高潜水位采煤沉陷区积水范围动态演化规律_陈晓谢.pdf

第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Anhui Province Engineering Laboratory for Mine Ecological Remediation, Hefei 230601, China; 3. School of Earth and Environment, Anhui University of Science 4. School of Mining and Geomatics, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China; 5. Wugou Coal Mine of Anhui Hengyuan Coal Power Co. Ltd., Huaibei 235131, China; 6. Hefei College of Finance coal mining subsidence area; remote sensing monitoring; evolution of subsidence water accumulation range; the boundary angle of water accumulation range; Wugou coal mine 煤炭资源在我国能源体系中占非常重要的地位， 占国家能源消费总量的 64[1]， 煤炭的大规模开采造 成了严重的地表塌陷、地裂缝等地质灾害[2-3]。两淮 地区是我国重要的煤炭基地， 该地区地下潜水位高、 松散层厚、下沉系数大，煤炭资源的开采引起地表 下沉形成盆地，加上大气降水与地下水补给等因素 的共同影响，沉陷盆地内形成大面积的积水，导致 沉陷区水土流失严重，村庄、耕地被积水淹没，原 有的陆地生态系统转化为水陆复合生态系统[4-5]，对 当地生态环境、社会经济造成了严重的影响。 关于沉陷区积水演化研究，目前主要集中在积水 面积演化和水循环两个方面。在积水演化方面，彭苏 萍等[6]以淮南市为例，利用多时相 TM 遥感影像监测 地表积水塌陷区动态变化信息；魏矿灵等[7]以淮南矿 区为例，通过监测不同时期 SPOT-5 遥感影像，确定 开采沉陷的位置及积水变化范围；马建威等[8]利用 Landsat 系列卫星数据，研究了武汉地区 19732015 年的城区水面范围变化，分析多种因素对水体面积的 影响等。在水循环方面，陆垂裕等[9-10]提出了面向对 象模块化的分布式水文模型 MODCYCLE，并借助相 关水文推理和数值模拟分析，对淮南典型高潜水位采 煤沉陷区的地下水机制进行辨析，得到高潜水位采煤 沉陷区积水的补给来源和排泄渠道；李慧等[11-12]利用 分布式水文模型，深入研究东部高潜水位采煤沉陷积 水区库容变化的主要影响因素及其相互关系。 针对高潜水位采煤沉陷区积水演化规律研究， 多针对地表或浅层地表的积水范围，结合工作面采 动影响的积水动态演化规律方面研究较少。本文以 五沟煤矿 1031 工作面为研究区，基于 Landsat-8 卫 星遥感数据， 对 1031 工作面地表积水范围进行长时 序的动态监测， 提取积水边界矢量并统计积水面积， 分析积水范围动态演化规律及其影响因素，以期为 高潜水位采煤沉陷区土地利用规划、土地复垦、水 陆复合生态系统建立提供理论依据。 1 研究区概况 1031 工作面位于安徽省濉溪县五沟煤矿，是典 型的高潜水位采煤区，该地区降水量丰富，年均降 水量 827 mm，地下水位埋深 1.54.0 m，多年平均 埋深 2.48 m[13]。 1031 工作面采动时间为 2013 年 10 月 至 2015 年 3 月， 工作面所在位置及现状如图 1 所示， 底图为 2019 年 11 月 11 日研究区遥感图像，其中 1031 工作面全长 1 411 m，宽 180 m，煤层倾角为 316，平均倾角 8，煤层平均厚度 3.8 m，平均埋 深H0约 364 m。工作面上覆岩层以砂岩和泥岩为 主，厚度约 94 m，松散层厚度约 270 m，钻孔柱状 如图 2 所示。工作面所在区域地表地势平坦，标高 26.5027.56 m，无大流量河流经过。