陳曉謝，張文濤，朱曉峻，劉 輝,4，張 敏，孫愛國，楊曉玉

高潛水位采煤沉陷區(qū)積水范圍動(dòng)態(tài)演化規(guī)律

陳曉謝1,2，張文濤3，朱曉峻1,2，劉 輝1,2,4，張 敏1,2，孫愛國5，楊曉玉6

(1. 安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2. 安徽省礦山生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；3. 安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；4. 河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測繪學(xué)院，河北 邯鄲 056038；5. 安徽恒源煤電股份有限公司五溝煤礦，安徽 淮北 235131；6. 合肥財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥 230601)

為了研究高潛水位采煤沉陷區(qū)積水范圍動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，以安徽淮北五溝煤礦1031工作面為研究區(qū)域，基于Landsat-8遙感數(shù)據(jù)解譯結(jié)果，總結(jié)了2013—2017年1031工作面上方地表積水范圍演化規(guī)律，分析凈降水量、地下水埋深、工作面推進(jìn)距離等因素對(duì)積水范圍演化的影響，并提出積水邊界角的概念，建立了積水邊界角隨采動(dòng)時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系式。研究發(fā)現(xiàn)：高潛水位采煤沉陷區(qū)地表積水演化分為4個(gè)階段：未形成期、同步增長期、殘余增長期、相對(duì)穩(wěn)定期；在同步增長期和殘余增長期，工作面推進(jìn)距離、凈降水量與積水面積日增長量呈正相關(guān)，地下水埋深與積水面積日增長量呈負(fù)相關(guān)；工作面推進(jìn)距離是積水范圍演化的關(guān)鍵影響因素，在工作面推進(jìn)距離為476 m左右時(shí)，地表產(chǎn)生積水，工作面停采后5個(gè)月左右，積水面積趨于穩(wěn)定；積水邊界角先呈減小趨勢(shì)，再趨于穩(wěn)定，在同步增長期和殘余增長期，積水邊界角總體呈減小趨勢(shì)，但受氣象、地下水埋深等因素影響而波動(dòng)；相對(duì)穩(wěn)定期，積水邊界角整體趨于90°。本研究為高潛水位采煤沉陷積水區(qū)土地利用規(guī)劃、土地復(fù)墾、水陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)建立等提供理論依據(jù)。

高潛水位；采煤沉陷區(qū)；遙感監(jiān)測；積水演化階段；積水邊界角；五溝煤礦

煤炭資源在我國能源體系中占非常重要的地位，占國家能源消費(fèi)總量的64%[1]，煤炭的大規(guī)模開采造成了嚴(yán)重的地表塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害[2-3]。兩淮地區(qū)是我國重要的煤炭基地，該地區(qū)地下潛水位高、松散層厚、下沉系數(shù)大，煤炭資源的開采引起地表下沉形成盆地，加上大氣降水與地下水補(bǔ)給等因素的共同影響，沉陷盆地內(nèi)形成大面積的積水，導(dǎo)致沉陷區(qū)水土流失嚴(yán)重，村莊、耕地被積水淹沒，原有的陸地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為水陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[4-5]，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重的影響。

關(guān)于沉陷區(qū)積水演化研究，目前主要集中在積水面積演化和水循環(huán)兩個(gè)方面。在積水演化方面，彭蘇萍等[6]以淮南市為例，利用多時(shí)相TM遙感影像監(jiān)測地表積水塌陷區(qū)動(dòng)態(tài)變化信息；魏礦靈等[7]以淮南礦區(qū)為例，通過監(jiān)測不同時(shí)期SPOT-5遙感影像，確定開采沉陷的位置及積水變化范圍；馬建威等[8]利用Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，研究了武漢地區(qū)1973—2015年的城區(qū)水面范圍變化，分析多種因素對(duì)水體面積的影響等。在水循環(huán)方面，陸垂裕等[9-10]提出了面向?qū)ο竽K化的分布式水文模型MODCYCLE，并借助相關(guān)水文推理和數(shù)值模擬分析，對(duì)淮南典型高潛水位采煤沉陷區(qū)的地下水機(jī)制進(jìn)行辨析，得到高潛水位采煤沉陷區(qū)積水的補(bǔ)給來源和排泄渠道；李慧等[11-12]利用分布式水文模型，深入研究東部高潛水位采煤沉陷積水區(qū)庫容變化的主要影響因素及其相互關(guān)系。

