趙朝賀，楊化超，胡 奎，陳玉平

（1.中國礦業(yè)大學(xué)， 江蘇 徐州市 221116；2.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州市221116；3.國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州市 221116；4.皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)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(qū)域周圍的巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力重新分布，達(dá)到新的平衡。在此過程中，巖層和地表產(chǎn)生連續(xù)的移動、變形和非連續(xù)的破壞（開裂、冒落等），這種現(xiàn)象稱為“開采沉陷”［1］。對一個(gè)計(jì)劃進(jìn)行的開采，在開采之前根據(jù)其地質(zhì)采礦條件和選用點(diǎn)的預(yù)計(jì)函數(shù)、參數(shù)，預(yù)先計(jì)算出受此開采影響的巖層和（或）地表的移動和變形進(jìn)行開采沉陷預(yù)計(jì)，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(dǎo)建筑物下、鐵路下、水體下采煤的安全、生產(chǎn)。過于保守的（偏大）預(yù)測結(jié)果將導(dǎo)致花費(fèi)不必要的保護(hù)費(fèi)用，造成浪費(fèi)；過于低估影響的（偏?。╊A(yù)測結(jié)果可能導(dǎo)致保護(hù)措施不足，使保護(hù)對象受到破壞，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

MSPS系統(tǒng)（Mining Subsidence Presentiment System）基于 Auto CAD平臺，采用 VBA（Visual Basic for Applications）二次開發(fā)技術(shù)，用于地表沉陷數(shù)據(jù)處理、地表沉陷預(yù)計(jì)、開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)的求取、地表沉陷實(shí)時(shí)預(yù)計(jì)、礦區(qū)土地沉陷預(yù)報(bào)等［2－3］。

GIS系統(tǒng)（Geographic In formation System）發(fā)展于20世紀(jì)60年代，是集計(jì)算機(jī)學(xué)、地理學(xué)、地圖學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及數(shù)據(jù)庫等技術(shù)于一體，能對整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、管理、運(yùn)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(tǒng)對五溝煤礦開采沉陷進(jìn)行分析，然后將預(yù)計(jì)的結(jié)果和地物模型導(dǎo)入GIS，利用GIS強(qiáng)大的可視化、分析及美觀功能［7－8］，對評估區(qū)范圍內(nèi)的塌陷情況進(jìn)行全面分析，驗(yàn)證MSPS的適用性。在煤礦開采沉陷預(yù)測及生產(chǎn)中，這2個(gè)系統(tǒng)的結(jié)合具有傳統(tǒng)方式工作模式下不可比擬的優(yōu)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(biāo)高。區(qū)域地層隸屬于淮北地層大區(qū)徐淮地層分區(qū)淮北地層小區(qū)，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(fù)式褶皺構(gòu)造組合，向斜的軸部呈反S形，形態(tài)上呈南端狹小，北端寬闊的近三角形展布。該煤礦現(xiàn)主要開采首采區(qū)即南一采區(qū)，位于工業(yè)廣場南側(cè)，開采深度467m左右，主要開采10煤層。1016工作面實(shí)際回采長度為653m，傾向?qū)?80m，實(shí)際采厚4.19m；1017工作面實(shí)際回采長度為713m，傾向?qū)?80m，實(shí)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(fēng)。采煤方法采用傾斜長壁與走向長壁相結(jié)合的綜合機(jī)械化開采，頂板管理采用全部冒落法。煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為60×104t／a。據(jù)調(diào)查，地下采空引發(fā)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(nèi)耕地為主，破壞房屋1843間，其次為農(nóng)用道路及203省道。矸石堆場現(xiàn)占地面積16100m2，高25m左右。

2 開采沉陷預(yù)計(jì)

2.1 預(yù)計(jì)參數(shù)

對一個(gè)特定的開采來說，預(yù)計(jì)參數(shù)是常數(shù)；對不同的開采來說，預(yù)計(jì)參數(shù)值是不同的。預(yù)計(jì)的方法有很多種，可以根據(jù)預(yù)計(jì)的要求和開采的地質(zhì)條件進(jìn)行選用。各種預(yù)計(jì)方法都有各自特有的預(yù)計(jì)參數(shù)，MS P S系統(tǒng)采用概率積分法進(jìn)行預(yù)測［9－10］，應(yīng)用到的地表移動和變形參數(shù)包括：下沉系數(shù)（q）、主要影響角正切（t gβ）、拐點(diǎn)偏距（s0）、水平移動系數(shù)（b）。

依據(jù)國家煤炭工業(yè)局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤巖柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［11］中淮北礦區(qū)地表形態(tài)變化實(shí)測值，本次選用的地表沉陷系數(shù)為1.1，作為初次采動和重復(fù)采動的地表采動系數(shù)。根據(jù)淮北礦區(qū)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值及本礦區(qū)實(shí)測值，主要影響正切值選用1.7。該煤礦地表形態(tài)變化預(yù)計(jì)參數(shù)詳見表1。

