GIS结合MSPS在煤矿开采沉陷预计中的应用

赵朝贺，杨化超，胡 奎，陈玉平

（1.中国矿业大学， 江苏 徐州市 221116；2.江苏省资源环境信息工程重点实验室， 江苏 徐州市221116；3.国土环境与灾害监测国家测绘局重点实验室， 江苏 徐州市 221116；4.皖北煤电集团有限责任公司通防地测部， 安徽 宿州市 234000）

0 前 言

有用矿物被采出以后，开采区域周围的岩体的原始应力平衡状态受到破坏，应力重新分布，达到新的平衡。在此过程中，岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏（开裂、冒落等），这种现象称为“开采沉陷”［1］。对一个计划进行的开采，在开采之前根据其地质采矿条件和选用点的预计函数、参数，预先计算出受此开采影响的岩层和（或）地表的移动和变形进行开采沉陷预计，以充分开采地下煤炭资源和最大限度地减少开采沉陷造成的损失，指导建筑物下、铁路下、水体下采煤的安全、生产。过于保守的（偏大）预测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）预测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。

MSPS系统（Mining Subsidence Presentiment System）基于 Auto CAD平台，采用 VBA（Visual Basic for Applications）二次开发技术，用于地表沉陷数据处理、地表沉陷预计、开采沉陷预计参数的求取、地表沉陷实时预计、矿区土地沉陷预报等［2－3］。

GIS系统（Geographic In formation System）发展于20世纪60年代，是集计算机学、地理学、地图学、计算机图形学以及数据库等技术于一体，能对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述，从而为研究分析开采沉陷提供了良好的软件平台［4－6］。

本文首先采用MSPS系统对五沟煤矿开采沉陷进行分析，然后将预计的结果和地物模型导入GIS，利用GIS强大的可视化、分析及美观功能［7－8］，对评估区范围内的塌陷情况进行全面分析，验证MSPS的适用性。在煤矿开采沉陷预测及生产中，这2个系统的结合具有传统方式工作模式下不可比拟的优势。

1 工程概况

淮北市五沟煤矿位于淮北市濉溪县南部，东距宿州市约35k m，东北距淮北市约50k m，西南距蒙城县约30k m，开采深度为－262～－680m标高。区域地层隶属于淮北地层大区徐淮地层分区淮北地层小区，分布的主要地层有奥陶系、石炭系、二叠系、上第三系和第四系，基岩地层均被松散层所覆盖。煤矿位于童亭背斜西翼中段，总体上为一受地层切割，且以向斜为主的复式褶皱构造组合，向斜的轴部呈反S形，形态上呈南端狭小，北端宽阔的近三角形展布。该煤矿现主要开采首采区即南一采区，位于工业广场南侧，开采深度467m左右，主要开采10煤层。1016工作面实际回采长度为653m，倾向宽180m，实际采厚4.19m；1017工作面实际回采长度为713m，倾向宽180m，实际采厚3.65m。本矿为地下开采，开拓方式为立井、主要石门和大巷开拓方式，中央并列式通风。采煤方法采用倾斜长壁与走向长壁相结合的综合机械化开采，顶板管理采用全部冒落法。煤矿设计生产能力为60×104t／a。据调查，地下采空引发的地面塌陷面积约为265.02 h m2，最大塌陷深度为3.6m，其塌陷范围内耕地为主，破坏房屋1843间，其次为农用道路及203省道。矸石堆场现占地面积16100m2，高25m左右。

2 开采沉陷预计

2.1 预计参数

对一个特定的开采来说，预计参数是常数；对不同的开采来说，预计参数值是不同的。预计的方法有很多种，可以根据预计的要求和开采的地质条件进行选用。各种预计方法都有各自特有的预计参数，MS P S系统采用概率积分法进行预测［9－10］，应用到的地表移动和变形参数包括：下沉系数（q）、主要影响角正切（t gβ）、拐点偏距（s0）、水平移动系数（b）。

依据国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤岩柱留设与压煤开采规程》［11］中淮北矿区地表形态变化实测值，本次选用的地表沉陷系数为1.1，作为初次采动和重复采动的地表采动系数。根据淮北矿区经验数值及本矿区实测值，主要影响正切值选用1.7。该煤矿地表形态变化预计参数详见表1。

表1 地表移动变形预计参数

2.2 开采沉陷预计

MSPS系统可以对不同采区、不同阶段的回采情况进行稳态或动态预计，并将不同阶段开采沉陷情况表现出来。针对该煤矿开采的实际情况，本文仅对1017、1021已回采工作面进行预计，最终稳态下沉盆地等值线见图1。

图1 1017和1021工作面开采沉陷预计下沉等值线

从图1可明显看出，当采空区尺寸扩大到一定范围时，开采影响波及到地表，引起地表的移动与变形，使地表产生一个比采空区大得多的下沉盆地，且地表下沉稳定时最大下沉值位于采空区中央，1021和1017采区的最大下沉值分别为2.98m和2.67m。

