基于GIS的黄土矿区开采沉陷损害分析.pdf

论文题目基于 GIS 的黄土矿区开采沉陷损害分析 专 业大地测量学与测量工程 硕 士 生黄学超 签名 指导教师汤伏全 签名 摘 要 当前，由于开采沉陷所产生的环境损害问题已经越来越引起人们的关注。西部黄土 山区地形起伏多变，地质地貌复杂，本身属于自然地质灾害易发区，开采沉陷及其造成 的损害问题更为严重。随着计算机的普及和 GIS 技术的发展、应用，大量新兴的技术手 段被应用于开采沉陷研究中。本文选取陕西铜川乔子梁煤矿铁路及建（构）筑物下采煤 问题为实例， 利用现有的开采沉陷预计理论和 GIS 技术对开采引起的地面变形破坏及安 全开采方案进行了分析研究。主要研究内容及结果如下 1采用概率积分法预测模型，通过 C编写计算程序，可以方便地预测开采影响区 内任意点的地表下沉、曲率、水平移动和水平变形值。 2 根据对沉陷区预计得到的下沉、水平移动等数据，生成 TIN 表面模型，并利用 TIN 数据实现了沉陷区三维可视化。 3 引入 GIS 技术，以 ARCGIS 9 为操作平台，根据 GIS 空间分析结果，预测与评 价了开采沉陷对地表建（构）筑物的影响，并提出了整治措施。 本文研究结果不仅为铜川乔子梁煤矿铁路及建（构）筑物的安全采煤提供的技术支 持和实施方案，对于陕西黄土矿区开采沉陷预计及开采损害分析评价提供了技术借鉴。 关 键 词黄土矿区，开采沉陷，GIS 技术，预计软件，损害分析 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 ABSTRACT Currently,due to the mining subsidence problems arising from environmental dama ge has become increasingly a cause for concern. Mountainous western Loess varied to pography, geology and geomorphology complex itself is a natural geological disaster-pr one areas, mining subsidence and damage caused by more serious problems. With the popularity of computers and GIS technology, applications, a large number of new tech niques are applied to mining subsidence studies. This paper selects Shaanxi Tongchuan Coal Railway and Qiaozai Liang Jian structures under the mining issue as an exam ple, the use of existing mining subsidence theory and GIS technology is expected to ground deation caused by the destruction of the mining and mining safety progra ms were analyzed. The main contents and results are as follows 1 Surface predictive model probability integration , by writing C progra m, you can easily predict the impact of any point mining subsidence area, curvature, horizontal movement and horizontal deation values. 2 According to sink, horizontal movement and other data obtained on the subsid ence is expected to generate TIN surface model, and the use of TIN data to achieve a three-dimensional visualization subsidence. 3 Introduction of GIS technology to ARCGIS 9 as the operating plat, analy sis, prediction and uation of the impact of mining on surface subsidence building structure according to GIS space, and proposed remediation measures. Technical support and implement programs for the results of this study not only coal mine in Tongchuan Qiaozai Liang railway and construction structures provide sa fe coal mining, for Shaanxi loess and exploitation of mining subsidence damage analy sis and uation is expected to provide a technical reference. Subject Analysis of mining