表1 地表移動變形預(yù)計(jì)參數(shù)

2.2 開采沉陷預(yù)計(jì)

MSPS系統(tǒng)可以對不同采區(qū)、不同階段的回采情況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或動態(tài)預(yù)計(jì)，并將不同階段開采沉陷情況表現(xiàn)出來。針對該煤礦開采的實(shí)際情況，本文僅對1017、1021已回采工作面進(jìn)行預(yù)計(jì)，最終穩(wěn)態(tài)下沉盆地等值線見圖1。

圖1 1017和1021工作面開采沉陷預(yù)計(jì)下沉等值線

從圖1可明顯看出，當(dāng)采空區(qū)尺寸擴(kuò)大到一定范圍時(shí)，開采影響波及到地表，引起地表的移動與變形，使地表產(chǎn)生一個(gè)比采空區(qū)大得多的下沉盆地，且地表下沉穩(wěn)定時(shí)最大下沉值位于采空區(qū)中央，1021和1017采區(qū)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(jìn)行收集處理的基礎(chǔ)上，把Auto CAD環(huán)境下的圖形轉(zhuǎn)換為GIS環(huán)境下的圖形，并經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括數(shù)字化、建立拓?fù)潢P(guān)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(tǒng)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(yán)重，對應(yīng)的傾斜和水平變形均超過我國一般磚木結(jié)構(gòu)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(dá)265萬m2，積水區(qū)面積71.37萬m2，積水區(qū)體積57.9萬m3，給附近的農(nóng)田造成嚴(yán)重的影響。

選取1017單回采工作面兩個(gè)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(guān)系［12－13］，結(jié)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(qū)走向方向從零值逐漸增大。在750m處，地表最大下沉值達(dá)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(diǎn)A、B處下沉值為零。傾斜和水平移動曲線各自出現(xiàn)一個(gè)正極值和一個(gè)負(fù)極值，最大正極值出現(xiàn)在453m處，傾斜和水平移動值分別為2.18mm／m和160mm，此時(shí)曲率和水平變形值為零，負(fù)極值出現(xiàn)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(gè)極值，2個(gè)相等的正極值和2個(gè)相等的負(fù)極值，正極值分別出現(xiàn)在354m和1232m處，其值為4.06mm／m；負(fù)極值分別出現(xiàn)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(dá)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(shí)達(dá)到負(fù)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(xiàn)拐點(diǎn)，此時(shí)曲率（或水平變形）值為零，傾斜和水平移動值同時(shí)達(dá)到正極值和負(fù)極值，傾斜的正負(fù)極值分別為930 mm／m和－802mm／m，水平移動的正負(fù)極值分別為15.6mm和－16.4mm。隨著剖面線外延，C、D點(diǎn)處下沉值逐漸減小為零，此時(shí)傾斜值、水平移動值、曲率值、水平變形值也同時(shí)達(dá)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(yù)測結(jié)果與實(shí)際情況比較

2008年9月12日，該煤礦正式開始投產(chǎn)并采用全部冒落法管理頂板，隨著回采工作面范圍的擴(kuò)大，地表塌陷盆地也在逐漸擴(kuò)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(qū)［14］。為了更充分說明MSPS系統(tǒng)預(yù)計(jì)的準(zhǔn)確度，現(xiàn)將預(yù)計(jì)的移動下沉等值線加載到配準(zhǔn)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(jù)圖5分析，可知1017和1021回采工作面的預(yù)計(jì)移動下沉盆地中心基本位于采空區(qū)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(qū)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(shí)際情況。

綜上分析表明，MSPS系統(tǒng)開采沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果與地表實(shí)際移動下沉情況相符，其預(yù)測結(jié)果可以應(yīng)用在煤礦礦山開采中，并能較好地指導(dǎo)井下實(shí)際開采、建（構(gòu)）筑物的保護(hù)及村莊的搬遷工作。

3 結(jié) 論

煤礦開采沉陷預(yù)測準(zhǔn)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(tǒng)進(jìn)行預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)了開采沉陷預(yù)測的可視化，并將MSPS與GIS結(jié)合，充分利用了CAD的操作簡便性和實(shí)用性及GIS強(qiáng)大的圖形表現(xiàn)和空間分析功能，對開采沉陷預(yù)測結(jié)果進(jìn)行綜合可視化分析，為今后研究煤礦礦山開采沉陷規(guī)律做了一定的工作。利用MSPS系統(tǒng)進(jìn)行開采沉陷預(yù)測，可以較好地適應(yīng)周圍環(huán)境的影響，對從事開采沉陷的工作者來說是個(gè)不錯的選擇。通過預(yù)測結(jié)果與實(shí)際開采沉陷下沉情況對比，驗(yàn)證了MSPS系統(tǒng)在煤礦礦山開采中的適用性和對礦山生產(chǎn)的指導(dǎo)意義。

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