地形；GIS；遙感

中國是煤炭生產和消費大國，據《2014年國民經濟和社會發展統計公報》，2014年全年我國原煤產量為38.7億t，消費量約為35.1億t。煤炭在為國民經濟做出巨大貢獻的同時，也帶來了許多問題[1]。尤其是在高潛水位煤礦區，采煤沉陷后，大面積土地出現積水[2-3]，據統計分析，我國十四大煤炭基地中的五個屬于高潛水位礦區，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，這些礦區的地下煤炭開采，最終形成的積水面積將會超過19088km2[4-5]，采煤沉陷后的積水比例達到50%以上[6]，這將給當地的生態環境、工農業生產以及人民生活帶來了嚴重的影響[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，并進行復墾規劃設計[8]，從而指導礦井進行綠色開采設計。采煤沉陷積水范圍的確定主要涉及兩方面的關鍵因素：一是能夠真實反映采煤沉陷后的地面高程信息；二是當地的潛水位埋深情況[9]。

在平原礦區，由于采前地表形態較為平坦，坡度一般在5°以下，在預測未來采煤沉陷積水位置和范圍時，原始地形往往被人們所忽略，僅根據預計的下沉等值線和當地的潛水位埋深確定[10-11]，目前土地復墾方案和土地復墾規劃中大多采用此類方法。然而，因為沒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的積水情況，所獲得的積水范圍通常與實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，易四海、王京衛、郭獻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地貌[12-14]，但這些研究側重于應用計算機編程實現，過程較為復雜，不利于大范圍推廣實現。本文借鑒以上思想，基于原始地形信息和采煤沉陷預計數據，利用地理信息系統(GIS)提供的空間分析功能，將原始地形納入地表沉陷分析中，模擬更貼近于實際情況的采后地表形態，同時考慮當地的潛水位埋深，進而確定地下煤炭開采后，將形成的沉陷積水區域范圍。最后利用高分辨率遙感影像解譯出實際積水信息，對以上兩種方法確定的沉陷積水范圍進行了精度對比分析

1研究區概況

研究區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，地勢西北高、東南低，地表高程一般為+21.5～+25.4m，平均標高在+23.1m左右。所在區域屬季風溫暖帶半濕潤氣候，季節性明顯，夏季炎熱，冬季寒冷，降雨多集中在6月、7月、8月三個月，約占全年的40%，年平均降雨量926.3mm，年平均蒸發量1610.14mm，蒸發量大于降雨量，潮濕系數近似0.5。區內溝渠縱橫，水利設施完善，當地潛水位埋深約為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，主要開采A、B兩個煤層，這兩個煤層均為全區可采，且結構簡單，屬于穩定煤層。A、B兩個煤層平均厚度分別為2.7m、4.5m。根據礦山到2014年底的開采計劃，選取位于礦井中西部的一塊區域作為本文的研究區域，自2007年底投產到2014年底，研究區范圍內開采涉及A、B兩個煤層的7個工作面，其中A煤層5個工作面，B煤層2個工作面，如圖 1所示。

概率積分法因其參數容易確定、實用性強等優點，是目前我國各礦區比較常用的采煤沉陷預計方法[14]。本文根據國家煤炭工業局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程(2000版)》中關于概率積分法下沉系數、主要影響角正切、水平移動系數、拐點偏移系數、開采影響傳播角等沉陷預計一般參數，結合礦區的實際煤層地質條件以及對地表移動參數進行的分析，確定了該礦的沉陷預計參數，如表1所示。

圖1　開采工作面布置示意圖

序號預測參數符號單位預測參數值備注1下沉系數0.91重復采動下沉系數取1.112主要影響正切2.103水平移動系數b0.314拐點偏移距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沉陷預計

本文根據礦井采煤沉陷預計參數和研究區內的工作面開采計劃，利用沉陷預計軟件，對研究區內2007～2014年底的采煤沉陷情況進行了預計計算。經統計分析得出采煤沉陷影響區域總面積360hm2，最大下沉值約為6.6m，預計下沉等值線如圖 2所示。

