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矿区原始地形对采煤沉陷区地形特征的影响分析 侯占东 1 邱利军 21 （1. 江苏中煤地质工程研究院有限公司， 江苏 常州 213018； 2. 河北建筑工程学院土木工程学院， 河北 张家口 075000） 摘要采煤塌陷地预测对于矿区土地复垦具有重要意义， 是矿区损毁土地复垦工作的基础， 对于确保土地 复垦方案科学性、 准确性及合理性起决定性作用。采煤塌陷地预测一般仅考虑开采计划和地质特点， 未考虑矿区 原始地形的影响， 预测结果往往无法准确反映矿区地表沉陷情况。以我国东部某煤矿为研究对象， 通过对矿区原 始地形、 采煤沉陷区DEM进行融合， 获得考虑原始地形的采煤沉陷区， 通过计算并提取坡度、 地表起伏度、 积水面 积地形因子， 分析矿区原始地形对采煤沉陷区地形特征的影响。研究表明 考虑矿区原始地形后的采煤沉陷区地 形特征发生了明显变化， 沉陷区地形坡度、 地表起伏度明显增大， 积水面积明显减少， 采煤沉陷区损毁土地地形特 征更加准确、 真实。分析结果可为矿区开采沉陷预测和损毁土地复垦治理提供可靠依据。 关键词开采沉陷土地复垦原始地形采煤沉陷区地形特征 中图分类号TD88文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-113-06 DOI10.19614/ki.jsks.201910018 Influence of Original Terrain of Mining Area on Topographic Characteristics of Coal Mining Subsidence Area Hou Zhandong1Qiu Lijun22 （1. Jiangsu China Coal Geology Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Changzhou 213018， China;2. School of Architecture and Construction， Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering， Zhangjiakou 075000， China） AbstractThe prediction of coal mining subsidence area is of great significance for land reclamation， and it is the basis of land reclamation work in mining area， and plays a decisive role in the scientific， accuracy and rationality of land reclama- tion scheme.The prediction of coal mining subsidence area generally only considers the mining plan and geological characteris- tics， and does not consider the influence of the original topography of the mining area，so the prediction results often cannot accurately express the surface subsidence of the mining area.Taking a certain coal mine in Eastern China as the study object， the coal mining subsidence area considering the original topography is obtained by fusing the original terrain of the mining ar- ea with the DEM of the coal mining subsidence area.The terrain factor of slope， surface undulation and water