（环境工程专业论文）矿井开采沉陷影响土地利用系统的GIS分析方法.pdf

矿井开采沉陷影响土地利用系统的g i s 分析方法 摘要 准确预测开采沉陷对指导“三下”( 建筑物下、水体下、铁路下) 开采实践具 有重要意义。论文将地理信息系统( g i s ) 应用到张北矿井开采沉陷的影响预测中， 主要内容包括： 预测模型采用概率积分法，利用r i e m a l m 和对模型中的双重积分进行分 块运算，通过m a t l a b 编写出程序计算出预测区内任意点的地表下沉、地表曲 率、地表水平移动和地表水平变形值； 首次尝试借助于动态数据交换( d d e ) 实现m a t l a b 与a r c v i e w 之间的数 据传输，由m a t l a b 控制a r c v i e w 的操作，将其工作空间中的计算结果自动写 入到a r c v i e w 的专题数据表中。根据下沉数据，生成t i n 表面模型，并在t i n 数据的基础上，计算出塌陷影响总面积和积水量，实现塌陷区三维可视化。由 a r c v i e w 生成下沉等值线； 将不同塌陷深度区域与矿区权威地藉数据库进行空间叠合操作，提取出不 同塌陷深度影晌的各种士地利用类型，并分别计算出面积； 根据g i s 空间分析的结果，预测与评价了塌陷对生态环境的影响，并提 出了整治措施。 关键词：开采沉陷地理信息系统a r c v i e wm a t l a b 生态环境 f o r e c a s to f m i n i n g s u b s i d e n c e si n f l u e n c eo nl a n d u s e b y u s i n g g i s a b s t r a c t e x a c tf o r e c a s to fr n j l l i n 2s u b s i d e n c ei s s i g n i f i c a n t f o rc o a i m i n i n gu n d e r b u i l d i n g s w a t e r - b o d i e sa n dr a i l w a y s t h i sd i s s e r t a t i o np r e d i c t s 廿l em i n i n gs u b s i d e n c e i nz h a n g h e im i n e t h r o u g h g i s t h em a i nt a s k si n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) 1 1 1 ep r o b a b i l i t y - i n t e g r a t i o ni sa d o p t e dt op r e d i c tt h es u b s i d e n c e ，a n dt h es u m o fr i e m a n ni su s e dt oc 0 1 c u l a t et h ed o u b l ei n t e g r a t i o ni nt h em o d e l t h es u b s i d e n c e c u r v a t i 1 r e h o r i z o n t a lm o v e m e n ta n dh o r i z 0 1 1 1 a ld e f o r m a t i o no fs u r f a c ea tr a n d o m p o i n ti nt h ep r e d i c t e dr e g i o n a r ec a l c u l a t e dt h r o u g hm a t l a b p r o g r a m ； ( 2 ) t h ed a t aa r et r a n s f e r r e db e t w e e nm a t l a b a n da r c v i e wt h r o u g hd d e ，a n d t h e yc a l lb ea u t o m a t i c a l l yw r i t t e ni n t o t l l ed a t a b a s eo fa r e v i e wt h e m e su n d e rt h e c o n t r o lo fm a t l a bo na r c v i e w , a n dt i ns u r f a c em o d e li sc r e a t e da c c o r d i n gt ot h e s u b s i d e n c ed a t a b a s e do nt h et i nd a t a ，t h et o t a la f f e c t e da r e aa n d s e e p e ra r e c o l c u l a t e da n dt h es u b s i d e n c ei ss i m u l a t e db v3 dm o d e l 。