2.2傳統未考慮原始地形沉陷積水范圍確定方法

傳統未考慮原始地形的沉陷積水范圍確定方法一般僅根據預計的下沉等值線和當地的潛水位埋深確定采煤沉陷后的積水范圍。本研究區內的潛水位埋深為1.5m，因此煤炭開采后，預計下沉等值線值≥1.5m的區域將出現積水(圖 3)，可以看出由下沉等值線圈定的積水區域形狀規則、邊界圓潤，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(GIS)強大的空間分析功能，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，結合煤炭開采引起的地表下沉以及當地潛水位埋深情況，共同確定采煤沉陷后的積水范圍。本文以ArcGIS軟件為平臺，首先根據地面原始高程信息(地表高程點或等高線)構建原始地表DEM，如圖4所示，同理根據沉陷預計的下沉等值線構建研究區下沉DEM(圖5)，最后利用柵格計算Raster calculator工具將這兩個DEM模型進行疊加分析，得到煤炭開采后地表DEM(圖6)。

本文研究區地面原始高程一般為+21.5～+25.4m，平均標高在+23.1m左右，由于當地潛水位埋深約為1.5m，因此采煤沉陷后高程值≤+21.6m的區域將出現積水(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域也呈現出略不規則的特點，積水面積為165hm2。

圖2　采煤沉陷下沉等值線圖

圖3　傳統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精度對比分析

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

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

將上一節中獲得的采煤沉陷積水范圍與遙感解譯出的積水范圍進行對比分析。

1)沉陷積水面積。從沉陷積水面積來看(表2)，傳統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，同時其相對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　積水區域面積統計表

2)沉陷積水位置。從確定的沉陷積水位置來看(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積水范圍幾近重合，其他部分差異較大，經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，從而導致其他原始高程較高的區域水位下降。同時傳統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，與遙感解譯真實積水范圍基本吻合。

本文以遙感影像解譯出的真實積水范圍的邊界輪廓線為基礎，等間距繪制n條法線(n=26)，詳見圖 10，分別測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 并規定d1i、d2i在積水范圍3內側時為負值，外側時為正值)，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，因此測量獲得的d1i值幾乎均大于0，且數值較大，表明傳統方法未考慮原始地形確定的積水范圍較真實情況擴大了很多?？紤]原始地形確定的積水范圍雖與遙感解譯積水范圍有交錯相交部分，但d2i仍然以正值為主，說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大。

表3　距離統計數據

經統計計算，傳統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結論與不足

針對目前高潛水位平原礦區采煤沉陷后，積水位置和范圍難以精確預測的問題，本文以原始地形和采煤沉陷預計數據為基礎，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，同時結合區域潛水位埋深，模擬確定了煤炭開采后地表積水的位置和范圍，與傳統未考慮原始地形確定的沉陷積水范圍輪廓線十分規則、圓潤的特點相比，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際積水區域不太規則的形態，同時精度對比分析結果顯示，考慮原始地形而確定的沉陷積水范圍，比傳統未考慮原始地形確定的沉陷積水范圍的面積相對精度提高了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合理，且更貼近于實際情況，這將為采煤沉陷地復墾規劃和土地復墾方案提供精確的基礎數據，從而促進復墾規劃和方案的實地實施。

當然，在地面絕對平坦，且可獲得詳盡的當地潛水位資料時，不考慮原始地形也可以預測出較精確的沉陷積水范圍。在地勢起伏較大時，如果對沉陷積水范圍精度要求不是很高，進行粗略規劃設計，同時考慮成本因素的情況下，可以使用傳統未考慮原始地形的方法，獲得大致沉陷積水范圍；如果在進行精細規劃設計、土方工程計算，或地表有急需要保護的地面附著物(如基礎設施、農作物等)時，建議考慮原始地形，進而確定精確的沉陷積水范圍。

本文利用GIS的空間分析功能，考慮了原始地形對采煤沉陷后地表形態的影響，從而獲得了與實際情況更為貼近的采后地面DEM。但由于研究區范圍內詳細潛水位數據不可獲得，并沒有充分考慮區域潛水位變化問題，僅以當地大區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，應盡量獲取礦山范圍內地下潛水位高程數據，進而獲得更加精準的沉陷積水信息。

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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

基金項目：國家自然科學基金項目資助(編號：41401609)

作者簡介：張瑞婭(1988-)，女，河北石家莊人，博士研究生，研究方向為土地復墾、生態重建與測繪。E-mail: zhangruiyaz@163.com。 通訊作者：肖武(1983- )，男，湖南婁底人，副教授，從事測繪、GIS、開采沉陷與土地復墾研究。E-mail: xiaowuwx@126.com。

中圖分類號：TD88

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)06-0143-05