GIS結合MSPS在煤礦開采沉陷預計中的應用

趙朝賀，楊化超，胡 奎，陳玉平

（1.中國礦業大學， 江蘇 徐州市 221116；2.江蘇省資源環境信息工程重點實驗室， 江蘇 徐州市221116；3.國土環境與災害監測國家測繪局重點實驗室， 江蘇 徐州市 221116；4.皖北煤電集團有限責任公司通防地測部， 安徽 宿州市 234000）

0 前 言

有用礦物被采出以后，開采區域周圍的巖體的原始應力平衡狀態受到破壞，應力重新分布，達到新的平衡。在此過程中，巖層和地表產生連續的移動、變形和非連續的破壞（開裂、冒落等），這種現象稱為“開采沉陷”［1］。對一個計劃進行的開采，在開采之前根據其地質采礦條件和選用點的預計函數、參數，預先計算出受此開采影響的巖層和（或）地表的移動和變形進行開采沉陷預計，以充分開采地下煤炭資源和最大限度地減少開采沉陷造成的損失，指導建筑物下、鐵路下、水體下采煤的安全、生產。過于保守的（偏大）預測結果將導致花費不必要的保護費用，造成浪費；過于低估影響的（偏小）預測結果可能導致保護措施不足，使保護對象受到破壞，造成不必要的經濟損失。

MSPS系統（Mining Subsidence Presentiment System）基于 Auto CAD平臺，采用 VBA（Visual Basic for Applications）二次開發技術，用于地表沉陷數據處理、地表沉陷預計、開采沉陷預計參數的求取、地表沉陷實時預計、礦區土地沉陷預報等［2－3］。

GIS系統（Geographic In formation System）發展于20世紀60年代，是集計算機學、地理學、地圖學、計算機圖形學以及數據庫等技術于一體，能對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述，從而為研究分析開采沉陷提供了良好的軟件平臺［4－6］。

本文首先采用MSPS系統對五溝煤礦開采沉陷進行分析，然后將預計的結果和地物模型導入GIS，利用GIS強大的可視化、分析及美觀功能［7－8］，對評估區范圍內的塌陷情況進行全面分析，驗證MSPS的適用性。在煤礦開采沉陷預測及生產中，這2個系統的結合具有傳統方式工作模式下不可比擬的優勢。

1 工程概況

淮北市五溝煤礦位于淮北市濉溪縣南部，東距宿州市約35k m，東北距淮北市約50k m，西南距蒙城縣約30k m，開采深度為－262～－680m標高。區域地層隸屬于淮北地層大區徐淮地層分區淮北地層小區，分布的主要地層有奧陶系、石炭系、二疊系、上第三系和第四系，基巖地層均被松散層所覆蓋。煤礦位于童亭背斜西翼中段，總體上為一受地層切割，且以向斜為主的復式褶皺構造組合，向斜的軸部呈反S形，形態上呈南端狹小，北端寬闊的近三角形展布。該煤礦現主要開采首采區即南一采區，位于工業廣場南側，開采深度467m左右，主要開采10煤層。1016工作面實際回采長度為653m，傾向寬180m，實際采厚4.19m；1017工作面實際回采長度為713m，傾向寬180m，實際采厚3.65m。本礦為地下開采，開拓方式為立井、主要石門和大巷開拓方式，中央并列式通風。采煤方法采用傾斜長壁與走向長壁相結合的綜合機械化開采，頂板管理采用全部冒落法。煤礦設計生產能力為60×104t／a。據調查，地下采空引發的地面塌陷面積約為265.02 h m2，最大塌陷深度為3.6m，其塌陷范圍內耕地為主，破壞房屋1843間，其次為農用道路及203省道。矸石堆場現占地面積16100m2，高25m左右。

2 開采沉陷預計

2.1 預計參數

對一個特定的開采來說，預計參數是常數；對不同的開采來說，預計參數值是不同的。預計的方法有很多種，可以根據預計的要求和開采的地質條件進行選用。各種預計方法都有各自特有的預計參數，MS P S系統采用概率積分法進行預測［9－10］，應用到的地表移動和變形參數包括：下沉系數（q）、主要影響角正切（t gβ）、拐點偏距（s0）、水平移動系數（b）。