t h e nt h es u b s i d e n c ec o n t o u r 1 i n ei sa u t o m a f t c a l l yf o r m e db y a r c v i e w ； f 3 ) t h ed i f i e r e n td e e ps u b s i d e n c ea n dt h ea u t h o r i t a t i v e1 a n du s ed a t a b a s ea r e s p a t i a l l ya n a l y z e da n d t h ed i f i e r e n tl a n d sa r ef o u n do u ta n dt h e i ra r e a sa r ec a l c u l a t e d ； ( 4 ) a c c o r d i n g t ot h ec a l c u l a t e dr e s u l tt h r o u g hs p a t i a la n a l y s i so f g i s ，t h ee f f e c t o fs u b s i d e n c eo ne n v i r o n m e n ti se v a l u a t e d ，f u r t h e r m o r et h er e n o v a t em e a s u r ei s 口t i t f o r w a r d k e y w o r d s ：s u b s i d e n c eg i sa r c v i e wm a t l a b e c o l o g i ce n v i r o n m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得盒蟹王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 金目b 工些友堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 导师签名 签字日期：年月 日 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本论文是在我的导师葛晓光教授的悉心指导下完成的，写作过程中，导师提 出了许多宝贵的意见并做了精心的修改。三年来的硕士阶段学习中，导师渊博的 知识、严谨求实的治学态度、勤奋敬业的献身精神，是我以后学习工作的永恒动 力。在生活中，导师给予了我无微不至的关怀和帮助，使我顺利地完成学业，谨 在此向我尊敬的导师表示最衷心的感谢! 同时，在学习和论文的写作中还得到汪家权老师和钱家忠老师的指点和帮 助，在此表示最诚挚的谢意! 感谢我的家人在精神上和物质上给予我最坚强的支持，他们辛勤劳作对我多 年来的抚育和培养，让我安心的学习! 学习期间，得到室友毕锐、陈增明、唐涛等的关心和帮助，以及同学陈韵、 吴义锋、胡淑恒和各位师兄、师姐、师弟、师妹们的大力支持，也向他们表示真 诚的感谢。 感谢所有关心和帮助我的老师和同学们! 傅文学 2 0 0 4 年5 月 第一章绪 论 1 1 课题的提出 111 矿山开采沉陷的危害 矿产的大规模开发和利用，极大地推动了人类经济和社会的发展。但是由 于矿山的开采引起的地面沉陷也给人类的生活和生态环境带来了消极的影响。 矿山开采沉陷对矿区环境造成的严重损害，己成为制约矿区可持续发展的主要 问题之一。它对自然环境和社会环境的影响突出表现在1 1 q j ：1 地表形态的破 坏：开采沉陷最深处可达l o 米以上，形成长年的积水区，使土地利用类型发生 改变，大面积的耕地无法使用，破坏后土壤退化严重。在山区的沉陷还可能引 起山体滑坡；2 生态环境的影响：开采沉陷不仅破坏地表形态，同时改变潜水 位的赋存条件、破坏给水源卜”，采空区域地下水位控制的第四系潜水位相对上 升，造成局部潜水接近或出露地表，形成湿地或沼泽、湖泊化，从而影响地表 作物和植物的生长，破坏大面积的森林、植被，改变动植物的生长环境；3 危 及工民用建筑和生活生产设施，造成地面村庄建筑物的破坏，从而使许多村庄 居民被近搬迁重建。4 危及公路、铁路交通运输，对地面输电线路造成破坏， 使得高压输电线路、公路被迫改线重建。如1 8 7 5 年在德国的约汉载梅尔矿， 由于地表塌陷使铁路钢轨悬空，影响列车运行。据1 8 9 5 年德国的“幸福”杂志 记载，在波希米亚的柏留克城发生了地下开采危及地面的严重事件，地面的突 然崩塌毁坏了3 1 所房屋【8 】。开采沉陷造成巨大的经济损失，甚至人员伤亡。 在我国，每年由于矿山开采沉陷引起的总体损失大于地震。我国现有矿山 企业几万家，年采矿总量约2 0 多亿吨。在各种矿产中，煤炭的产量所占比例 最大。在各类矿山中，井下开采又是最主要的方式。据调查测算，井下开采每 万吨原煤造成的土地塌陷在0 5 8 亩之间，平均为2 3 亩。按我国原煤产量 推算，每年仅采煤行业导致的土地塌陷即达4 0 万亩。据不完全统计，我国因 采矿业造成的地面塌陷面积已达5 0 0 万- - 6 0 0 万亩，其中耕地为1 3 0 万亩。目 前我国人均耕地占有量不及世界平均值的三分之一，珍惜土地是我国的基本国 策。