由于该地区 地下水埋深浅，降水量大[14]，且地表下沉系数大， 工作面采动后地表很快将形成积水[15]。 图 1 五沟煤矿研究区所在位置及现状 Fig.1 Location and current situation of the study area in Wugou coal mine 2 积水范围遥感监测 矿区地表积水周期长、范围大，且所处位置交 通不便，常规的观测手段难以获取大范围、长时序、 完整统一的积水范围演化数据；遥感观测手段具有 观测周期短、数据量大、精度高等特点，因此，选 择遥感资料作为数据源，提取采煤沉陷区地表积水范 围信息[16]。本次选用 Landsat-8 系列卫星的遥感数据， 影像空间分辨率为 30 m，卫星回归周期为 16 d。 2.1 遥感图像获取与预处理 五沟煤矿 1031 工作面采动时间为 2013 年 10 月至 2015 年 3 月， 地表积水盆地不受其他工作面采 动影响的截止时间为 2016 年 10 月，故选取 2013 ChaoXing 128 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 2 五沟煤矿 1031 工作面钻孔柱状 Fig.2 Borehole columnar section in working face 1301 in Wugou coal mine 2016 年 Landsat-8 获取的遥感影像。剔除云量较大、 能见度低的遥感影像， 最终选取 16 期满足水体提取 基本要求的遥感影像。对选取的每幅影像进行预处 理，步骤包括辐射定标、大气校正和图像裁剪， 得到最终影像[17]。 2.2 积水范围提取 目前，较高效的水体提取方法为水体指数 法，常用的水体指数包括归一化差异水体指数 NDWINormalized Difference Water Index[18]、改进 后 的 归 一 化 差 异 水 体 指 数 MNDWI[19]Modified NDWI及自动水体提取指数 AWEIAutomated Water Extraction Index[20]。NDWI 利用近红外波段和绿波段 的反射率差值提取水体，该方法提取时可能有部分不 透水层像素会被误判为水体； 故提出了 MNDWI 指数， 将 NDWI 中的近红外波段换成短波红外波段， 增加水 体的提取精度[19]；AWEI 针对 Landsat-5 影像设计， 通过最大化水体和非水体区分度而得到最优的系数 组合[21]。结合研究区条件，对比各种水体指数特点， 选择 MNDWI 指数用于该研究区的水体提取。 选择 Landsat-8 影像中的绿波段Band 3和短波 红外波段Band 6反射值进行计算，公式如下 GreenMIR GreenMIR MNDWI     1 式中 ρGreen和 ρMIR分别为绿光波段和短波红外波段 的反射值。 通过 MNDWI 指数对遥感图像进行处理，根据 影像内的水体特征，统计积水面积并将积水边界转 成矢量文件输出。如图 3 所示，底图为 Landsat-8 标准彩色合成影像，白框部分为同期研究区积水矢 量边界，积水矢量边界与水体边界基本吻合，可知， 通过 MNDWI 提取的积水边界与水体边界基本吻 合，具有较高的准确性，能够满足研究需求。 图 3 2016 年 9 月 2 日积水矢量边界提取效果 Fig.3 Extraction effect of water accumulation vector boundary on September 2, 2016 3 积水动态演化规律 通过 MNDWI 方法， 得到 16 幅积水范围矢量并 统计积水面积，结合工作面推进位置，监测积水范 围动态变化，分析地表积水范围演化规律。 图4为1031工作面推进位置与地表积水范围变 化叠加图像，由图 4 可以看出，地表积水形成明显 滞后于地下工作面采动时间，当工作面推进 476 m 后，即推进距离接近采深H0时，地表积水才开始 形成；工作面推进过程中，积水范围演化方向与工 作面推进方向一致，随着工作面推进，积水范围沿工 作面推进方向扩大，积水面积日增长量约 440 m2/d； 2015 年 3 月 3 日工作面停止采动至 2015 年 7 月 30 日，积水范围仍然沿工作面推进方向扩大，积水 面积日增长量约 120 m2/d；工作面停采后 5 个月左 右，积水范围不再扩大，趋于稳定。 