subsidence and damage based on GIS technology Specialty Geodesy and Survey Engineering Name Huang Xuechao Signature ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ Instrutor Tang Fuquan Signature ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 万方数据 Keywords Mining subsidence; Geographic Ination System; Subsidence prediction software Thesis Applcation Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 .............................................................................................................................................................. 1 1.1 选题的背景及研究的意义 ............................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状及存在的问题 ....................................................................................................... 2 1.2.1 开采沉陷研究现状 ............................................................................................................... 2 1.2.2 GIS 技术用于开采沉陷研究的现状 ..................................................................................... 3 2 黄土矿区开采沉陷预计模型及其预计系统 .............................................................................................. 5 2.1 开采沉陷的基本概念及现状 ........................................................................................................... 5 2.1.1 开采沉陷的定义及影响开采的因素 .................................................................................... 5 2.1.2 开采沉陷的危害 .................................................................................................................... 5 2.1.3 我国开采沉陷的现状 ............................................................................................................ 6 2.1.4 采煤沉陷区稳定性影响因素 ................................................................................................ 7 2.2 概率积分法的基本原理 ................................................................................................................... 8 2.2.1 概率积分法计算公式 ........................................................................................................... 8 2.2.2 模型预计参数的确定 ........................................................................................................... 9 2.3 开采沉陷预计软件简介 ................................................................................................................. 10 3 基于 GIS 的开采沉陷损害分析................................................................................................................ 