因此地面塌陷对于我国人均耕地本来就很少的现状无异于雪上加霜。例如 有“江南煤都”之称的江西省萍乡市，因长期采煤已导致累计7 8 平方公里的 地表沉陷，近9 万城乡居民生产、生活受到影响。据萍乡市发展和改革委员会 统计，全市受影响的住宅建筑面积达2 4 8 万平方米，涉及居民2 1 万户，8 t 8 万人，其中己严重威胁居民安全、需搬迁治理的达1 2 万户，5 万余人。受损 中小学校4 1 所，医院2 7 所。另外，城乡公路、供电供水设施、通信线路等也 受到不同程度毁损。 开采沉陷还导致矿山企业与当地居民之间的民事纠纷。如抚顺矿区老虎台 矿、龙风矿在市区下采煤，影响地表1 6 0 平方公里范围内的建筑物，因沉陷损 失可耕农田7 2 0 0 亩。2 0 0 3 年3 月，阜新市新丘矿区数百栋民房沉陷破坏，导 致居民集体上访。吉林省珲春矿区因沉陷甚至影响了对外开放a 与我国经济发展长期存在的东强西弱状态相对应，采矿业也是东强西弱。 而东部又恰恰是城镇密布、村落集中、人口稠密的地区，所以地面塌陷所带来 的灾害性后果更显突出。这种经济格局也决定了东部地区是矿山沉陷的重灾区。 以煤矿为例，我国现有统配煤矿和地方煤矿数干家，东、中部地区约占7 0 ， 东部地区的许多市镇都是以采煤业为基础工业逐步发展起来的，如鸡西、鹤岗 等。这些市镇都存在着矿山沉陷问题。华中的淮北矿区，从投产之年至2 0 0 0 年，塌毁农田累计达1 0 万余亩，其中常年积水的占3 8 。由于历史原因，许 多矿区地上城市、建筑与地下开采活动缺少统一规划，城市往往围绕矿井自由 发展，新老采区的地表不断下沉，致使地面城镇建筑、管线等遭到不断的、严 重的损坏。不少重灾区城市多次搬迁、重新投资建设。特别是当前，我国煤矿 采用“综采放顶煤一次采全高”的技术，一次开采厚度高达l o 一2 0 米，地表沉 陷深度也高达开采厚度的8 0 一9 0 ，位于沉陷区的土地和建筑物无一幸免地 遭到破坏，损失更加严重。而且我国矿山开采沉陷损害将继续发生。 1 1 2 开采沉陷对自然环境和社会环境的影晌 开采沉陷对矿区及其周围地区的自然环境和社会环境产生了一系列的影 响，可绘制成图1 1 所示的影响网络图【9 】。 我国环境保护法规定：“建设项目的环境影响报告书，必须对建设项目产生 的污染和对环境的影响做出评价，规定防治措施，经项目主管部门预审并依照 规定的程序报环境保护行政主管部门批准。环境影响报告书经批准后，计划部 门方可批准建设项目设计任务书。”由于矿山开采沉陷的巨大危害，因此对其对 环境可能造成的影响必须做出正确的评价。 1 2 预测矿山开采沉陷影响土地利用系统的传统方法 由于矿山开采沉陷的巨大破坏作用，矿山开采沉陷对周围环境的影响预测 是矿区环境保护的一项基础性工作。传统的预测方法是基于收集资料法和现场 调查法，主要有以下步骤：选择合适的数学评价模型。通常开采沉陷的预计 方法有基于实测资料的经验方法、影响函数法、理论模型法等。根据采区和被 影响区的地质条件和地形特点，选择适合研究区的预计方法；确定预测模型 用到的参数。主要有：煤层的法向开采厚度m ，煤层倾角口，采空区下山边界、 上山边界、走向主断面上的和平均的开采深度竭、岛、日、凰，下沉系数q ， 采空区走向长d 3 、倾向斜长d 1 ，工作面形状和工作面推进等；根据所选定 的数学模型和参数，计算出地表的移动和变形值，得出塌陷区内任意点的下沉 值，以及地表曲率出现最大值处的地表下沉值等预测结果，得出不同塌陷深度 l厂河流 l厂地表水体卡嚣系含水层 一陷一- - 一- - - - 一 _ 懂纛 i厂供水 图l l 开采沉陷对环境影响网络图 ( 据何国清等，1 9 9 2 ) 的等值线图；按照预计的结果通过收集资料和现场调查等方法得出不同深度 塌陷区内各土地利用系统的面积，以确定开采沉陷对土地利用系统的影响程度。 但这种传统分析方法在很大程度上受到人的主观因素的影响，其原因在于：土 地利用类型现状资料来自于各基层( 测绘、土地等) 部门提供的土地利用现状 图件、统计数据报表以及现场调查、走访、踏勘所获得的补充、验证与更新数 据。这些资料由于来源不同及形成资料的时间不同、可信度不同，而且土地利 用类型不断变化，资料不能及时更新，一些较久远的资料无法反映出土地利用 的现实性，甚至互相矛盾，因此不能保证资料的可靠性及权威性。而且分析中 需要的大量数据由于无法很好地组织，缺乏可维护性。当根据数学模型模拟出 的塌陷影响范围后，调查该范围内各种土地类型的面积时，不可避免地出现资 料误差，这种误差的累积必然妨碍对沉陷影响做出准确的预测，进而影响最终 的决策分析。 1 3 课题研究的意义 1 ，3 1 地理信息系统( g i s ) 简介 地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m s ，简称g 1 s ) 是“由计算机 硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统支持空间数据的采集、管理、处 理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。”