考虑原始地形的采煤沉陷积水范围确定方法

张瑞娅，肖　武，史亚立，陈慧玲，李文玉，袁冬竹

(1.中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 100083；2.河北农业大学理工学院，河北 保定 071001)

考虑原始地形的采煤沉陷积水范围确定方法

张瑞娅1，肖武1，史亚立2，陈慧玲1，李文玉1，袁冬竹1

(1.中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 100083；2.河北农业大学理工学院，河北 保定 071001)

摘要：高潜水位矿区采煤沉陷后，将导致大面积积水，给当地的生态环境、工农业生产以及人民生活带来了严重影响。目前土地复垦方案编制过程中需要对未来沉陷积水范围进行预测，常规做法是根据预计的下沉等值线和当地潜水位埋深确定采煤沉陷后的积水范围，由于没有考虑原始地形的影响，通过这种简单预测所获得的积水范围往往与实际积水范围有所差异。本文利用GIS提供的空间分析功能，将原始地形纳入地表沉陷分析中确定了煤炭开采后地面将出现的积水区域范围，并通过高分辨率遥感影像获取实际积水信息，对以上两种方法确定的沉陷积水范围进行了精度对比分析。研究结果表明：考虑原始地形后确定的沉陷积水范围与传统未考虑原始地形方法相比，其面积相对精度提高了约13%，位置精度也由传统方法的106提高到58，因此考虑原始地形确定沉陷积水范围的方法更加科学合理，且更贴近于实际情况，这将为采煤沉陷地复垦规划与方案提供精确的基础数据，从而促进复垦工作的实施与开展。

关键词：高潜水位；沉陷积水范围；原始地形；GIS；遥感

中国是煤炭生产和消费大国，据《2014年国民经济和社会发展统计公报》，2014年全年我国原煤产量为38.7亿t，消费量约为35.1亿t。煤炭在为国民经济做出巨大贡献的同时，也带来了许多问题[1]。尤其是在高潜水位煤矿区，采煤沉陷后，大面积土地出现积水[2-3]，据统计分析，我国十四大煤炭基地中的五个属于高潜水位矿区，分别为两淮基地、鲁西基地、河南基地、冀中基地以及蒙东基地的东北部，这些矿区的地下煤炭开采，最终形成的积水面积将会超过19088km2[4-5]，采煤沉陷后的积水比例达到50%以上[6]，这将给当地的生态环境、工农业生产以及人民生活带来了严重的影响[7]，因此急需在采前掌握沉陷积水位置和范围，以便做好防范措施，并进行复垦规划设计[8]，从而指导矿井进行绿色开采设计。采煤沉陷积水范围的确定主要涉及两方面的关键因素：一是能够真实反映采煤沉陷后的地面高程信息；二是当地的潜水位埋深情况[9]。

在平原矿区，由于采前地表形态较为平坦，坡度一般在5°以下，在预测未来采煤沉陷积水位置和范围时，原始地形往往被人们所忽略，仅根据预计的下沉等值线和当地的潜水位埋深确定[10-11]，目前土地复垦方案和土地复垦规划中大多采用此类方法。然而，因为没有考虑原始地形的高低起伏，这种方法只能够反映地面为水平时的积水情况，所获得的积水范围通常与实际沉陷积水范围有所差异。

因此顾及原始地貌特征的地表沉陷研究成为了热点，易四海、王京卫、郭献涛等先后利用不同的软件和方法生成了，采煤沉陷后顾及原始地形的矿区地貌[12-14]，但这些研究侧重于应用计算机编程实现，过程较为复杂，不利于大范围推广实现。本文借鉴以上思想，基于原始地形信息和采煤沉陷预计数据，利用地理信息系统(GIS)提供的空间分析功能，将原始地形纳入地表沉陷分析中，模拟更贴近于实际情况的采后地表形态，同时考虑当地的潜水位埋深，进而确定地下煤炭开采后，将形成的沉陷积水区域范围。最后利用高分辨率遥感影像解译出实际积水信息，对以上两种方法确定的沉陷积水范围进行了精度对比分析

1研究区概况

研究区位于安徽省淮南市西北部，属于淮河冲积平原，地面平坦开阔，地势西北高、东南低，地表高程一般为+21.5～+25.4m，平均标高在+23.1m左右。所在区域属季风温暖带半湿润气候，季节性明显，夏季炎热，冬季寒冷，降雨多集中在6月、7月、8月三个月，约占全年的40%，年平均降雨量926.3mm，年平均蒸发量1610.14mm，蒸发量大于降雨量，潮湿系数近似0.5。区内沟渠纵横，水利设施完善，当地潜水位埋深约为1.5m，因此地下煤炭开采沉陷后，地表极易形成积水。