依據國家煤炭工業局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤巖柱留設與壓煤開采規程》［11］中淮北礦區地表形態變化實測值，本次選用的地表沉陷系數為1.1，作為初次采動和重復采動的地表采動系數。根據淮北礦區經驗數值及本礦區實測值，主要影響正切值選用1.7。該煤礦地表形態變化預計參數詳見表1。

表1 地表移動變形預計參數

2.2 開采沉陷預計

MSPS系統可以對不同采區、不同階段的回采情況進行穩態或動態預計，并將不同階段開采沉陷情況表現出來。針對該煤礦開采的實際情況，本文僅對1017、1021已回采工作面進行預計，最終穩態下沉盆地等值線見圖1。

圖1 1017和1021工作面開采沉陷預計下沉等值線

從圖1可明顯看出，當采空區尺寸擴大到一定范圍時，開采影響波及到地表，引起地表的移動與變形，使地表產生一個比采空區大得多的下沉盆地，且地表下沉穩定時最大下沉值位于采空區中央，1021和1017采區的最大下沉值分別為2.98m和2.67m。

鑒于GIS空間模型擁有更好的可視化、分析及美觀功能及作圖的需要，在對原始資料（井上下形對照圖、煤層底板等值線圖、煤層采掘工程平面圖）進行收集處理的基礎上，把Auto CAD環境下的圖形轉換為GIS環境下的圖形，并經過一系列數據預處理，包括數字化、建立拓撲關系、建立屬性表等，最終建立的五溝煤礦G I S空間模型（附下沉等值線）見圖2。

利用MSPS系統對開采沉陷情況全面分析（下沉、傾斜、水平變形）可知，所選工作面移動下沉盆地范圍波及到孫圩孜及附近道路、溝渠，其中道路和房屋影響較嚴重，對應的傾斜和水平變形均超過我國一般磚木結構的臨界變形值3mm／m和2mm／m。

以地表下沉等值線10mm為界限，最終形成的移動下沉盆地面積達265萬m2，積水區面積71.37萬m2，積水區體積57.9萬m3，給附近的農田造成嚴重的影響。

選取1017單回采工作面兩個主斷面分析其下沉值、斜率、水平移動和水平變形及其相互關系［12－13］，結果（見圖3）表明，走向 A－B主斷面的下沉、傾斜、水平移動和水平變形值都沿采空區走向方向從零值逐漸增大。在750m處，地表最大下沉值達到最大，為2.67m，自盆地中心至盆地邊緣下沉值逐漸減小，在盆地邊界點A、B處下沉值為零。傾斜和水平移動曲線各自出現一個正極值和一個負極值，最大正極值出現在453m處，傾斜和水平移動值分別為2.18mm／m和160mm，此時曲率和水平變形值為零，負極值出現在1130m處，傾斜和水平移動值分別1.99mm／m和57mm；水平變形曲線（曲率曲線與水平變形曲線形狀相似）有4個極值，2個相等的正極值和2個相等的負極值，正極值分別出現在354m和1232m處，其值為4.06mm／m；負極值分別出現在531m和1015m處，其值為4.67 mm／m。

傾向C－D主斷面為典型的非充分采動主斷面，其開采沉陷剖面分析（見圖4）如下：在471m處，地表下沉值達到最大，為2.67m，傾斜值和水平移動值為零，曲率（或水平變形）值同時達到負極值為13.5mm／m；從下沉盆地中心向外延伸，下沉值逐漸減小并在352m和493m處出現拐點，此時曲率（或水平變形）值為零，傾斜和水平移動值同時達到正極值和負極值，傾斜的正負極值分別為930 mm／m和－802mm／m，水平移動的正負極值分別為15.6mm和－16.4mm。隨著剖面線外延，C、D點處下沉值逐漸減小為零，此時傾斜值、水平移動值、曲率值、水平變形值也同時達到零值。