g i s 是分析和处 理海量数据的通用技术，在最近的3 0 多年内取得了惊人的发展，并广泛地应用 于资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设旌管理、交通安全等领域，成 为一个跨学科、多方向的研究领域，其概念框架和构成如图1 - 2 所示。 图l 一2g i s 概念框架和构成 ( 据黄杏元等，2 0 0 1 ) 地理信息系统具有三个方面的特征j ： 1 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力； 2 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、 多要素综合分析和动态预测的能力，并产生高层次的地理信息； 3 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的 或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成 的任务；计算机系统的支持是g i s 的重要特征，使g i s 得到快速、精确、综合 地对复杂的地理系统进行空间定位和动态分析。 地理信息系统的操作对象是空阈数据，数据的采集主要来自于野外现场测 量、对现有地图的数字化、航空或遥感像片等，是以地球表面空间位置为参照， 描述自然、社会和人文经济景观的数据，这些数据可以是数字、文字、表格、 图像和图形等。通过精确的地理坐标系统和空间地物的坐标位置可以描述地理 实体和空间特性和报互之间拓扑关系，它们通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁 带机或其他输入设备输入到地理信息系统中。而与地理实体相联系的地理变量 或地理意义，即非几何属性，一般通过分类、命名、量算、统计等方法得到， 主要在于资料的收集。在建立地理信息系统之前，首先要进行详细的用户调查 需要存储的地理信息。地理信息系统的分析、检索主要是对属性的操作来实现 的。g i s 的数据采集过程如图1 3 。 对空间数据的管理和分析能力是地理信息系统区别于其他管理系统的最 主要特征。其空间分析功能主要包括：数字地形模型、空间统计分析、空间叠 合分析、缓冲区分析、空间扩展、网络分析、三维分析。目前空间拓扑叠加被 许多人认为是地理信息系统中独特的空间分析功能，是将两个或多个图层以相 同的空间位嚣重叠在一起，经过图形和属性运算，产生新的空间区域的过程。 一般用于搜索同时具有多种地理属性特征的分布区域，或提取某个区域范围内 某些专题内容的数量特征。空间数据的查询是从数据库中找出所有满足属性约 束条件和空间约束条件的地理对象，约束条件可以通过组合的逻辑表达式来描 述。图1 4 表现了g i s 空间查询与空间分析功能模块i 娃】。 黔篙嬲臁ll 地醒素il 像片资料性数据ii il 键盘ll 曩看萋 图像数 字信息 蓑鬈篓嘉裴lf 摄像机 ll 磁带机 仪和扫描仪li 攮。| 累仉 li 馓币帆 编辑、接边、分层、图形与 属性连接、注记标注 数据入库 图1 - 3g i s 数据采集流程图 ( 据黄杏元等，2 0 0 1 ) 位置查询 属性查询 拓扑查询 图1 4 g i s 空间查询 ( 据张超等，1 9 9 4 ) 地理信息系统产品是指由系统处理和分析，可以直接供专业人员或决策人 员使用的各种地图、图表、图像、数据报表或文字说明。地理信息系统的输出 内容主要包括空间数据和属性数据两部分。根据不同的要求，可以通过显示器、 打印机、绘图仪等显示输出终端输出动态的数字地图或静态的纸张地图( 图 1 5 ) 。 图1 - 5g 1 s 图形与属性的输出于系统 ( 据龚健雅，2 0 0 ” 1 3 2 利用g i s 预测矿山开采沉陷的优点 由于地理信息系统是一个采集、存储、管理、分析和显示有关地理现象信 息的综合系统，具有强大的空间数据库维护和空间要素定位、定量、定性和拓 扑关系分析功能，空间分析是建立在精确的坐标系统之上，因此用地理信息系 统预测矿山开采沉陷，可以有效地降低计算误差，消除累积误差。并且g i s 对 大量数据的存储、管理、查询能力，可以保证数据的及时更新，能够快速查询 出特定属性和属性组合的要素，因此可以准确地预测沉陷影响的范围和程度。 1 4 课题在国内外的研究现状及发展方向 1 4 1 国内外g l s 的发展现状 地理信息系统自2 0 世纪6 0 年代初诞生以来，经过几十年的发展，g i s 硬 件、系统软件和应用软件日趋成熟和完善 1 3 1 。 随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，g i s 的社会 需求量增大，应用日趋广泛。进入2 0 世纪9 0 年代，g i s 的发展进入用户时代， 这个时期，社会对g i s 的认识普遍提高，需求大幅度增加，g i s 已成为许多机 构( 特别是政府决策部门) 必备的工作系统。国家级乃至全球级的地理信息系 统已成为公众关注的问题，地理信息系统已被列入“信息高速公路”计划，也 是t r 数字地球”战略的重要组成部分。本世纪初几位学者探讨了g i s 与空间分 析的联系并展望了g i s 在各学科中的应用，说明g i s 广阔的应用前景l l ”“3 。 