13 3.1 地理信息系统（GIS）................................................................................................................... 13 3.2 地理信息的特点 ............................................................................................................................. 13 3.3 GIS 在开采沉陷的应用.................................................................................................................. 16 3.3.1 空间分析概述 ...................................................................................................................... 16 3.3.2 空间分析应用于开采沉陷 .................................................................................................. 16 3.4 实例分析 ......................................................................................................................................... 17 3.4.1 预计点位的选取 ................................................................................................................. 20 3.4.2 预计点位坐标信息 ............................................................................................................. 21 3.5 工作面全部开采的地表移动变形预计 ......................................................................................... 22 3.5.1 移动变形预计参数的确定 .................................................................................................. 22 3.5.2 单一工作面开采时地面建筑物移动变形分析 .................................................................. 24 3.5.3 多工作面开采时地面建筑物移动变形分析 ...................................................................... 33 4 开采沉陷保护措施 .................................................................................................................................... 42 4.1 矿区开采沉陷损害分类 ................................................................................................................. 42 4.2 地表建（构）筑物的维护方案 ..................................................................................................... 44 4.2.1 铁路线的维护 ..................................................................................................................... 44 万方数据 目录 II 4.2.2 公路桥涵的维护 .................................................................................................................. 46 4.2.3 采动建筑物的维护 ............................................................................................................. 46 5 结论与展望 ................................................................................................................................................ 48 5.1 结论 ......................................................................................................................................... 