accumulation ar- ea are calculated and extracted to analyze the influence of the original topography on the topographic characteristics of coal mining subsidence area.The study results show that the topographical features of the coal mining subsidence area have changed significantly after considering the original topography of the mining area，the terrain slope and surface undulation of the subsidence area are obviously increased， and the water accumulative area is obviously reduced.By considering the original topography of the mining area， the topographical features of the damaged land in the coal mining subsidence area are more ac- curate and true.The study provides a reliable reference for improving the land destruction prediction in coal mines of China. KeywordsMining subsidence， Land reclamation， Original terrain， Coal mining subsidence area， Topographic charac- teristic 收稿日期2019-09-04 基金项目张家口市科技计划项目 （编号 1621013B， 1821019B） 。 作者简介侯占东 （1987） ， 男， 工程师， 硕士研究生。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 我国煤炭储量大、 分布广、 煤种齐全 ［1］， 其中90 以上的煤炭资源采用井工方式开采， 不可避免地会 造成矿区地面沉陷、 土地损毁、 土地利用类型改变， 在很大程度上破坏了矿区及其周边的生态环境 ［2-3］， 据相关统计， 全国每年因采煤沉陷损毁的耕地面积 达200 km2 ［4］。矿区损毁土地复垦与治理工作越来越 113 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 被人们所重视， 已成为恢复损毁土地使用价值、 增加 耕地数量和改善矿区生态环境的重要措施。近年 来， 大量学者和工程技术人员对采煤沉陷区损毁土 地治理进行了深入研究， 取得了丰硕成果 ［5-9］。 矿区采煤塌陷地预测是确定损毁土地面积及损 毁程度的必要措施， 是土地复垦适宜性评价、 复垦工 程设计、 工程量测算、 复垦措施选择、 复垦资金预算 等工作的基础 ［10］， 对于确保土地复垦方案的科学性、 准确性及合理性起决定性作用。目前， 概率积分法 因其算法简单、 结果准确等优点， 在煤矿开采沉陷预 测中被广泛应用 ［11-14］， 不少基于该方法的地表沉陷预 计软件被开发出来， 如中国矿业大学开采损害研究 所自主研发的地表沉陷预计软件 （MSPS） 。沉陷预计 软件一般仅根据煤矿开采计划和矿区的地质特点进 行预计， 所考虑的因素主要包括开采面积、 开采深 度、 煤层倾角、 地表下沉系数、 水平移动系数等 ［10］， 未 考虑矿区原始地形的影响， 导致预计结果往往无法 准确反映矿区地表沉陷的真实状况， 仅根据该类预 计结果设计的损毁土地复垦方案， 其科学性、 准确 性、 合理性无法保证。本研究利用某矿区塌陷地 MSPS 软件的预计结果和原始地形高程数据生产 DEM， 并对两者进行融合， 获得考虑矿区原始地形的 地面沉陷区， 对比分析考虑和未考虑原始地形的采 煤沉陷地的地形特征差异， 探讨原始地形对采煤塌 陷地地形特征的影响， 为矿区采煤塌陷地预测、 损毁 土地复垦与治理等工作提供有益参考。 