为更方便研究积水范围演化过程中的影响因 素，通过工作面采动状态及积水范围的演化规律分 析，将高潜水位采煤沉陷区积水范围演化划分为 4 个时期，如图 5 所示。 a. 未形成期 该阶段为工作面开始采动至地 表积水开始形成期间，地表积水尚未形成； ChaoXing 第 2 期 陈晓谢等 高潜水位采煤沉陷区积水范围动态演化规律 129 图 4 20132016 年工作面推进距离与地表积水范围变化 Fig.4 Working face advancement distance and water accumulating area change in 2013-2016 图 5 五沟煤矿 1031 工作面积水面积变化 Fig.5 Change of water accumulating area of working face 1031 in Wugou coal mine b. 同步增长期 该阶段为地表首次观测到积 水至工作面停止采动期间，工作面处于采动状态， 地表积水范围随工作面采动同步增长； c. 残余增长期 该阶段为工作面停止采动至 停采后 5 个月左右，地表受采动残余沉降影响仍呈 动态变化，积水范围沿工作面推进方向呈增长趋 势，积水面积呈缓慢增长趋势； d. 相对稳定期 该阶段为工作面停采 5 个月 后，地表基本趋于稳定，积水边界不再沿采动方向 扩大，积水面积整体趋于稳定。 4 地表积水演化的关键影响因素 沉陷区积水范围演化中，首先受工作面采动影 响产生地表沉陷；另外，大气降水和地下水补给是 沉陷区积水的主要来源，占积水区水量来源 90以 上，水分蒸发是主要的排泄方式[10]，其他影响因素 对积水范围影响较小，非主要影响因素。 为研究主要影响因素对积水范围的作用，首先， 根据 20132016 年国家气象观测数据计算研究区的 降水量、蒸发量[22]及两者差值，得到净降水量，分析 净降水量对积水范围演化各阶段的影响；然后，根据 濉溪县地下水位埋深观测数据，分析地下水位埋深对 积水演化各时期的影响；再次，结合工作面推进距离， 分析工作面推进距离对积水范围演化各时期的影响； 最 后，根据上述分析得到积水范围演化的关键影响因素。 4.1 净降水量 大气降水、蒸发作用同步进行，均对积水范围产 生影响，因此，应综合分析两者对沉陷区积水范围演 化的作用。通过计算研究时期内日降水量、日蒸发量 差值之和，得到研究区净降水量累计值。图 6 为自首 次观测到积水以后的净降水量与积水面积变化图。 图 6 净降水量与积水面积相关关系 Fig.6 Correlation between net rainfall and water accumulating area 积水未形成期，该沉陷区未产生积水。同步增 长期和残余增长期，积水面积整体呈增长趋势，净 降水量与积水面积日增长量呈正相关，随着净降水 ChaoXing 130 煤田地质与勘探 第 48 卷 量增大，积水面积日增长量越大；净降水量减小， 积水面积日增长量相对减小。据图 6 可知，2014 年 5 月 8 日至 2014 年 12 月 2 日，净降水量由–57 mm 左右先减小至–170 mm 左右，再增长到 200 mm 左 右，同期积水面积由 1.8 hm2增长到 14.0 hm2，平均 日增长量约 584 m2； 2014 年 12 月 2 日至 2015 年 3 月 3 日工作面停止采动期间，净降水量由 200 mm 减 小至 105 mm 左右，同期积水面积由 14.0 hm2增长 到 15.3 hm2，平均日增长量约 116 m2，积水面积 日增长量较前者明显减小。相对稳定期，净降水 量与积水面积日增长量负相关， 如 2015 年 7 月 30 日至 2016 年 3 月 10 日， 净降水量由 180 mm 减小 至 75 mm，由于净降水量整体为正，对积水仍呈补 充状态， 同期积水面积呈小幅度增长， 平均日增长量 约为 72 m2；2016 年 6 月 4 日至 2016 年 8 月 1 日， 净降水量整体由 15 mm 增长至 39 mm，但过程中净 降水量出现负值， 同期积水面积呈小幅度减小， 平均 日减小量约 170 m2。 