針對(duì)高潛水位采煤沉陷區(qū)積水演化規(guī)律研究，多針對(duì)地表或淺層地表的積水范圍，結(jié)合工作面采動(dòng)影響的積水動(dòng)態(tài)演化規(guī)律方面研究較少。本文以五溝煤礦1031工作面為研究區(qū)，基于Landsat-8衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對(duì)1031工作面地表積水范圍進(jìn)行長時(shí)序的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，提取積水邊界矢量并統(tǒng)計(jì)積水面積，分析積水范圍動(dòng)態(tài)演化規(guī)律及其影響因素，以期為高潛水位采煤沉陷區(qū)土地利用規(guī)劃、土地復(fù)墾、水陸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)建立提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1031工作面位于安徽省濉溪縣五溝煤礦，是典型的高潛水位采煤區(qū)，該地區(qū)降水量豐富，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工作面采動(dòng)時(shí)間為2013年10月至2015年3月，工作面所在位置及現(xiàn)狀如圖1所示，底圖為2019年11月11日研究區(qū)遙感圖像，其中1031工作面全長1 411 m，寬180 m，煤層傾角為3°~16°，平均傾角8°，煤層平均厚度3.8 m，平均埋深(0)約364 m。工作面上覆巖層以砂巖和泥巖為主，厚度約94 m，松散層厚度約270 m，鉆孔柱狀如圖2所示。工作面所在區(qū)域地表地勢(shì)平坦，標(biāo)高+26.50~+27.56 m，無大流量河流經(jīng)過。由于該地區(qū)地下水埋深淺，降水量大[14]，且地表下沉系數(shù)大，工作面采動(dòng)后地表很快將形成積水[15]。

圖1 五溝煤礦研究區(qū)所在位置及現(xiàn)狀

2 積水范圍遙感監(jiān)測

礦區(qū)地表積水周期長、范圍大，且所處位置交通不便，常規(guī)的觀測手段難以獲取大范圍、長時(shí)序、完整統(tǒng)一的積水范圍演化數(shù)據(jù)；遙感觀測手段具有觀測周期短、數(shù)據(jù)量大、精度高等特點(diǎn)，因此，選擇遙感資料作為數(shù)據(jù)源，提取采煤沉陷區(qū)地表積水范圍信息[16]。本次選用Landsat-8系列衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)，影像空間分辨率為30 m，衛(wèi)星回歸周期為16 d。

2.1 遙感圖像獲取與預(yù)處理

五溝煤礦1031工作面采動(dòng)時(shí)間為2013年10月至2015年3月，地表積水盆地不受其他工作面采動(dòng)影響的截止時(shí)間為2016年10月，故選取2013—2016年Landsat-8獲取的遙感影像。剔除云量較大、能見度低的遙感影像，最終選取16期滿足水體提取基本要求的遙感影像。對(duì)選取的每幅影像進(jìn)行預(yù)處理，步驟包括：輻射定標(biāo)、大氣校正和圖像裁剪，得到最終影像[17]。

圖2 五溝煤礦1031工作面鉆孔柱狀

2.2 積水范圍提取

目前，較高效的水體提取方法為水體指數(shù)法，常用的水體指數(shù)包括歸一化差異水體指數(shù)NDWI(Normalized Difference Water Index)[18]、改進(jìn)后的歸一化差異水體指數(shù)MNDWI[19](Modified NDWI)及自動(dòng)水體提取指數(shù)AWEI(Automated Water Extrac-tion Index)[20]。NDWI利用近紅外波段和綠波段的反射率差值提取水體，該方法提取時(shí)可能有部分不透水層像素會(huì)被誤判為水體；故提出了MNDWI指數(shù)，將NDWI中的近紅外波段換成短波紅外波段，增加水體的提取精度[19]；AWEI針對(duì)Landsat-5影像設(shè)計(jì)，通過最大化水體和非水體區(qū)分度而得到最優(yōu)的系數(shù)組合[21]。結(jié)合研究區(qū)條件，對(duì)比各種水體指數(shù)特點(diǎn)，選擇MNDWI指數(shù)用于該研究區(qū)的水體提取。