该煤矿于2007年底投产，主要开采A、B两个煤层，这两个煤层均为全区可采，且结构简单，属于稳定煤层。A、B两个煤层平均厚度分别为2.7m、4.5m。根据矿山到2014年底的开采计划，选取位于矿井中西部的一块区域作为本文的研究区域，自2007年底投产到2014年底，研究区范围内开采涉及A、B两个煤层的7个工作面，其中A煤层5个工作面，B煤层2个工作面，如图 1所示。

概率积分法因其参数容易确定、实用性强等优点，是目前我国各矿区比较常用的采煤沉陷预计方法[14]。本文根据国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程(2000版)》中关于概率积分法下沉系数、主要影响角正切、水平移动系数、拐点偏移系数、开采影响传播角等沉陷预计一般参数，结合矿区的实际煤层地质条件以及对地表移动参数进行的分析，确定了该矿的沉陷预计参数，如表1所示。

图1　开采工作面布置示意图

序号预测参数符号单位预测参数值备注1下沉系数0.91重复采动下沉系数取1.112主要影响正切2.103水平移动系数b0.314拐点偏移距Sm0.05HH为煤层埋深5影响传播角deg90-0.6αα为煤层倾角

2沉陷积水范围确定方法

2.1沉陷预计

本文根据矿井采煤沉陷预计参数和研究区内的工作面开采计划，利用沉陷预计软件，对研究区内2007～2014年底的采煤沉陷情况进行了预计计算。经统计分析得出采煤沉陷影响区域总面积360hm2，最大下沉值约为6.6m，预计下沉等值线如图 2所示。

2.2传统未考虑原始地形沉陷积水范围确定方法

传统未考虑原始地形的沉陷积水范围确定方法一般仅根据预计的下沉等值线和当地的潜水位埋深确定采煤沉陷后的积水范围。本研究区内的潜水位埋深为1.5m，因此煤炭开采后，预计下沉等值线值≥1.5m的区域将出现积水(图 3)，可以看出由下沉等值线圈定的积水区域形状规则、边界圆润，积水面积为191hm2。

2.3考虑原始地形的沉陷积水范围确定方法

考虑原始地形的沉陷积水范围确定方法着重利用地理信息系统(GIS)强大的空间分析功能，将原始地形纳入地表采煤沉陷分析中。在考虑原始地形的前提下，结合煤炭开采引起的地表下沉以及当地潜水位埋深情况，共同确定采煤沉陷后的积水范围。本文以ArcGIS软件为平台，首先根据地面原始高程信息(地表高程点或等高线)构建原始地表DEM，如图4所示，同理根据沉陷预计的下沉等值线构建研究区下沉DEM(图5)，最后利用栅格计算Raster calculator工具将这两个DEM模型进行叠加分析，得到煤炭开采后地表DEM(图6)。

本文研究区地面原始高程一般为+21.5～+25.4m，平均标高在+23.1m左右，由于当地潜水位埋深约为1.5m，因此采煤沉陷后高程值≤+21.6m的区域将出现积水(图7)，由于考虑了原始地形的高低起伏，采煤沉陷后的积水区域也呈现出略不规则的特点，积水面积为165hm2。

图2　采煤沉陷下沉等值线图

图3　传统方法确定的沉陷积水范围

图4　煤炭开采前原始地表DEM

图5　研究区采煤沉陷DEM

图6　煤炭开采后地表DEM

图7　考虑原始地形后确定的沉陷积水范围

3精度对比分析

为了更好的对比分析上文中两种方法的优劣性，本文基于研究区2014年12月份高分辨率遥感影像，根据沉陷积水为不规则环形或椭圆形黑色斑块，且与周围颜色截然不同等解译标志[8]，提取了该区域内的积水信息，如图8所示，积水区域边缘基本比较规则，积水面积约为160hm2，并将此作为沉陷积水范围真实值。

图8　遥感图像解译出的沉陷积水范围

图9　不同方法确定的积水范围对比图

图10　不同积水范围至遥感解译范围的距离示意图

将上一节中获得的采煤沉陷积水范围与遥感解译出的积水范围进行对比分析。

1)沉陷积水面积。从沉陷积水面积来看(表2)，传统未考虑原始地形确定的积水面积明显大于利用遥感影像解译出的真实值积水面积，而考虑原始地形确定的积水面积却几近于遥感解译积水面积，相差仅5hm2，同时其相对精度也较未考虑原始地形确定的积水面积提高了13%左右。