4.2 地下水位埋深 浅层地下水在沉陷区形成积水后，与地表水体 产生水力联系，对地表水有一定的补充作用，是沉 陷区积水主要来源之一[23]，图 7 为研究时期地下水 位埋深与积水面积变化图。 图 7 地下水埋深与积水面积相关关系 Fig.7 Correlation between groundwater depth and water accumulating area 积水未形成期，地表未观测到积水，该阶段地 表下沉量较小，未与地下水产生水力联系；同步增 长期与残余增长期，地表下沉量变大，沉陷区形成 积水区域，该阶段地下水位埋深与积水面积日增加 量呈负相关，地下水位埋深快速减小，积水面积日 增长量增大；地下水位埋深增加，地下水对沉陷区 补给减少，积水面积日增长量减小。据图 7 可知， 2014 年 3 月 21 日至 2014 年 12 月 2 日，地下水位 埋深由 3.7 m 左右减小到 2.4 m 左右，同期积水面 积平均日增长量约 504 m2；2015 年 3 月 24 日至 2015 年 7 月 30 日，地下水位埋深由 2.9 m 左右减小 至 1.8 m，积水面积平均日增长量为 139 m2；2014 年 12 月 2 日至 2015 年 3 月 24 日， 地下水位埋深由 2.4 m 左右增大至 2.9 m， 同期净降水量由约 210 mm 减小到 115 mm 左右，积水面积平均日增长量约 116 m2，较前两区间增长速度明显减小；相对稳定 期，沉陷区基本稳定，地下水与沉陷区积水已产生 稳定水力联系，浅层地下水为积水区域提供涵养条 件[12]，维持地表水的相对稳定，该阶段地下水位埋 深与积水范围演化相关性不明显。 4.3 工作面推进距离 工作面采动后，采区周围岩体原始应力平衡被破 坏，在应力达到重新平衡的过程中，上覆岩层产生连 续的移动、变形和非连续破坏，地表产生移动盆地。 当移动盆地达到一定深度且与地下水产生水力联系 时，地表将形成积水区域，随着地下工作面采动，地 表积水区域随之同步扩大。 由积水范围演化规律可知， 地表积水范围沿着工作面采动方向演化[24]，可见工作 面推进距离与积水范围演化具有明显的相关性。 图 8 为工作面推进距离与积水面积变化关系图。 据图 8 可知，地表积水形成明显滞后于工作面采动， 在积水未形成期，受工作面采动影响岩层发生破坏， 并逐渐传递至地表，地表形成下沉盆地，但下沉量较 小，地表尚未形成稳定积水区域；同步增长期，随着 下沉量增大，地表移动盆地已形成积水，截至工作面 停止采动，积水面积随工作面采动增长至 15.3 hm2左 右；残余增长期，工作面停采后，采动导致的岩体移 动尚未稳定，该阶段地表积水面积仍有小范围增加， 由 15.3 hm2 增长至 17.1 hm2；相对稳定期，该阶段岩 体应力平衡基本稳定，沉陷区地表趋于稳定，但受降 水量、蒸发量、地下水等因素影响，积水面积仍然存 在小幅度波动。 图 8 工作面推进距离与地表积水面积相关关系 Fig.8 Correlation between working face advancement distance and water accumulating area 4.4 关键影响因素确定 综上可知，积水未形成期，地表主要受工作面 采动影响形成下沉盆地，由于下沉较小，地表尚未 形成积水；同步增长期，地表下沉量增大，地表形 成积水，该阶段净降水量、采动距离与积水面积日 ChaoXing 第 2 期 陈晓谢等 高潜水位采煤沉陷区积水范围动态演化规律 131 增长量呈正相关，地下水埋深与积水面积日增长量 呈负相关；残余增长期，该阶段工作面停止采动， 受残余沉降影响，地表仍然有少量下沉，该阶段积 水面积仍然呈上升趋势，净降水量与积水面积日增 长量呈正相关，地下水埋深与积水面积日增长量呈 负相关；相对稳定期，该阶段地表下沉盆地基本稳 定，受降水量、蒸发量和地下水埋深的波动，积水 区面积整体稳定呈小范围波动。 净降水量、地下水埋深、工作面推进距离均与 地表积水范围演化有明显相关性，但净降水量、地 下水位埋深受气候条件影响均呈周期性变化[25]，根 据积水演化规律分析可知，工作面推进距离增加为 积水范围演化的关键影响因素。 5 工作面推进距离与积水边界角的关系 为量化工作面采动距离与积水范围演化的关 系，提出积水边界角的概念。工作面推进距离是积 水范围演化的关键影响因素，与积水面积变化呈正 相关。