選擇Landsat-8影像中的綠波段(Band 3)和短波紅外波段(Band 6)反射值進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

式中：Green和MIR分別為綠光波段和短波紅外波段的反射值。

通過MNDWI指數(shù)對(duì)遙感圖像進(jìn)行處理，根據(jù)影像內(nèi)的水體特征，統(tǒng)計(jì)積水面積并將積水邊界轉(zhuǎn)成矢量文件輸出。如圖3所示，底圖為Landsat-8標(biāo)準(zhǔn)彩色合成影像，白框部分為同期研究區(qū)積水矢量邊界，積水矢量邊界與水體邊界基本吻合，可知，通過MNDWI提取的積水邊界與水體邊界基本吻合，具有較高的準(zhǔn)確性，能夠滿足研究需求。

圖3 2016年9月2日積水矢量邊界提取效果

3 積水動(dòng)態(tài)演化規(guī)律

通過MNDWI方法，得到16幅積水范圍矢量并統(tǒng)計(jì)積水面積，結(jié)合工作面推進(jìn)位置，監(jiān)測積水范圍動(dòng)態(tài)變化，分析地表積水范圍演化規(guī)律。

圖4為1031工作面推進(jìn)位置與地表積水范圍變化疊加圖像，由圖4可以看出，地表積水形成明顯滯后于地下工作面采動(dòng)時(shí)間，當(dāng)工作面推進(jìn)476 m后，即推進(jìn)距離接近采深(0)時(shí)，地表積水才開始形成；工作面推進(jìn)過程中，積水范圍演化方向與工作面推進(jìn)方向一致，隨著工作面推進(jìn)，積水范圍沿工作面推進(jìn)方向擴(kuò)大，積水面積日增長量約440 m2/d；2015年3月3日(工作面停止采動(dòng))至2015年7月30日，積水范圍仍然沿工作面推進(jìn)方向擴(kuò)大，積水面積日增長量約120 m2/d；工作面停采后5個(gè)月左右，積水范圍不再擴(kuò)大，趨于穩(wěn)定。

為更方便研究積水范圍演化過程中的影響因素，通過工作面采動(dòng)狀態(tài)及積水范圍的演化規(guī)律分析，將高潛水位采煤沉陷區(qū)積水范圍演化劃分為4個(gè)時(shí)期，如圖5所示。

a. 未形成期 該階段為工作面開始采動(dòng)至地表積水開始形成期間，地表積水尚未形成；

圖4 2013—2016年工作面推進(jìn)距離與地表積水范圍變化

圖5 五溝煤礦1031工作面積水面積變化

b.同步增長期 該階段為地表首次觀測到積水至工作面停止采動(dòng)期間，工作面處于采動(dòng)狀態(tài)，地表積水范圍隨工作面采動(dòng)同步增長；

c. 殘余增長期 該階段為工作面停止采動(dòng)至停采后5個(gè)月左右，地表受采動(dòng)殘余沉降影響仍呈動(dòng)態(tài)變化，積水范圍沿工作面推進(jìn)方向呈增長趨勢(shì)，積水面積呈緩慢增長趨勢(shì)；

d. 相對(duì)穩(wěn)定期 該階段為工作面停采5個(gè)月后，地表基本趨于穩(wěn)定，積水邊界不再沿采動(dòng)方向擴(kuò)大，積水面積整體趨于穩(wěn)定。

4 地表積水演化的關(guān)鍵影響因素

沉陷區(qū)積水范圍演化中，首先受工作面采動(dòng)影響產(chǎn)生地表沉陷；另外，大氣降水和地下水補(bǔ)給是沉陷區(qū)積水的主要來源，占積水區(qū)水量來源90%以上，水分蒸發(fā)是主要的排泄方式[10]，其他影響因素對(duì)積水范圍影響較小，非主要影響因素。