圖2 五溝煤礦GIS空間模型

圖3 A－B主斷面剖面分析

圖4 C－D主斷面剖面分析

2.3 預測結果與實際情況比較

2008年9月12日，該煤礦正式開始投產并采用全部冒落法管理頂板，隨著回采工作面范圍的擴大，地表塌陷盆地也在逐漸擴大，截至2011年12月已形成265.02h m2的移動下沉盆地和96.46h m2的積水區［14］。為了更充分說明MSPS系統預計的準確度，現將預計的移動下沉等值線加載到配準后遙感影像中，其情況如圖5所示（其中粗線表示1.5m下沉等值線）。

圖5 地表塌陷情況對比

據圖5分析，可知1017和1021回采工作面的預計移動下沉盆地中心基本位于采空區中央，其形狀較好地符合了矩形回采工作面采空塌陷下沉盆地形狀，采空塌陷積水區范圍與1.5m下沉等值線基本吻合，較好地反映開采沉陷地表移動變形實際情況。

綜上分析表明，MSPS系統開采沉陷預計結果與地表實際移動下沉情況相符，其預測結果可以應用在煤礦礦山開采中，并能較好地指導井下實際開采、建（構）筑物的保護及村莊的搬遷工作。

3 結 論

煤礦開采沉陷預測準確度對于解決開采引起的各種問題具有重要的決定性。本文針對五溝煤礦采用MSPS系統進行預計實現了開采沉陷預測的可視化，并將MSPS與GIS結合，充分利用了CAD的操作簡便性和實用性及GIS強大的圖形表現和空間分析功能，對開采沉陷預測結果進行綜合可視化分析，為今后研究煤礦礦山開采沉陷規律做了一定的工作。利用MSPS系統進行開采沉陷預測，可以較好地適應周圍環境的影響，對從事開采沉陷的工作者來說是個不錯的選擇。通過預測結果與實際開采沉陷下沉情況對比，驗證了MSPS系統在煤礦礦山開采中的適用性和對礦山生產的指導意義。

［1］何國清，楊 倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1994.

［2］吳 侃.開采沉陷預計一體化方法［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1998.

［3］劉 虎，吳 侃，陳冉麗.基于Auto CAD的開采沉陷預計分析軟件研究［J］.礦業安全與環保，2009，36（2）：22－26.

［4］MILLER H J，WENTZ E A．Representation and spatial anal－ysis in geographic information systems［J］．Annals of the As－sociation of American Geographers，2003，93（3）：574－594．

［5］劉立民，劉漢龍，李建剛，等．基于GIS的地下開挖沉陷計算的有限層法及數據場表達［J］．巖石力學與工程學報，2005，24（12）：2170－2175．

［6］Duane F．Marble．Some thoughts on the integration of spatial analysis and Geographic Information Systems［J］．Journal of Geographical Systems，2000，2（1）：31－35．

［7］湯國安，楊 昕.Arc GIS地理信息系統空間分析實驗教程［M］.北京：科學出版社，2006.

［8］李 光.地理信息系統基礎篇［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［9］顧 葉，宋振柏，張勝偉.基于概率積分法的開采沉陷預計研究［J］.山東理工大學學報（自然科學版），2011，25（1）：33－36.

［10］谷金鋒，高振森.概率積分法在礦區開采沉陷預測中的應用［J］.礦山測量，2011（2）：47－48.

［11］國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程［M］.北京：煤炭工業出版社，2000.

［12］張連貴.兗州礦區綜放開采地表沉陷規律［J］.煤炭科學技術，2010，38（2）：89－92.

［13］煤炭科學研究院.煤礦地表移動與覆巖破壞規律及其應用［M］.北京：煤炭工業出版社，1981.

［14］張 濤，黃韶華，朱建雯.煤炭開采地表沉陷環境影響評價分析［J］.能源環境保護，2011，26（3）：61－64.