1研究区概况与数据来源 研究区位于华东平原地区， 地势整体较为平坦， 没有高山丘陵等地形， 西部地势较高， 东部较低， 最 大高差约10 m。区内水资源较为丰富， 位于高浅水 位， 采煤塌陷区易出现大面积水 ［15］。区内土地利用 以农用地为主， 约占总面积70。 本研究数据来源为我国东部某煤矿 MSPS 软 件预测得到的 2020 年采煤沉陷区等值线和该煤 矿 1 ∶5 000 地形图。该矿2020年计划开采区域为一 采区， 共2个工作面， 开采煤层平均厚度为7.62 m， 计 划2020年共开采面积约201 hm2， 利用 MSPS软件预 测的采煤沉陷区损毁土地面积约924 hm2。 2数据处理与分析 2. 1DEM创建与融合 根据矿区1 ∶ 5 000地形图和2020年矿区采煤塌 陷等值线图， 对其进行内插处理， 分别生成矿区原始 地形、 采煤沉陷区不规则三角网模型TIN和规则格网 数值高程模型DEM （图1、 图2） 。 由图1、 图2可知 该矿区原始地形大部分较为平 整， 仅西北部地形起伏较大， 最大高差达 10.7 m； MSPS软件预测出的采煤沉陷区是一种理想状态， 沉 陷区外边缘和底部平整， 塌陷区边缘圆滑， 最大沉陷 深度达8.4 m。 将矿区原始地形与采煤沉陷区进行融合， 得到 考虑原始地形特征的矿区采煤塌陷地 （图3） 。由图3 可知 由于原始地形的原因， 采煤沉陷区西北部地势 仍然较高， 塌陷区外边缘和底部不再光滑平整， 有较 大起伏， 采煤沉陷区发生了较大变化。 综上分析可知 矿区原始地形特征对开采沉陷 区地形影响较大， 仅根据采煤计划和地质特点预测 114 ChaoXing 2019年第10期侯占东等 矿区原始地形对采煤沉陷区地形特征的影响分析 得到的采煤塌陷地无法准确反映出采煤沉陷区土地 损毁的真实状况。 2. 2地形因子选择 为量化分析矿区原始地形对采煤塌陷地的影 响， 本研究选取坡度、 地表起伏度、 积水面积3个常用 指标进行分析。 （1） 坡度。坡度是影响矿区土地复垦适宜性评 价和土地平整工程造价的重要因素之一 ［16］， 关系到 矿区沉陷土地复垦成本和未来土地利用类型。土壤 生产力的发挥需要在一定的坡度范围内， 旱地耕作 坡度小于2的地形条件最优 ［17］。在土地平整工作 中， 坡度较大的区域填挖方量较大， 施工成本必然随 之增大， 一些坡度较大的区域可能不适合复垦为耕 地。另外， 坡度对土壤水土流失有着直接影响， 是影 响农田基本建设、 灌溉条件、 机耕条件、 保肥等方面 的重要因素之一。 （2） 地表起伏度。地表起伏度通常用于描述一 个区域的整体地形情况， 能够直观地反映地形起伏 特征， 对农业生产条件具有直接影响。地表起伏度 在土地复垦中也是一个十分重要的因素， 决定了土 地平整工程难度和工程量。 （3） 积水面积。高潜水位地区采煤沉陷积水是 沉陷土地破坏的主要形式， 也是沉陷土地破坏程度 的量化指标， 是影响矿区损毁土地治理方法和复垦 方向的重要因素 ［18-19］。当地下潜水位接近或高于田 面高程时， 便会发生季节性积水或常年积水， 耕地生 产力几近完全丧失， 不宜复垦为耕地， 可因地制宜治 理成鱼塘、 水库等 ［20］。 2. 3原始地形对地形因子的影响 DEM栅格尺寸大小对地形因子有着较大影响， 栅格尺寸大小的改变将导致栅格单元内部所包含的 地形信息发生变化， 不同分辨率的DEM在地形信息 容量及精度等方面存在显著差异 ［21-22］。本研究采用 不同栅格尺寸的采煤塌陷地DEM进行重采样， 对坡 度、 地表起伏度、 积水面积进行计算、 提取， 对比分析 考虑原始地形与未考虑原始地形的采煤塌陷地地形 因子的差异， 探讨栅格尺寸与地形因子之间的关系， 分析原始地形对采煤塌陷地预测的影响。 2. 3. 1原始地形对采煤沉陷区不同栅格尺寸DEM 坡度的影响 对考虑和未考虑原始地形的采煤塌陷地的不同 栅格尺寸DEM提取坡度， 将坡度划分为 0～ 2、 2 ～ 4、 4 ～ 6、 6 ～8、 8 ～10、 10 ～ 90 6级， 计算、 统计 两者各级坡度区域面积的变化情况 （表1） ， 分析原始 地形对采煤塌陷地坡度的影响。 