為研究主要影響因素對(duì)積水范圍的作用，首先，根據(jù)2013—2016年國家氣象觀測數(shù)據(jù)計(jì)算研究區(qū)的降水量、蒸發(fā)量[22]及兩者差值，得到凈降水量，分析凈降水量對(duì)積水范圍演化各階段的影響；然后，根據(jù)濉溪縣地下水位埋深觀測數(shù)據(jù)，分析地下水位埋深對(duì)積水演化各時(shí)期的影響；再次，結(jié)合工作面推進(jìn)距離，分析工作面推進(jìn)距離對(duì)積水范圍演化各時(shí)期的影響；最后，根據(jù)上述分析得到積水范圍演化的關(guān)鍵影響因素。

4.1 凈降水量

大氣降水、蒸發(fā)作用同步進(jìn)行，均對(duì)積水范圍產(chǎn)生影響，因此，應(yīng)綜合分析兩者對(duì)沉陷區(qū)積水范圍演化的作用。通過計(jì)算研究時(shí)期內(nèi)日降水量、日蒸發(fā)量差值之和，得到研究區(qū)凈降水量累計(jì)值。圖6為自首次觀測到積水以后的凈降水量與積水面積變化圖。

圖6 凈降水量與積水面積相關(guān)關(guān)系

積水未形成期，該沉陷區(qū)未產(chǎn)生積水。同步增長期和殘余增長期，積水面積整體呈增長趨勢(shì)，凈降水量與積水面積日增長量呈正相關(guān)，隨著凈降水量增大，積水面積日增長量越大；凈降水量減小，積水面積日增長量相對(duì)減小。據(jù)圖6可知，2014年5月8日至2014年12月2日，凈降水量由–57 mm左右先減小至–170 mm左右，再增長到200 mm左右，同期積水面積由1.8 hm2增長到14.0 hm2，平均日增長量約584 m2；2014年12月2日至2015年3月3日(工作面停止采動(dòng))期間，凈降水量由200 mm減小至105 mm左右，同期積水面積由14.0 hm2增長到15.3 hm2，平均日增長量約116 m2，積水面積日增長量較前者明顯減小。相對(duì)穩(wěn)定期，凈降水量與積水面積日增長量負(fù)相關(guān)，如2015年7月30日至2016年3月10日，凈降水量由180 mm減小至75 mm，由于凈降水量整體為正，對(duì)積水仍呈補(bǔ)充狀態(tài)，同期積水面積呈小幅度增長，平均日增長量約為72 m2；2016年6月4日至2016年8月1日，凈降水量整體由15 mm增長至39 mm，但過程中凈降水量出現(xiàn)負(fù)值，同期積水面積呈小幅度減小，平均日減小量約170 m2。

4.2 地下水位埋深

淺層地下水在沉陷區(qū)形成積水后，與地表水體產(chǎn)生水力聯(lián)系，對(duì)地表水有一定的補(bǔ)充作用，是沉陷區(qū)積水主要來源之一[23]，圖7為研究時(shí)期地下水位埋深與積水面積變化圖。

圖7 地下水埋深與積水面積相關(guān)關(guān)系

積水未形成期，地表未觀測到積水，該階段地表下沉量較小，未與地下水產(chǎn)生水力聯(lián)系；同步增長期與殘余增長期，地表下沉量變大，沉陷區(qū)形成積水區(qū)域，該階段地下水位埋深與積水面積日增加量呈負(fù)相關(guān)，地下水位埋深快速減小，積水面積日增長量增大；地下水位埋深增加，地下水對(duì)沉陷區(qū)補(bǔ)給減少，積水面積日增長量減小。據(jù)圖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 左右減小到2.4 m左右，同期積水面積平均日增長量約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左右減小至1.8 m，積水面積平均日增長量為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，同期凈降水量由約210 mm減小到115 mm左右，積水面積平均日增長量約116 m2，較前兩區(qū)間增長速度明顯減??；相對(duì)穩(wěn)定期，沉陷區(qū)基本穩(wěn)定，地下水與沉陷區(qū)積水已產(chǎn)生穩(wěn)定水力聯(lián)系，淺層地下水為積水區(qū)域提供涵養(yǎng)條件[12]，維持地表水的相對(duì)穩(wěn)定，該階段地下水位埋深與積水范圍演化相關(guān)性不明顯。

