高潜水位采煤沉陷区积水范围动态演化规律

陈晓谢，张文涛，朱晓峻，刘 辉,4，张 敏，孙爱国，杨晓玉

高潜水位采煤沉陷区积水范围动态演化规律

陈晓谢1,2，张文涛3，朱晓峻1,2，刘 辉1,2,4，张 敏1,2，孙爱国5，杨晓玉6

(1. 安徽大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230601；2. 安徽省矿山生态修复工程实验室，安徽 合肥 230601；3. 安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001；4. 河北工程大学 矿业与测绘学院，河北 邯郸 056038；5. 安徽恒源煤电股份有限公司五沟煤矿，安徽 淮北 235131；6. 合肥财经职业学院，安徽 合肥 230601)

为了研究高潜水位采煤沉陷区积水范围动态演化规律，以安徽淮北五沟煤矿1031工作面为研究区域，基于Landsat-8遥感数据解译结果，总结了2013—2017年1031工作面上方地表积水范围演化规律，分析净降水量、地下水埋深、工作面推进距离等因素对积水范围演化的影响，并提出积水边界角的概念，建立了积水边界角随采动时间变化的函数关系式。研究发现：高潜水位采煤沉陷区地表积水演化分为4个阶段：未形成期、同步增长期、残余增长期、相对稳定期；在同步增长期和残余增长期，工作面推进距离、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；工作面推进距离是积水范围演化的关键影响因素，在工作面推进距离为476 m左右时，地表产生积水，工作面停采后5个月左右，积水面积趋于稳定；积水边界角先呈减小趋势，再趋于稳定，在同步增长期和残余增长期，积水边界角总体呈减小趋势，但受气象、地下水埋深等因素影响而波动；相对稳定期，积水边界角整体趋于90°。本研究为高潜水位采煤沉陷积水区土地利用规划、土地复垦、水陆复合生态系统建立等提供理论依据。

高潜水位；采煤沉陷区；遥感监测；积水演化阶段；积水边界角；五沟煤矿

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1973—2015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1.5~4.0 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3°~16°，平均倾角8°，煤层平均厚度3.8 m，平均埋深(0)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+26.50~+27.56 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

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—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]。

图2 五沟煤矿1031工作面钻孔柱状

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NDWI(Normalized 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AWEI(Automated 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：

式中：Green和MIR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

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(0)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；

图4 2013—2016年工作面推进距离与地表积水范围变化

图5 五沟煤矿1031工作面积水面积变化

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2013—2016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

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

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

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，工作面推进方向剖面正上方积水边界，连接，与工作面推进方向的夹角定义为积水边界角。图中，在水平面投影距离为，2为工作面到积水水面的高差，0为采深，1为积水水面到原地表的距离，由于2远大于1，故2约等于0。

图9 积水边界角示意图

积水边界角计算公式为：

式中：为积水边界角，(°)；0为采深，m；为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

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。

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：

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°。

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Dynamic evolution law of water accumulation range in coal mining subsidence area with high-level groundwater

CHEN Xiaoxie1,2, ZHANG Wentao3, ZHU Xiaojun1,2, LIU Hui1,2,4, ZHANG Min1,2, SUN Aiguo5, YANG Xiaoyu6

(1. College of Resources and Environmental Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China; 2. Anhui Province Engineering Laboratory for Mine Ecological Remediation, Hefei 230601, China; 3. School of Earth and Environment, Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001, China; 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 & Economics, Hefei 230601, China)

In order to study the dynamic evolution law of the water accumulation range with high-level groundwater, the working face 1031 of Wugou coal mine was taken as the research area.Based on Landsat-8 remote sensing data,the evolution law of water accumulation range above working face 1031 during 2013-2017 was summarized and the influence of factors such as net rainfall, groundwater depth and working surface propulsion distance on the evolution of water accumulation range was analyzed.The concept of the boundary angle of the water accumulation range was proposed, and the functional relationship between the angle and the mining time was established.The study found that the evolution of surface water in the coal mining subsidence area was divided into four periods: unformed, synchronous growth, residual growth, stable. The groundwater depth is negatively correlated with the daily growth of the water accumulation range. The working face advancement distance is the driving factor for the change of the water accumulation range. When the working distance is about 476 m, water is accumulated on the surface, about 5 months after stopping mining, the area of water accumulation range tends to be stable, in the synchronous growth and residual growth period, the angle generally decreases, in the stable period the angle tends to be 90°as a whole, but it fluctuates due to other factors.This study provides a theoretical basis for land use planning, land reclamation, and establishment of a land-water complex ecosystem in the coal mining subsidence area with high-level groundwater.

high-level groundwater; coal mining subsidence area; remote sensing monitoring; evolution of subsidence water accumulation range; the boundary angle of water accumulation range; Wugou coal mine

TD803

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.020

1001-1986(2020)02-0126-08

2019-10-18；

2020-02-22

国家自然科学基金项目(51804001)；安徽省自然科学基金项目(1808085QE147)；安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2018A0003)

National Natural Science Foundation of China(51804001)；Natural Science Foundation of Anhui Province, China(1808085QE147)；Key Project of Natural Science Research of Universities in Anhui Province(KJ2018A0003)

陈晓谢，1993年生，男，安徽合肥人，硕士研究生，从事矿山开采沉陷方向研究. E-mail：chenxiaoxie99@163.com

刘辉，1982年生，男，山东肥城人，博士，副教授，从事矿山开采沉陷及生态环境治理等方面的教学与科研工作. E-mail：lhui99@aliyun.com

陈晓谢，张文涛，朱晓峻，等. 高潜水位采煤沉陷区积水范围动态演化规律[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(2)：126–133.

CHEN Xiaoxie，ZHANG Wentao，ZHU Xiaojun，et al. Dynamic evolution law of water accumulation range in coal mining subsidence area with high-level groundwater[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：126–133.

(责任编辑 周建军)