我国地理信息系统的起步较晚，但是也己取得了相当大的发展a 在进入上 世纪9 0 年代后，国家测绘局在全国范围内建立数字化测绘信息产业，地理信息 系统步入快速发展阶段。执行地理信息系统和遥感联合科技攻关计划，强调地 理信息系统的实用化、集成化和工程化，为国民经济重大问题提供分析和决策 依据。努力实现基础环境数据库的建设，推进国产软件的实用化、遥感和地理 信息系统技术一体化。在地理信息系统的区域工作重心上，出现了“东移”和 “进城”的趋向，促进了地理信息系统在经济相对发达、技术力量比较雄厚、 用户需求更为急迫的地区和城市首先实用化。这期间开展的主要研究及今后尚 需进一步发展的领域有重大自然灾害监测与评估系统的建设和应用；重点产粮 区主要农作物估产；城市地理信息系统的建设与应用；建立数字化测绘技术体 系；国家基础地理信息系统建设与应用；专业信息系统与数据库的建设和应用； 基础通用软件系统的研制与建立；地理信息系统规范化与标准化：基于地理信 息系统的数据产品研制与生产。同时经营地理信息系统业务的公司逐渐增多。 1 ，4 2 地理信息系统在开采沉陷预测中应用的研究现状 地理信息系统出色的数据管理和空间分析功能，越来越深入地在开采沉陷 的综合分析评价和模拟预测中应用，g i s 软件的二次开发和独立编程能力也可 较容易地实现预测预报的程序算法，极大地提高了预测的速度和精度，并能利 用数字高程模型( d e m ) 数据实现预测结果的三维显示。针对开采沉陷预测已开 发出各种g i s 系统，分别适合不同的地理、地质条件。 国内外致力于g i s 在开采沉陷预测应用的工作者已做了大量的研究，由于 g i s 向矿业领域的渗透及其与矿业工程问题的结合，在2 0 世纪8 0 年代后期出 现了g m s ( g e o s c i e n c e m o d e l i n gs y s t e m ) 、g m i s ( g e o s c i e n c em o d e l i n g i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 或g s i s ( g e o s c i e n c ei n f o r m a t i o ns y s t e m ) 的g i s 应用系统。 加拿大等国家陆续开发了l y n x 、m i n e m a p 、m i n e s o f t 、d a t a m i n e 等些 矿山模拟与矿业应用软件系统，并在世界许多采矿国家获得应用 1 8 i 。m g i s 不 仅可以利用g i s 的常规技术来采集、管理、处理、分析切与矿区经济、社会、 环境和资源相关的时间信息，利用3 d 建模与可视化技术来动态模拟、再现与 仿真矿山开采活动及其带来的相关环境影响，而且可以在m g i s 中建立矿区( 矿 业) 多目标动态规划( m o d p ) 模型库子系统、决策知识库子系统，通过中间 关联的逻辑子系统，利用m g i s 中各类数据库中的海量数据信息来进行人机 协同的矿区( 矿业) 可持续发展指标评估与规划，包括矿区长远规划、生态复 垦、可持续发展、矿井开拓设计、矿区生产管理、矿区防灾、地表沉陷、边坡 稳定等。同时有关专家开始尝试将g i s 技术引入到矿山环境和土地复垦领域的 空间数据信息处理中，d a r m o d y 1 9 】在研究了对影响土壤沉陷灵敏性的有关因素 ( 季节性、水平面高度、坡度、遭受洪涝的可能性、自然排灌条件、水文及土 壤结构等) 基础上，并通过给这些属性分配权重，从而给每个不同区域土壤单 元分配不同的土壤沉陷灵敏值，再结合g i s 技术，建立一个有关美国伊利诺斯 州长期开采对农业用地沉陷敏感性及农作物产量影响的预测模型；d a v i d s o n l 2 叫 等结合现有的土地资源调查技术作为辅助手段用于农业土地资源评价；d a v i d 【2 1 等利用g i s 的图层信息数据的重叠组合功能，调查美国伊利诺斯州南部地区传 统房柱式开采废弃矿的沉陷位置及沉陷对上部土地、基础设施的潜在破坏影响； y o u n o s 等口副在g 1 s 环境下运用通用土壤侵蚀方程u s l e ( u n i v e r s a ls o i l l o s s e q u a t i o n ) 来建模分析预测美国弗吉尼亚西南地区现存的废弃矿山土地土壤侵蚀 情况，通过三种不同复垦方案的选择对减少土壤损失的影响的分析比较，证明 了不同复垦战略对减少土壤的潜在侵蚀的有效性。这些实践证明g i s 用作土地 复垦战略规划工具是极其有用的。 我国学者对o i s 在矿山开采沉陷的预计、对环境损害的评价、可视化模拟 到生态重建决策都做了许多研究，并将o i s 与地学专业知识结合解决复杂的空 间分析，开发用于不同预计模型的g i s 系统口孓2 4 1 。将o l s 与神经网络与专家系 统的结合在地学中的应用，解决o i s 软件缺乏知识处理和启发式推理的能力， 是一个值得深入研究的方向【2 ”27 1 。在我国，面向矿业领域开发的第一个国产 m g i s 基础平台t t - m g i s 2 0 0 0 2 8 ，是基于加拿大a p o l l o 科技集团t i t a l l g i s 3 1 的 基础控件，结合我国矿山的实际需要，采用组件式进行半底层开发的结果，除 具备通用o i s 软件的基本功能外，还集成了许多矿山专用组件。