由表1可知 栅格尺寸对坡度变化量影响不大， 随着栅格尺寸的增加， 0 ～ 2、 2 ～ 4、 4 ～ 6等级坡 度面积变化量略微增大， 6 ～ 8， 8 ～10， 10 ～ 90 等级坡度面积变化量略微减小， 变化量均不大， 甚至 可以忽略不计； 考虑原始地形后， 采煤塌陷地坡度发 生了明显变化， 0～2等级坡度区域明显减小， 减小 15.5以上； 10～90等级坡度区域明显增加， 增加量 达到9.8左右； 其他坡度等级的面积比例均有所增 加， 但不十分突出。可见， 仅通过MSPS软件得出的 采煤沉陷区的地形偏于平坦， 考虑原始地形后沉陷 115 ChaoXing 金属矿山2019年第10期总第520期 区的平坦区域变小， 坡度较大区域变大。 选取栅格尺寸为1 m1 m的DEM， 对比、 分析矿 区原始地形、 采煤塌陷地地形坡度， 并提取出坡度变 化的位置 （图4） ， 探讨坡度变化原因。 由图4可知 矿区原始地形坡度较大区域主要位 于矿区西部、 中部东西两道， 其他区域坡度较小； 未 考虑矿区原始地形的采煤沉陷区坡度大小所处的位 置基本与沉陷规律相同， 沉陷区外围和中心区域坡 度较小， 边坡区域坡度较大； 考虑原始地形特征后， 由于原始地形的影响， 沉陷区的坡度发生了较大变 化， 各位置的坡度不再与沉陷规律相吻合， 采煤沉陷 区大部分区域坡度都增大， 小部分区域坡度减小。 2. 3. 2原始地形对采煤沉陷区不同栅格尺寸DEM 地表起伏度的影响 对考虑和未考虑原始地形采煤沉陷区不同栅格 尺寸DEM分别提取地表起伏度， 将地表起伏度划分 为 0～0.05 m、 0.05～0.1 m、 0.1～0.15 m、 0.15～0.25 m、 0.25～0.4 m、 0.4～0.65 m、 ＞0.65 m 7级， 计算、 统计了两 者不同地表起伏度区域的面积变化量， 如表2所示。 由表2可知 栅格尺寸对采煤塌陷地地表起伏度 变化影响较大， 随着栅格尺寸增大， 地表起伏度较小 区域面积明显减少， 起伏度较大区域面积明显增大； 考虑原始地形后， 起伏度小于0.05 m的区域面积明显 减小， 起伏度大于0.05 m的区域面积普遍增大。 选取分辨率为5 m5 m的DEM， 提取出起伏度 变化的位置， 分析矿区各位置的地表起伏度特征 （图 5） ， 探讨起伏度变化原因。 由图5可知 矿区原始地形的绝大部分区域地表 起伏度较小， 只有矿区西侧、 西北方向以及中部部分 地区有较大起伏； 未考虑原始地形的采煤沉陷区地表 起伏度分布较为规则， 较小区域主要位于沉陷区外围 和中心区域， 边坡区域起伏度较大； 考虑原始地形特 征后， 地表起伏度较大的区域仍然主要分布在塌陷区 变坡区域， 大部分区域地表起伏度都明显增大。 2. 3. 3原始地形对采煤沉陷区不同栅格尺寸DEM 积水面积的影响 根据矿区当地地下水位埋深和采煤沉陷区地表 下沉量， 矿区积水程度可划分为常年积水、 季节性积 水和无积水三类， 相应的积水深度指标分别为＞2.5 m、 1.0～2.5 m和 ＜1.0 m。根据积水程度划分标准和矿 区沉陷值， 提取、 计算出的各个栅格尺寸不同程度积 水面积的比例如表3、 表4和图6所示。 由表3、 表4和图6分析可知 随着栅格尺寸增 大， 沉陷区积水面积比例大小不变， 由于矿区积水面 积仅与高程信息有关， 栅格尺寸的改变并不会改变 高程信息； 考虑原始地形后， 采煤沉陷区积水面积和 位置发生了明显变化， 其中常年积水面积减少约 13， 季节性积水面积减少将近5， 而无积水面积明 显增加， 增加将近18； 积水情况变化的位置主要位 于矿区西北方向， 是因为该区原始地表高程相对较 高， 采煤沉陷后恰好减轻了地表下沉状况， 导致积水 面积减小。 3结语 以我国东部某煤矿为例， 通过对矿区原始地形、 采煤沉陷区和考虑原始地形的采煤沉陷区DEM进行 坡度、 地表起伏度、 积水面积地形因子的计算和提 取， 分析了原始地形对采煤沉陷区的影响。认为矿 区原始地形特征对开采沉陷区地形有较大影响， 考 116 ChaoXing 虑原始地形后， 矿区采煤沉陷区地形特征均发生了 明显变化， 沉陷区坡度、 地表起伏度都明显增大， 积 水面积明显减少， 采煤沉陷区地形特征更准确、 真 实。本研究仅就原始地形对采煤沉陷区地形特征的 影响进行了探讨， 原始地形对沉陷区土地复垦工艺、 及工程量的具体影响仍需进一步研究。 参 考 文 献 王海宁.中国煤炭资源分布特征及其基础性作用新思考 ［J］ .中 国煤炭地质， 2018， 30 （7） 5-9. 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