4.3 工作面推進(jìn)距離

工作面采動(dòng)后，采區(qū)周圍巖體原始應(yīng)力平衡被破壞，在應(yīng)力達(dá)到重新平衡的過程中，上覆巖層產(chǎn)生連續(xù)的移動(dòng)、變形和非連續(xù)破壞，地表產(chǎn)生移動(dòng)盆地。當(dāng)移動(dòng)盆地達(dá)到一定深度且與地下水產(chǎn)生水力聯(lián)系時(shí)，地表將形成積水區(qū)域，隨著地下工作面采動(dòng)，地表積水區(qū)域隨之同步擴(kuò)大。由積水范圍演化規(guī)律可知，地表積水范圍沿著工作面采動(dòng)方向演化[24]，可見工作面推進(jìn)距離與積水范圍演化具有明顯的相關(guān)性。

圖8為工作面推進(jìn)距離與積水面積變化關(guān)系圖。據(jù)圖8可知，地表積水形成明顯滯后于工作面采動(dòng)，在積水未形成期，受工作面采動(dòng)影響巖層發(fā)生破壞，并逐漸傳遞至地表，地表形成下沉盆地，但下沉量較小，地表尚未形成穩(wěn)定積水區(qū)域；同步增長期，隨著下沉量增大，地表移動(dòng)盆地已形成積水，截至工作面停止采動(dòng)，積水面積隨工作面采動(dòng)增長至15.3 hm2左右；殘余增長期，工作面停采后，采動(dòng)導(dǎo)致的巖體移動(dòng)尚未穩(wěn)定，該階段地表積水面積仍有小范圍增加，由15.3 hm2增長至17.1 hm2；相對(duì)穩(wěn)定期，該階段巖體應(yīng)力平衡基本穩(wěn)定，沉陷區(qū)地表趨于穩(wěn)定，但受降水量、蒸發(fā)量、地下水等因素影響，積水面積仍然存在小幅度波動(dòng)。

圖8 工作面推進(jìn)距離與地表積水面積相關(guān)關(guān)系

4.4 關(guān)鍵影響因素確定

綜上可知，積水未形成期，地表主要受工作面采動(dòng)影響形成下沉盆地，由于下沉較小，地表尚未形成積水；同步增長期，地表下沉量增大，地表形成積水，該階段凈降水量、采動(dòng)距離與積水面積日增長量呈正相關(guān)，地下水埋深與積水面積日增長量呈負(fù)相關(guān)；殘余增長期，該階段工作面停止采動(dòng)，受殘余沉降影響，地表仍然有少量下沉，該階段積水面積仍然呈上升趨勢(shì)，凈降水量與積水面積日增長量呈正相關(guān)，地下水埋深與積水面積日增長量呈負(fù)相關(guān)；相對(duì)穩(wěn)定期，該階段地表下沉盆地基本穩(wěn)定，受降水量、蒸發(fā)量和地下水埋深的波動(dòng)，積水區(qū)面積整體穩(wěn)定呈小范圍波動(dòng)。

凈降水量、地下水埋深、工作面推進(jìn)距離均與地表積水范圍演化有明顯相關(guān)性，但凈降水量、地下水位埋深受氣候條件影響均呈周期性變化[25]，根據(jù)積水演化規(guī)律分析可知，工作面推進(jìn)距離增加為積水范圍演化的關(guān)鍵影響因素。

5 工作面推進(jìn)距離與積水邊界角的關(guān)系

為量化工作面采動(dòng)距離與積水范圍演化的關(guān)系，提出積水邊界角的概念。工作面推進(jìn)距離是積水范圍演化的關(guān)鍵影響因素，與積水面積變化呈正相關(guān)。根據(jù)積水邊界角隨工作面采動(dòng)距離的變化，建立工作面推進(jìn)方向上推進(jìn)位置與地表積水范圍之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