48 5.2 展望 ......................................................................................................................................... 48 致 谢 ............................................................................................................................................................. 49 参考文献 ....................................................................................................................................................... 50 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景及研究的意义 陕西煤炭基地主要分布在黄土高原的过度地带， 地表为厚黄土层或厚松散沙层所覆 盖，松散层厚度达到开采深度的 30﹪～70﹪，具有典型的黄土山区地形地貌特征，地表 水和地下水的资源较为稀缺，导致人居生态环境脆弱。许多年来，由于地下采煤所引起 的地表破坏与自然环境灾害，严重限制着矿区的可持续发展。尤其是在我国最大的煤炭 基地榆神府矿区，由于采煤所引起的地表大面积沉陷或塌陷，从而导致水资源缺失、地 下水位下降、地表的荒漠化加剧。因此当地许多人民陷入了“无地、无水、无房”的“三 无”生活困境，目前已经引起了党和政府的高度重视，国务院领导曾明确指示有关部门 尽快制定西北地区由于能源开发所引发的地质与环境灾害等课题的研究。 近些年来，学术界在围绕榆神府矿区的采煤与地面保护的重大课题研究，在许多方 面已取得重要进展。例如，西安科技大学侯忠杰教授负责的国家自然科学基金项目“浅 埋煤层组合关键层失稳与溃沙灾害机理研究”及陕西省自然科学基金项目“含水厚松散 浅埋煤层开采水沙灾害防治研究” ，着重研究了榆神府矿区煤层浅埋深、薄基岩和厚松 沙的开采条件下，因煤层顶板关键层破坏导致井下涌水溃沙灾害的机理及其防治技术。 这些成果主要从保护井下安全采煤的角度，研究煤层上覆岩层的变形破坏规律，而对于 采煤引起的地面沉陷规律研究很少。 随着地理信息技术的快速发展， 利用 GIS 技术对矿山开采沉陷问题进行定量分析研 究，揭示开采沉陷与地质采矿条件及地貌环境等因素之间的关系，已成为煤矿开采沉陷 治理与环境评价的重要手段。例如，通过 GIS 平台可实现开采沉陷的预计及可视化，同 时可以生成 DEM 快速地对地形进行特征分析和地形更新。由于矿山的开采和地表的沉 陷是时刻变化的，通过对开采所引起的地表变形进行预测，借助 GIS 软件可以对开采前 后的 DEM 进行叠加、对比，从而直观的显示出由于开采沉陷所引起的地表变形，并可 以对开采后可能造成的破坏做出评估和判断，为工作人员的决策分析提供相应技术支 持。 本文基于 ArcGis 平台对黄土矿区开采沉陷损害进行研究，将重点揭示开采沉陷与 地质采矿各因素之间的量化关系，获取地表沉陷的预计参数，通过预测地表沉陷变形确 定地表破坏区域分类，并实行其三维可视化表达。从而为西北黄土矿区开采沉陷环境评 价与土地复垦提供科学借鉴， 其研究结果将为开采沉陷治理与矿区生态重建提供技术服 务平台。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状及存在的问题 1.2.1 开采沉陷研究现状 煤矿地下开采的岩层移动是由前苏联学者阿维尔申（1947）出版的一本开采沉 陷学专著，该书提出通过塑性力学理论用以研究地表移动的规律，从而得出了水平移动 与地面倾斜成是成正比关系的；提出了下沉剖面方程是呈指数函数形式，该结论已被大 量实践所证实。全苏矿山测量研究院在 1958 年出版的地层与地表移动是一本对我 国矿山研究非常重要的沉陷学专著，该书首次提出了三带理论，即将采空区以上分为三 部分断裂带、 垮落带和整体弯曲带； 该书还首次系统地分析了地表移动变形的分布规律 以及各个参数之间的规律,提出了符合前苏联预计地表移动变形的典型曲线法。 波兰学者 Knothe 在 1950 年提出了地表点的下沉预测的时间函数模型，由此得到了正态分布的影 响函数；Budryk 解决了 Knothe 提出的地表下沉时的水平移动和水平变形这一问题，使 得其在运用高斯型的影响曲线对浅埋深煤层的下沉预计方面十分成功；Litwiniszyn （1954） 把岩石视为不连续介质,并将岩层的移动过程当作一个随机过程， 提出了关于开 采沉陷随机介质的理论和概念，使得开采沉陷理论研究得到进一步的提高；Gu guen （2009）通过利用 DInSAR 技术实现了对煤矿开采后的沉降的实时监测，延伸了沉陷研 究的理论与方法。 刘宝琛和廖国华是我国著名采矿工程专家， 他们在 Litwiniszyn 的随机介质理论的基 础上处理了关于地表移动变形的预计问题，并且将成果编编写为煤矿地表移动的基本 规律一书，从而使得概率积分法在国内开始慢慢为人所知。