同时探讨基于 g i s 的矿山土地复垦系统【2 9 】，我国受开采沉陷的影响土地面积大，复垦任务艰 巨a 土地复垦所要处理的数据量大，涉及的领域多，信息时空变化大，利用o i s 技术可以方便解决这些问题。同时，利用网络g i s 技术，构建全国工矿企业的 土地可持续利用空间信息基础设施和应用系统，对我国土地资源的可持续发展 利用战略尤为重要。 国土资源信息建设的完备程度制约着g i s 系统应用中的数据来源问题。在 我国，国土资源信息系统的建设与应用正在逐步展开，并将在g i s 应用中发挥 基础性的作用，为g i s 系统提供权威数据库。目前还面临着相当多的问题，如 信息系统的标准化、规范化制定与实施，数据的获取及更新，对空间数据的精 度和时间精度的保证等，在空间数据的完整性、空间数据逻辑的致性问题上 还有相当多的工作要做，需要多部门的协调完成。而随着g p s 、r s 、g i s 的“3 s ， 系统的进一步研究，提供定位、定时、定谱、定性、定量的海量数据已不成问 题，建立后备资源库，对g i s 在地学中的应用将会是极大的推动作用。 2 1 研究区概况 第二章张北煤矿开采沉陷数值模拟 21 1 井田地理概况 张北井田位于安徽省淮南市风台县境内，井田东南距风台县城约2 0 k i n ， 地理坐标为东经1 1 6 。2 7 0 4 ”1 1 6 。3 6 0 6 ”，北纬3 2 0 4 3 0 6 ”3 2 0 4 9 2 5 ”。张北井田对 外交通便利，井田范围内有毛( 集) 张( 集) 和潘( 集) 谢( 桥) 公路， 外接凤( 台) 利( 辛) 和风( 台) 颍( 上) 公路。淮( 南) 阜( 阳) 铁 路从井田南部经过，公司自营的潘谢矿区铁路从井田北部边缘通过，流经井田 南部东北部的西淝河规划为级航道( 济河口淮河段) 。张北井田地理及交 通位置见图2 1 。 图2 - 1 张北井田地理及交通位置图 张北井田东与顾桥井田接壤，西与谢桥井田毗邻，南至新集井田和花家湖 井田的北界，东西走向长约l o k m ，倾斜宽3 0 8 5 k m ，面积约7 0 k i n 2 ，共含煤 3 2 层，煤层总厚3 6 + 0 9 m ，其中共有1 3 层可采煤层，平均总厚度2 9 6 2 m ，工业 储量1 3 9 5 3 6 m t ，可采储量7 7 4 5 5 m t 。全井田划分为中央区、北区和东区3 个 分区。现己建成投产的张北煤矿开采中央区，二期扩建工程开采北区，东区为 中央区的接替分区。 2 1 2 企业概况 张北煤矿隶属于淮南矿业( 集团) 有限责任公司，矿井及选煤厂设计生产 能力均为4 0 m t a ，中央区工业场地位于风台县岳张集镇西南侧。中央分区1 个分区生产，2 0 0 1 年i o 月首采面出煤，2 0 0 1 年u 月8 日正式移交生产t2 0 0 2 年原煤产量达到5 0 7 m t 。 2 1 ，3 井田开采概况 张北井田的煤系地层为石炭系和二迭系，其中二迭系的山西组与上下石盒 子组为主要含煤层段。张北井田内f 2 0 9 以东可采煤层有1 3 小1 l _ 2 、8 、6 和1 煤层为主要可采煤层，平均总厚度2 1 8 6 m ；1 7 1 i 、1 6 小1 3 1 下、9 - 1 、7 - 2 、7 _ 1 、 5 和4 为次要可采煤层，平均总厚度为9 1 l m 。 根据井田表土层厚、煤层埋藏深、可采煤层多的特点，张北井田采用立井 主要大巷( 或石f - j ) 开拓方式；采煤方法采用走向长壁与倾斜长壁相结合的采 煤方法，顶板管理采用全部冒落法。 张北井田的开采范围为f 2 1 7 断层以北的全部煤层、f 2 2 6 f 2 。9 断层之间 7 2 0 r n 水平以上的9 i 煤层1 煤层、f 2 0 9 f 2 2 断层之间7 2 0 m 水平以上的全部 煤层，全区走向长约7 6 k m ，面积约3 0 k m 2 。 设计依照国家煤炭工业局2 0 0 1 年颁发的建筑物、水体、铁路及主要井巷 煤柱留设与压煤开采规程中有关条款的具体规定，结合张北井田的具体情况， 对开采煤层的浅部留设一定高度的防水( 砂) 煤岩柱。 用来计算防水( 砂) 煤柱的钻孔煤层及其上覆岩层的厚度不同，计算的煤 柱高度不尽一致，加上基岩界面高程有一定的差异，故煤柱的底界面参差不齐， 为便于生产和管理，对一定范围内的回采上限尽量取同一高程，张北井田主要 可采煤层上限高程见表2 一l 。次要可采煤层的回采上限分别比照主要可采煤层 就近确定。 表2 - l 主要可采煤层回采上限高程 煤层 东一采区西二采区西三采区 1 7 - l 1 3 1 1 1 。2 8 6 - 4 2 5 - 4 4 0 - 4 3 0 4 3 0 4 1 0 4 1 0 4 1 0 4 3 0 3 8 0 4 0 0 4 1 5 4 2 0 1 4 9 0 4 4 5 1 0 张北井田划分为东一、西二及西三等三个开采块段，共划分为1 7 个采区。 