鉴于GIS空间模型拥有更好的可视化、分析及美观功能及作图的需要，在对原始资料（井上下形对照图、煤层底板等值线图、煤层采掘工程平面图）进行收集处理的基础上，把Auto CAD环境下的图形转换为GIS环境下的图形，并经过一系列数据预处理，包括数字化、建立拓扑关系、建立属性表等，最终建立的五沟煤矿G I S空间模型（附下沉等值线）见图2。

利用MSPS系统对开采沉陷情况全面分析（下沉、倾斜、水平变形）可知，所选工作面移动下沉盆地范围波及到孙圩孜及附近道路、沟渠，其中道路和房屋影响较严重，对应的倾斜和水平变形均超过我国一般砖木结构的临界变形值3mm／m和2mm／m。

以地表下沉等值线10mm为界限，最终形成的移动下沉盆地面积达265万m2，积水区面积71.37万m2，积水区体积57.9万m3，给附近的农田造成严重的影响。

选取1017单回采工作面两个主断面分析其下沉值、斜率、水平移动和水平变形及其相互关系［12－13］，结果（见图3）表明，走向 A－B主断面的下沉、倾斜、水平移动和水平变形值都沿采空区走向方向从零值逐渐增大。在750m处，地表最大下沉值达到最大，为2.67m，自盆地中心至盆地边缘下沉值逐渐减小，在盆地边界点A、B处下沉值为零。倾斜和水平移动曲线各自出现一个正极值和一个负极值，最大正极值出现在453m处，倾斜和水平移动值分别为2.18mm／m和160mm，此时曲率和水平变形值为零，负极值出现在1130m处，倾斜和水平移动值分别1.99mm／m和57mm；水平变形曲线（曲率曲线与水平变形曲线形状相似）有4个极值，2个相等的正极值和2个相等的负极值，正极值分别出现在354m和1232m处，其值为4.06mm／m；负极值分别出现在531m和1015m处，其值为4.67 mm／m。

倾向C－D主断面为典型的非充分采动主断面，其开采沉陷剖面分析（见图4）如下：在471m处，地表下沉值达到最大，为2.67m，倾斜值和水平移动值为零，曲率（或水平变形）值同时达到负极值为13.5mm／m；从下沉盆地中心向外延伸，下沉值逐渐减小并在352m和493m处出现拐点，此时曲率（或水平变形）值为零，倾斜和水平移动值同时达到正极值和负极值，倾斜的正负极值分别为930 mm／m和－802mm／m，水平移动的正负极值分别为15.6mm和－16.4mm。随着剖面线外延，C、D点处下沉值逐渐减小为零，此时倾斜值、水平移动值、曲率值、水平变形值也同时达到零值。

图2 五沟煤矿GIS空间模型

图3 A－B主断面剖面分析

图4 C－D主断面剖面分析

2.3 预测结果与实际情况比较

2008年9月12日，该煤矿正式开始投产并采用全部冒落法管理顶板，随着回采工作面范围的扩大，地表塌陷盆地也在逐渐扩大，截至2011年12月已形成265.02h m2的移动下沉盆地和96.46h m2的积水区［14］。为了更充分说明MSPS系统预计的准确度，现将预计的移动下沉等值线加载到配准后遥感影像中，其情况如图5所示（其中粗线表示1.5m下沉等值线）。

图5 地表塌陷情况对比

据图5分析，可知1017和1021回采工作面的预计移动下沉盆地中心基本位于采空区中央，其形状较好地符合了矩形回采工作面采空塌陷下沉盆地形状，采空塌陷积水区范围与1.5m下沉等值线基本吻合，较好地反映开采沉陷地表移动变形实际情况。

综上分析表明，MSPS系统开采沉陷预计结果与地表实际移动下沉情况相符，其预测结果可以应用在煤矿矿山开采中，并能较好地指导井下实际开采、建（构）筑物的保护及村庄的搬迁工作。

3 结 论

煤矿开采沉陷预测准确度对于解决开采引起的各种问题具有重要的决定性。本文针对五沟煤矿采用MSPS系统进行预计实现了开采沉陷预测的可视化，并将MSPS与GIS结合，充分利用了CAD的操作简便性和实用性及GIS强大的图形表现和空间分析功能，对开采沉陷预测结果进行综合可视化分析，为今后研究煤矿矿山开采沉陷规律做了一定的工作。利用MSPS系统进行开采沉陷预测，可以较好地适应周围环境的影响，对从事开采沉陷的工作者来说是个不错的选择。通过预测结果与实际开采沉陷下沉情况对比，验证了MSPS系统在煤矿矿山开采中的适用性和对矿山生产的指导意义。

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