如圖9所示，工作面推進(jìn)位置，工作面推進(jìn)方向剖面正上方積水邊界，連接，與工作面推進(jìn)方向的夾角定義為積水邊界角。圖中，在水平面投影距離為，2為工作面到積水水面的高差，0為采深，1為積水水面到原地表的距離，由于2遠(yuǎn)大于1，故2約等于0。

圖9 積水邊界角示意圖

積水邊界角計(jì)算公式為：

式中：為積水邊界角，(°)；0為采深，m；為在水平面的投影距離，m。

根據(jù)式(2)，計(jì)算每個(gè)觀測時(shí)間段積水邊界角。2013年10月至2014年3月21日地表未形成積水，積水邊界角記為0，從2014年3月21日開始統(tǒng)計(jì)，并利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)繪制積水邊界角變化曲線，如圖10所示。

圖10 積水邊界角變化曲線

為便于研究積水演化周期內(nèi)積水邊界角的變化特征，根據(jù)工作面推進(jìn)速度與推進(jìn)距離，建立推進(jìn)距離與時(shí)間的關(guān)系，最終建立整個(gè)演化過程中積水邊界角與時(shí)間的關(guān)系。

a. 未形成期 地表未形成積水，積水邊界角記為0。

c. 殘余增長期 建立積水邊界角與工作面停采時(shí)間的關(guān)系。

d. 相對(duì)穩(wěn)定期 該階段積水范圍整體動(dòng)態(tài)平衡，積水邊界角小范圍波動(dòng)，趨于90°。

積水演化各階段中，積水邊界角與工作面采動(dòng)時(shí)間的關(guān)系式為：

由圖10、式(3)可得積水演化周期內(nèi)積水邊界角與工作面采動(dòng)時(shí)間的關(guān)系。積水未形成期，不觀測積水邊界角；同步增長期和殘余增長期，積水邊界角整體呈減小趨勢(shì)，其中，同步增長期積水邊界角與時(shí)間呈三次函數(shù)關(guān)系，積水邊界角整體隨時(shí)間變化呈減小趨勢(shì)，即積水邊界角隨著工作面采動(dòng)距離的增大而減??；殘余增長期，積水邊界角與采動(dòng)時(shí)間呈一次函數(shù)關(guān)系，積水邊界角隨工作面停采時(shí)長的增加而減小；相對(duì)穩(wěn)定期，積水邊界角趨于穩(wěn)定，接近90°。

6 結(jié)論

a.高潛水位采煤沉陷區(qū)地表積水的形成分為4個(gè)階段：未形成期，開始采動(dòng)至采動(dòng)距離476 m；同步增長期，采動(dòng)距離476 m至工作面停采；殘余增長期，工作面停采至停采后5個(gè)月左右；相對(duì)穩(wěn)定期，停采5個(gè)月后。

b.積水范圍演化受到大氣降水、蒸發(fā)、地下水位埋深、工作面采動(dòng)等因素的影響，在同步增長和殘余增長期，凈降水量、工作面采動(dòng)距離與積水面積日增長量呈正相關(guān)，地下水位埋深與積水面積日增長量呈負(fù)相關(guān)；工作面推進(jìn)距離為積水范圍演化的關(guān)鍵影響因素。

c.積水邊界角在同步增長期和殘余增長期整體呈減小趨勢(shì)；同步增長期的積水邊界角隨工作面推進(jìn)距離的增加而減??；殘余增長期的積水邊界角隨工作面停采時(shí)長的增加而減??；積水穩(wěn)定期，積水邊界角趨于穩(wěn)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

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51804001)；安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1808085QE147)；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)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)

陳曉謝，1993年生，男，安徽合肥人，碩士研究生，從事礦山開采沉陷方向研究. E-mail：chenxiaoxie99@163.com

劉輝，1982年生，男，山東肥城人，博士，副教授，從事礦山開采沉陷及生態(tài)環(huán)境治理等方面的教學(xué)與科研工作. E-mail：lhui99@aliyun.com

陳曉謝，張文濤，朱曉峻，等. 高潛水位采煤沉陷區(qū)積水范圍動(dòng)態(tài)演化規(guī)律[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，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.

(責(zé)任編輯 周建軍)