表2　积水区域面积统计表

2)沉陷积水位置。从确定的沉陷积水位置来看(图 9)，上述两种方法确定的积水范围在东南部与遥感图像解译出的真实积水范围几近重合，其他部分差异较大，经分析可能由于东南部原始地形较低，采煤沉陷后积水向此处汇集，从而导致其他原始高程较高的区域水位下降。同时传统未考虑原始地形确定的积水范围最大，完全覆盖住了遥感解译真实积水范围，而考虑原始地形确定的积水范围，除西部和东北部边缘外，与遥感解译真实积水范围基本吻合。

本文以遥感影像解译出的真实积水范围的边界轮廓线为基础，等间距绘制n条法线(n=26)，详见图 10，分别测量出未考虑原始地形确定的积水范围和考虑原始地形确定的积水范围沿法线方向到遥感解译积水范围的距离d1i、d2i(i=1，2，…n 并规定d1i、d2i在积水范围3内侧时为负值，外侧时为正值)，则沉陷积水范围确定的位置精度可表示为式(1)。

(1)

从图10和表3中可以看出，未考虑原始地形确定的积水范围几乎全部位于遥感解译积水范围的外侧，因此测量获得的d1i值几乎均大于0，且数值较大，表明传统方法未考虑原始地形确定的积水范围较真实情况扩大了很多。考虑原始地形确定的积水范围虽与遥感解译积水范围有交错相交部分，但d2i仍然以正值为主，说明考虑原始地形而确定的积水范围较遥感解译积水范围也稍有扩大。

表3　距离统计数据

经统计计算，传统未考虑原始地形确定的沉陷积水范围的位置精度δ1为106，考虑原始地形而确定的沉陷积水范围的位置精度δ2为58，可以看出δ2明显高于δ1。

4结论与不足

针对目前高潜水位平原矿区采煤沉陷后，积水位置和范围难以精确预测的问题，本文以原始地形和采煤沉陷预计数据为基础，利用GIS的空间分析功能，将原始地形特征纳入地表沉陷分析中，同时结合区域潜水位埋深，模拟确定了煤炭开采后地表积水的位置和范围，与传统未考虑原始地形确定的沉陷积水范围轮廓线十分规则、圆润的特点相比，考虑原始地形而确定的沉陷积水范围更接近于遥感解译实际积水区域不太规则的形态，同时精度对比分析结果显示，考虑原始地形而确定的沉陷积水范围，比传统未考虑原始地形确定的沉陷积水范围的面积相对精度提高了13%，位置精度也由106提高到58，表明考虑原始地形确定沉陷积水范围的方法更加科学合理，且更贴近于实际情况，这将为采煤沉陷地复垦规划和土地复垦方案提供精确的基础数据，从而促进复垦规划和方案的实地实施。

当然，在地面绝对平坦，且可获得详尽的当地潜水位资料时，不考虑原始地形也可以预测出较精确的沉陷积水范围。在地势起伏较大时，如果对沉陷积水范围精度要求不是很高，进行粗略规划设计，同时考虑成本因素的情况下，可以使用传统未考虑原始地形的方法，获得大致沉陷积水范围；如果在进行精细规划设计、土方工程计算，或地表有急需要保护的地面附着物(如基础设施、农作物等)时，建议考虑原始地形，进而确定精确的沉陷积水范围。

本文利用GIS的空间分析功能，考虑了原始地形对采煤沉陷后地表形态的影响，从而获得了与实际情况更为贴近的采后地面DEM。但由于研究区范围内详细潜水位数据不可获得，并没有充分考虑区域潜水位变化问题，仅以当地大区域的地下潜水位埋深值判定沉陷后是否积水。因此，在人力物力允许的情况下，应尽量获取矿山范围内地下潜水位高程数据，进而获得更加精准的沉陷积水信息。

参考文献

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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

基金项目：国家自然科学基金项目资助(编号：41401609)

作者简介：张瑞娅(1988-)，女，河北石家庄人，博士研究生，研究方向为土地复垦、生态重建与测绘。E-mail: zhangruiyaz@163.com。 通讯作者：肖武(1983- )，男，湖南娄底人，副教授，从事测绘、GIS、开采沉陷与土地复垦研究。E-mail: xiaowuwx@126.com。

中图分类号：TD88

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)06-0143-05