何国清（1981）教授所提 出的关于地表下沉剖面的偏态表达式又被称作为“威布尔分布” ；余学义（1997）通过 对 Budryk−Knothe 的理论基础进行研究，通过引入极坐标，得到了任意条件下地表移动 的极坐标计算公式[1]；柴华彬（2004）使用 VC软件来调用 SuperMap 3D 控件，实现 了对开采沉陷预计分析的可视化分析与操作[2]；中国矿业大学的吴侃和周鸣（1999）通 过 Visual Basic 开发的矿区开采沉陷预报系统，简称为 MSPS；赵晓东等（2003）在 GIS 平台下开发了开采沉陷预测的 GIS 面元栅格数字化模型系统[3]；于广明等（2004）利用 GIS 、 AutoCAD 与概率积分法三者相结合， 建立了基于 GIS 的地表沉陷预计程序模型， 实现了对预计结果的统计和分析[4]；孟峰（2006）研究了利用 Surfer 软件来实现沉陷三 维可视化的预计[5]；武俊红、汪云甲（2007）通过 Surfer 软件来选取合适的内插值，再 对煤矿离散数据格网化后所得到等值线图， 既能保证等值线图的精度又能提高工作效率 [6]；束立勇、连达军（2007）通过对开采沉陷理论、坐标转换等理论的研究，使用 Matlab 语言对煤矿采空区地表移动变形值计算进行了实现[7]；路璐、刘胜富（2008）使用 MATLAB 中的曲线拟合工具对概率积分法的预计参数进行了回归分析，确定了最大下 万方数据 1 绪论 3 沉值、影响半径、最大水平移动值和开采影响传播角这 4 个参数与矿山地质采矿因素之 间的函数关系[8]；焦明连和高祥伟（2008）对通过 InSAR 技术建立起的数字高程模型进 行了研究，而且将能够影响 DEM 精度的原因进行了分析[9]；陈绪钰等（2009）分析了 影响采空区地面稳定性的时间与空间因素， 根据不同的状态将煤矿采空区地面分为三部 分稳定区、暂时稳定区和不稳定区[10]；史珍珍等（2009）通过运用三角函数法对地面 变形的最大下沉量和沉陷面积进行估算，从而预测开采后对地表的危害程度[11]；孙凤余 等（2009）对地表的变形预测用概率积分法进行了研究，用以确定开采沉陷对地表上的 建筑物的影响程度[12]；韩奎峰（2009）使用了双线性重采样插值法，将预计结果数据嵌 入矿区 DEM[13]；曹化平等（2010）利用 ArcGIS 里 ArcScene 模块实现了概率积分法对 开采沉陷预计的三维可视化表达[14] 1.2.2 GIS 技术用于开采沉陷研究的现状 GIS 技术目前已经广泛的应用于开采沉陷研究领域中。吴侃等（2005）利用矿区的 矢量地形图所生成的 DEM，然后和开采沉陷下沉后的 DEM 相叠加，对矿区实时 DEM 进行了更新[15]；闫丽、赵超英（2009）采用 D-InSAR 技术，对陕北榆林大柳塔地区的 一个 90 年代的煤矿沉陷进行了反复试验， 研究了大气层和 DEM 对变形监测精度的影响 [16]；韩奎峰、康建荣（2009）提出了一种动态矿区数字高程模型，该模型按时间间隔生 成一系列描述塌陷区的数字高程模型,研究发现模型可以满足动态土地复垦方案决策数 据的提取需求；Hyun-Joo 等（2010）建立了地表沉降与坡度、地质条件、采矿方式等其 中因素的贝叶斯关系模型，研究发现该模型可以用于矿山的灾害防治以及土地规划；尹 胜男等（2010）通过对上湾煤矿沉陷区实地调查结合坡向、坡度、土壤等因子的定性分 析, 确定分类依据和分类方法，用 GIS 建立起各分类因子的专题数据库和图形数据库， 通过对各分类层次的主导因子及辅助因子的专题图进行叠加， 编制了上湾煤矿沉陷区 的立地类型图[17]；钱张书等（2011）使用坐标转换理论研究了概率积分法预计时坐标不 对应问题，通过煤层走向坐标方位角及主断面开切眼位置获取坐标转换参数，建立了概 率积分法计算坐标系与矿区实地坐标系的坐标转换模型[18]； Djamaluddinn（2011）使 用在使用 Knothe 时间函数结合随机介质模型实现了煤矿沉陷的连续动态预测， 并在 GIS 中实现了实时变动的预测显示。 本论文研究的技术路线如下 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 图1. 1 技术路线图 万方数据 3 基于 GIS 的开采沉陷损害分析 5 2 黄土矿区开采沉陷预计模型及其预计系统 2.1 开采沉陷的基本概念及现状 2.1.1 开采沉陷的定义及影响开采的因素 当从地下开采出煤炭以后，原有的地址应力分布状态遭到了破坏，这就会导致应力 的重新分配，进而达到新的应力平衡。在应力重新分配的过程中，岩体会产生下沉、变 形、移动，这些变化会波及到地表，从而导致地表移动盆地的形成，进而破坏地表地物， 这就是开采沉陷。 从时间和空间上看，开采沉陷是一个非常复杂的过程。首先，开采沉陷在时间上来 看是复杂的，其形式和大小是随时间的不同而不同。开采沉陷会随着时间的推移而逐渐 趋向于稳定阶段。其次，从空间角度来说，移动盆地的沉陷程度和范围，以及岩层的移 动形式和距离程度，岩层的物理力学性质，开采方式，每层顶板和底板的管理办法，每 层的埋藏条件等密切相关。 地址以及采矿因素综合起来影响了开采沉陷的分布规律。在所有这些开采因素中， 有一些事人们无法控制的， 一般称为自然地址因素； 那么另一类为开采技术方面的因素。 自然地质因素包括煤层厚度、埋藏厚度、煤层倾角、构造因素、松散层厚度、物理力 学性质和化学性质等。 开采技术因素包括采空区的位置、出煤量、采厚、巷道大小、开 采方法、开采系统、工作面推进速度、顶板管理方法等。 2.1.2 开采沉陷的危害 开采沉陷造成对地表的破坏时不同的，因煤层采深、采厚、覆岩性质、煤柱的大小 和强度、采空区范围和采空区之间的是否连续等影响，开采沉陷对地表的破坏一般分为 3 种基本类型 1 塌陷坑式。此种破坏方式是小范围椭圆形或者是不规则形塌陷坑，因为采深小 30 一 70m、工作面布置不规则、采厚大等因素引起的。此种破坏方式一般见于小型煤 矿的采空区的上方。究其原因。是因为生产方急功近利、采易弃难，从而造成采空区大 小的分布不规则，有较大的塌陷坑面积差别。