根据积水边界角随工作面采动距离的变化， 建立工作面推进方向上推进位置与地表积水范围之 间的动态关系。 如图 9 所示，工作面推进位置 A，工作面推进 方向剖面正上方积水边界 B，连接 AB，AB 与工作 面推进方向的夹角定义为积水边界角。图中，AB 在 水平面投影距离为 L，H2为工作面到积水水面的高 差，H0为采深，H1为积水水面到原地表的距离，由 于 H2远大于 H1，故 H2约等于 H0。 图 9 积水边界角示意图 Fig.9 Schematic diagram of the boundary angle of the water accumulating area 积水边界角计算公式为 0 arctan90 L H  2 式中为积水边界角，；H0为采深，m；L 为 AB 在水平面的投影距离，m。 根据式2，计算每个观测时间段积水边界角。 2013 年 10 月至 2014 年 3 月 21 日地表未形成积水， 积水边界角记为 0，从 2014 年 3 月 21 日开始统计， 并利用统计数据绘制积水边界角变化曲线，如图 10 所示。 图 10 积水边界角变化曲线 Fig.10 Variation of the boundary angle of the water accumulating area 为便于研究积水演化周期内积水边界角的变化 特征，根据工作面推进速度与推进距离，建立推进 距离与时间的关系，最终建立整个演化过程中积水 边界角与时间的关系。 a. 未形成期 地表未形成积水，积水边界角记 为 0。 b. 同步增长期 工作面推进距离是导致积水 边界角变化的关键影响因素，采动阶段工作面平均 推进速度 ν 约为 2.7 m/d，476m1411m l tl v  （）≤ ≤， 从而将工作面采动距离 l 转化为采动时间 t，采动距 离随时间的增加而增大，建立采动时间与积水边界 角的关系。 c. 残余增长期 建立积水边界角与工作面停 采时间的关系。 d. 相对稳定期 该阶段积水范围整体动态平 衡，积水边界角小范围波动，趋于 90。 积水演化各阶段中，积水边界角与工作面采动 时间的关系式为 7 32 01172 5 100.00140.7958.70172520 141.5870.078 520648 90 648 t tttt tt t            ≤ ＜未形成期 ≤ ＜同步增长期 ≤ ＜残余增长期 ≥相对稳定期 3 式中t为时间工作面开始采动记为第 1 天，d。 由图 10、 式3可得积水演化周期内积水边界角 与工作面采动时间的关系。积水未形成期，不观测 积水边界角；同步增长期和残余增长期，积水边界 ChaoXing 132 煤田地质与勘探 第 48 卷 角整体呈减小趋势，其中，同步增长期积水边界角 与时间呈三次函数关系，积水边界角整体随时间变 化呈减小趋势，即积水边界角随着工作面采动距离 的增大而减小；残余增长期，积水边界角与采动时 间呈一次函数关系，积水边界角随工作面停采时长 的增加而减小；相对稳定期，积水边界角趋于稳定， 接近 90。 6 结 论 a. 高潜水位采煤沉陷区地表积水的形成分为 4 个阶段未形成期，开始采动至采动距离 476 m； 同步增长期，采动距离 476 m 至工作面停采；残余 增长期，工作面停采至停采后 5 个月左右；相对稳 定期，停采 5 个月后。 b. 积水范围演化受到大气降水、蒸发、地下水 位埋深、工作面采动等因素的影响，在同步增长和 残余增长期，净降水量、工作面采动距离与积水面 积日增长量呈正相关，地下水位埋深与积水面积日 增长量呈负相关；工作面推进距离为积水范围演化 的关键影响因素。 c. 积水边界角在同步增长期和残余增长期整 体呈减小趋势；同步增长期的积水边界角随工作面 推进距离的增加而减小；残余增长期的积水边界角 随工作面停采时长的增加而减小；积水稳定期，积 水边界角趋于稳定，接近 90。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 英国石油公司.BP 世界能源统计年鉴[EB/OL]. 2019- 06-14[2019-10-10] reports.html. 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