西三及西二块段回采下限为一7 2 0 m ，东一段由于受f 2 1 6 和f 2 1 7 制约，1 3 1 1 煤 层的回采下限在一5 5 0 - 8 8 0 m 之间。结合各煤层回采上限( 包括工业场地保护 煤柱线) ，西三及西二段回采阶段垂高约为2 8 0 3 l o r e ，斜长1 4 0 0 m 左右；东 一块段回采阶段垂高约在3 9 0 m 左右，斜长2 3 0 0 4 3 0 0 m 。张北井田开拓布置 见图2 2 和图2 3 。 图2 - 2 张北井田开拓平面布置图 图2 - 3 张北矿井开拓l - i 剖面 设计根据煤层赋存状况，结合开采方法及井下运输方式，张北井田采用 个水平开拓，其水平标高为4 9 2 m 。 张北井田开采顺序为：各煤组之间，先开采b 组煤，同组内一般采用自上 而下开采顺序；沿走向先打开东一采区，再打开西二采区，最后打开西三采区： 沿倾斜方向采用由浅至深开采。 2 2 地表形态变化预测意义和作用 利用地表形态变化预计的结果可以定量地分析受开采影响的岩层与地表移 动在时间上和空间上的分布规律。为了提高预计的准确性，必须对预计方法所 采用的理论模型及其参数与地质采矿条件之间的定性、定量关系进行深入的研 究，这些研究又迸一步加深了对开采沉陷基本规律的认识。 准确预测开采沉陷对指导“三下”( 建筑物下、水体下、铁路下) 开采实践 具有重要作用。特别是在建筑物下开采时，预计所得的结果常被用来判别建筑 物是否受开采影响和受开采影响的程度，作为受影响建筑物进行维修、加固、 或就地重建，或采取地下开采措施的依据；在铁路下采煤时，可以根据预计的 结果判断铁路下开采的可能性，估算铁路维修工作量和材料用量，安排维修计 划；在水体下采煤时，预计结果被用来判断矿井受水患威胁的程度以及研究开 采对受影响的堤坝等水工建筑物的破坏和影晌的程度，以便进行必要的维修和 保护。对于保守的( 偏大的) 预计结果，将导致花费不必要的保护费用，造成 浪费；过于低估影响的( 偏小的) 预计结果，可能导致保护措施不足，使保护 对象受到破坏，造成不必要的经济损失，甚至危及人身安全。 2 ，3 现行开采沉陷预报方法 从十九世纪中叶以来，人们开始重视开采沉陷的预测方法和理论。德国、 前苏联、波兰都做了很多研究工作。苏联学者出版的煤矿地下开采的岩层移 动，在大量实测数据分析研究基础上，确定了水平和倾斜煤层开采条件下地表 移动矢量的垂直分量_ 和水平分量f 间的重要微分关系式： 堕：丘，d z r 世为常数 d x d r z 一( 2 一1 ) 世界各国在地表移动计算中至今大都采用此关系式。 波兰的研究重视实地观测工作，从中得到地表移动基本参数，获得地表移 动规律，在此基础上进一步深化，最后求得地表移动预计方法。于2 0 世纪5 0 年代先后提出了三种地表移动变形预计方法：( 1 ) 布德雷克一克诺特方法；( 2 ) 柯赫曼斯基方法；( 3 ) 李特维尼申( 随机介质) 理论方法。 我国开采沉陷研究工作起步较晚，但也取得了一些成就，结合我国具体情 况，发展了许多前人的成果，如在我国通用的概率积分法、典型曲线法和负指 数函数法，并开发了一些预测系统。李永树等1 3 0 j 把开采沉陷预测基本方法归纳 成下列4 种模型：数学模型，用数学结构的形式来反映实际过程的特征；图表 模型( 非参数模型) ，它用图形或表格的形式来表现过程的特征；直觉模型，它 是指过程的特征非解析的形式直接存储在人脑中，靠人的直觉进行控制和判断； 物理模型，它是根据相似原理把实际过程缩小复制，或是实际过程的一种物理 模拟。近来，对开采岩移的基本规律也做了一些实验性的工作【3 。”j 。 2 3 经验公式法 经验公式法是在对地表移动观测站的实测资料进行综合分析的基础上建立 起来的，然后再把这些预报关系式应用于类似地质采矿条件下的开采沉陷地区。 经验公式的导出需要大量的野外观测站实测资料和地质采矿条件，预报公式通 常很简单3 3 1 。 2 3 2 剖面函数法 根据地表下沉盆地剖面形状来选择描述下沉盆地剖面的相应函数，作为计 算地表移动和变形的公式。剖面函数形式以曲线拟合或最优化方法确定，并常 表示为与地质采矿条件数据有关的经验公式，以预计时采用。 剖面函数的形式很多，前苏联、波兰等国都有各自适用的剖面函数计算方 法。我国许多矿区使用过多种剖面函数法，应用最多或有代表性的主要是负指 数函数法，还有威布尔( w e b e r ) 分布法、双曲线型剖面函数。剖面函数法误差较 小，但因其预计结果仅由少数计算参数完全确定，而计算参数与地质采矿条件 之间的定量不可能由现场实测和相似材料模型试验来准确确定，因而预测的准 确性较差。 23 3 神经网络法f 3 4 0 习 从数学角度来看，神经元网络是一组输入单元到输出单元的映射，这种映 射是一种高度非线性的映射。如果有 个输入单元，有珊个输出单元，则网络 是曩r n r 。，净界) 。如果对于样本集合输入x 和y ，可以认为存在某一映射 以使y ，瑚功，i = 1 ，k ，求解问题即要求得一映射f ，使得在某种意义下f 是m 的最佳逼近。 神经元网络各单元间通过权值矩阵w f 连接，表示单元要素间的相互影响 度，权值矩阵w f 由机器自适应学习来调整。考虑影响开采沉陷的因素与预测变 量之量的对应关系，通过实测样本对神经网络模型进行自适应训练，使得输出 层的期望输出与样本输出之间的误差达到最小。