这种类型的塌陷虽只在局部发生，但由于 其突发性常对地面的植物和建构筑物造成快速的危害。 2 塌陷盆地式，这种大范围的盆地塌陷一般出现在大中型煤矿的采空区上方，是 由于高回采率和大采空面积造成的，此种形式在华东、华北和西北等矿区此类塌陷盆地 经常见到。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 3 山体滑移式，经常在山地矿区的工作面上方会出现这种局部的大位移的地表破 坏，这种形式是由地下开采引起山坡、陡崖的移动变形及失稳造成的，在下雨时更易发 生，是一种危害性极大的开采损害。 矿山开采沉陷不仅对地面建（构）筑物和植物造成严重的破坏，而且还会对土地资 源造成永久性的或难以恢复的危害。如 1 劣化由于开采沉陷破坏了原有的土地形态，使得土地空穴遍布，裂缝纵横， 积水成涝，或潜水下渗，无法进行农田耕作，不少农田被迫弃耕，造成绝产。 2 贫痔化土地塌陷增大了原地面的坡度，从而对原来相对比较稳定的土壤结构 造成了破坏，水肥会沿着倾斜的地面流失，土壤肥力会不断下降，从而造成农作物的明 显减产。据调查，被破坏的旱地，其产量比正常水平低了 20一 30，被破坏的水浇地 的产量减少了 50以上。 3 干旱化开采沉陷及其裂缝造成了地表水源和地下含水层水源漏失，从而造成 区域干旱化。据统计，山西有 530 多个自然村、33 万居民由于开采沉陷造成饮水和用水 严重短缺。例如在大同煤矿地区，人均的用水量只有全国平均量 9约为世界人均用水 量的 1/36。 因为矿井排水和沉陷疏干，从而水资源极易遭到破坏，这就使得原本就十分珍贵的 地下水和地表水资源显得异常紧张。 4 沙漠化开采沉陷还会使得矿区周围土地沙漠化进一步加剧，使得区域内的生 态环境进一步的恶化。 煤炭是人类生产和生活的重要能源，但是地下被采空的耕地常常会塌陷，这就给当 地经济建设和群众的生活带来了不同程度的损危害。 2.1.3 我国开采沉陷的现状 我国现有矿山企业大概几万家，年采矿总量达到约 20 多亿吨。煤炭的产量在各 种矿产中所占比例最大。井下开采在各类矿山中又是最主要的方式。据测算调查，井 下每开采万吨的原煤造成的土地塌陷大约在 0.8-8 亩之间，其平均值为 2-3 亩。若按 我国原煤产量推算，仅采煤行业就会导致的土地塌陷达 每年 40 万亩。据概略统计， 因采矿业造成我国的地面塌陷面积已然达 到 500 万-600 万亩，这其中耕地为 130 万 亩。这种危害对于土地资源本来就十分匮乏的中国带来一个十分重要的生态和社会问 题。 开采矿区沉陷变形的防治工作也是东强西弱， 这与我国经济发展长期存在的东强西 弱现实情况相吻合。而在城镇密布、村落集中、人口稠密的东部地区，地表陈翔所带 来的灾灾难性的后果显得尤为突出。这种经济的现实格局也导致了东部地区是矿山开 采沉陷的重要灾害区。我国现有统配煤矿和地方煤矿数量已达到千家，其中东、中部 万方数据 3 基于 GIS 的开采沉陷损害分析 7 地区占到约 70，而东部地区的许多市镇都是因为以矿山开采为基础工业才逐步发展 壮大起来的，比如鸡西、鹤岗等， 而这些市镇通通都存在着矿山开采沉陷的严重问题。 华东的淮北矿区从投产之年至 2000 年，就导致塌毁农田 10 万余亩，并且 38的常年 积水。因为历史的原因，城市往往围绕矿井自由发展，好多矿区的地上城市、建筑和 地下开采缺少统一的规划，新老采区的地表不断下沉，导致管线、地面城镇建筑等遭 到不断的严重损坏。不少重灾区城市需多次搬迁、重新投资建设。 2.1.4 采煤沉陷区稳定性影响因素 开采沉陷是一个在时间和空间上都非常复杂的过程，因为通过对煤层开采沉陷机 理、覆岩的变形破坏等可以看出，开采沉陷的影响因素是复杂多样的。目前对其稳定性 的判定是不全面的，若只把开采结束的时间作为判据的依据显然是不科学的，采煤沉陷 是共同作用的结果，沉陷区的稳定性是受多因素控制的。 影响采煤沉陷区稳定性的因素主要包括以下几个方面 1 上覆岩层的物理力学性质，其中主要包括地层的倾角、松散层的厚度、综合岩 性、岩层层位的分布等。 2 采空区煤层埋藏条件煤层采深、倾角、采空区尺寸和采厚等。 3 采煤方式，主要指顶板管理方法所对应的部分开采法条带采煤法、柱式体系采 煤法 、全部垮落法走向、倾斜长壁采煤法， 、充填采煤法推进速度对应的普采、综采、 炮采，分层采煤法、采厚和重复采动对应的一次采全厚采煤法、放顶煤采煤法。 4 地质构造灰岩溶洞、断层断层强度、断层密度、断层倾角等、陷落柱。 5 其它因素引起老采空区活化的因素、特殊采煤法所留煤柱的稳定性、地形与 地貌特征、地下水的影响。 煤层开采的自然地质因素和采矿技术因素主要包括以上五个方面， 可以作为综合评 价最基本的参数。此外，煤层开采引起覆岩变形破坏，从而导致地表移动变形，根据统 计一般有以下指标 1 地表移动变形的重要指标，主要包括下沉、倾斜、水平移动、曲率和水平变形， 这些指标中以下沉指标为基础。 2 时间，地表移动所持续得时间、开采的时间、终采时间和评价时间。 3 开采所引起的顶板冒裂情况，裂缝带和冒落带的高度 4 确定开采沉陷盆地范围的角量，主要有边界角、 、裂缝角、岩层移动角和松散层 移动角。 5 其他角量充分采动角、主要影响角正切、最大下沉角、开采传播角等。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 8 2.2 概率积分法的基本原理 2.2.1 概率积分法计算公式 开采沉陷预测的主要方法有经验方法（实测开采资料基础上） 、理论模型法和影 响函数法。经验方法的预测是根据大量实测资料进行的，在得到主断面方向的移动变形 曲线之后，通过分析曲线变动情况，从而建立起适合某些区域的经验模型。在这样的思 考下建立了概率积分法。开采引起地层内大量颗粒的随机变动，而其中的每个颗粒的移