郭文兵等【3 6 j 在分析了开采影响 下建筑物损害程度影响因素的基础上，采用自适应b p 神经网络技术建立了建 筑物采动损害程度的预测模型，并以大量的建筑物采动损坏实例作为样本进行 了学习和测试。曹丽文等1 2 5 】尝试将g i s 与b p 神经网络结合使用来预测开采沉 陷，由g i s 软件迸行数据处理，采用b p 网络训练方法对开采沉陷系统进行建 模，作为一种新的方法值得迸一步深入研究。人工神经网络技术具有自组织、 自学习和强容错性能，能同时处理开采沉陷中各种确定性和不确定性动态非线 性信息的能力，建立复杂的非线性映射关系；但神经网络的学习和训练需要大 量准确可靠的样本，为使模型更为稳定和强壮，需要在实践中不断的改进和维 护。 2 3 4 典型曲线法 峰峰矿务局根据多年的地表移动观测资料，经过综合分析研究，建立了适 合本地矿区的地表移动预计方法典型曲线法。典型曲线法是依据大量实测 曲线并将其无因次化，再经综合整理分析求出典型曲线，来表示地表下沉、倾 斜、曲率、水平移动和水平变形在移动盆地主断面内的分布规律。这五种变形 曲线可以都以典型曲线形式给出，也可以仅给出下沉曲线，其他如倾斜、曲率、 水平移动和水平变形曲线按照数学关系式由下沉曲线求出。 由于典型曲线法是依据大量实测曲线并将其无因次化，再经综合整理、分 析而求得的，因此，研究地表下沉盆地主断面内的下沉无因次曲线，对合理、 准确地求出下沉曲线有重要意义。典型曲线法基于实测资料，预计误差小。但 由于是针对某个矿区建立的，其他矿区不能随便套用，限制了典型曲线法的应 用和推广。 2 ，3 。5 影响函数法 利用影响函数预报地表移动与变形的理论依据为：在能够对地表点产生采 动影响的井下矿层位置进于亍单元开采后，则在该处形成一个单元下沉盆地，因 此，该点的总移动变形值应为在采动影响范围内的所有单元矿层开采后对该点 的采动影响叠加值。英国前煤炭公司和诺丁汉大学在对英国的一些井田进行长 达5 0 年的观察基础上发展了影响函数法【3 7 】，提出了“影响函数法预测开采沉 陷”( s u b s i d e n c ew i t hi n f l u e n c ef u n c t i o nt e c h n i q u e ：s w i f t ) ，s w i f t 是一个在p c 机上运行的预测程序，它利用随机影响函数进行计算，其基本理论是纯数学方 法。沉陷的特征从开采煤柱的地质条件以及通过调查得出的煤柱与地表的关系 推导而来。但是s w i f t 有它的局限性，那就是它并没有考虑到开采区岩体的几 何和地质特征。p r s h e o r e y 等【38 j 在印度煤矿开采沉陷观测资料的基础上对影响 函数法进行了修正，在传统的公式基础上增加修正函数，以解决传统方法在早 期预测会产生较大预测结果的问题。 2 3 6 概率积分法原理 概率积分法是在随机介质理论的基础上发展而来，随机介质理论首先由波 兰学者李特威尼申( j l i t w i n i s z y n ) 于2 0 世纪5 0 年代引入开采沉陷预测计算， t 4 认为开采引起的岩层和地表移动的规律与作为随机介质的颗粒体介质模型所描 述的规律在宏观上相似。后由我国的刘宝琛院士、廖国华教授等发展为概率积 分法。在建筑物、水体、铁路及主要巷道煤柱留设与压煤开采规程中把概 率积分法列为主要的开采沉陷预计方法，进一步推动了概率积分法在我国矿山 开采塌陷计算中的应用。 该理论模型是通过研究非连续介质颗粒的移动概率，来解释当底层颗粒被 移走时，上层颗粒的下沉方式。得出的结论为当第一分层的颗粒被移走时。则 上层中某水平颗粒的下沉概率分布曲线趋近于条正态分布的概率密度曲线。 概率积分法的缺点是由于岩体本身和受采动岩体移动规律的复杂性，所采用的 理论模型很难全面地、准确地反映岩层和地表移动的规律，因此不得不进行某 种简化。因此概率积分法对小倾角煤层的沉陷预计可以达到较高的准确度，但 预测大倾角煤层的沉陷准确度降低。 预计公式： ( 一) 移动盆地走向主断面上的移动与变形最大值 “= q m c o s 口f 2 - 2 1 i 。= 丑墼f 2 3 、 ， k 。= 1 5 2 等 r 2 - 4 ) r u 。= 6 阡，m 。f 2 5 、 s 。= 15 2 6 卫堕f 2 - 6 1 ， 式中：w m 。最大地表下沉值 f m 。最大地表倾斜值 o 。最大地表曲率值 。最大水平变形值 乙。最大水平移动值 m 煤层法线采厚 g 下沉系数 a 煤层倾角 b 水平移动系数 ，主要影响半径 ( - - ) 地表移动盆地内任意点的变形预测 以过采空区倾斜主断面内下山计算边界且与走向平行的方向为计算的横坐 标，以过采空区走向主断面左计算边界且与倾斜方向平行的方向为计算的纵坐 标，任意剖面( 与煤层走向成p 角) 上任意点( x ，y ) 的移动和变形计算公式 1 、地表下沉 ：肚”譬掣堋 2 、地表倾斜 。，：。! f 2 1 r ( r 。- x ) 。哞盟d ，7 d # 3 、地表曲率 虬。胯( 警- 1 ) 。- r 唑掣峭 d 4 、地表水平移动 u 。( ：，：u 。j f j f 2 ，r ( ，r ：- x ) 。一! !