王海庆，陈 玲

（1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083；2.中国地质大学（北京），北京 100083）

0 引言

研究区位于黄河下游，山东省西部，在行政区域上主要涉及济宁地区（图 1），研究区面积为2345km2。研究区内地形平坦，农田广泛分布。主要矿产是煤矿和建筑石材矿。煤矿资源的开发利用是济宁市重要的经济来源之一，为区域经济发展做出了重要贡献。但煤矿资源开采利用的同时也造成了严重的地面沉陷，破坏了大量的农田、建筑、道路，严重影响了当地人民群众的生活。

图1 研究区在山东省内位置示意图Fig.1 The location map of the study areain Shandong Province

地面沉陷不同于地面沉降，也不同于地面塌陷。地面沉降是指开采地下水、石油条件下的地面变形；地面塌陷是指短时间内比较剧烈的地表高程变化；而地面沉陷是指采矿区地面缓慢的沉降变形，与地面沉降的区别在于其形成原因不同，与地面塌陷的区别在于其变形速率有明显差异。三者在影响范围上也有明显差异，地面沉降的影响范围最大，往往是区域性的；地面沉陷次之，往往以 km2、hm2为单位；地面塌陷最小，往往以m2为单位。

国内对地面沉陷的研究已取得不少的成果，如谭绩文、肖尚德等对地面沉陷的变形机制进行了研究［1-2］，史珍珍等对煤矿采空沉陷区地面变形危害进行了评估研究［3］，陆晋湘等、赵安文、张向东等、师凯研究了煤矿开采造成的地面沉陷对地面建筑物的影响［4-7］，李永树研究了地面沉陷对路基的破坏及其防治技术［8］，陈桂珍和郭亚静调查研究了铁法矿区地面沉陷及其对矿区环境的影响［9］，Wu Quanyuan等研究了山东省龙口地区煤矿开采引起的地面沉陷对环境的影响［10］，武强等采用 FLAC3D专业软件包对榆神府矿区大柳塔井田煤层群采地面沉陷进行了可视化数值模拟［11］，D.M.Shu 等、Xim in Cui等、丁德馨等、田红等、朱济勋等研究了地面沉陷的预测方法［12-17］，王淑霞运用开采沉陷理论探讨了地面沉陷的动态演变过程［18］，陈雨等利用概率积分法探讨了地面沉陷的灾害预测［19］，黄祥嘉等研究了杨家坪地面沉陷机理并进行了预测分析［20］，钟亚平以开滦集团公司唐山矿为例探讨了地下煤层开采覆岩离层注浆减少地面沉陷技术［21］，卜华等对山东巨野煤矿开发可能引起的地面沉陷提出了防治建议［22］。这些研究虽然涉及地面沉陷的形成机理、变形机制、危害影响、预测分析、防治措施等方面，但应用高分辨率遥感影像对地面沉陷现状的调查却鲜有报道。本文采用最新获取的高分辨率遥感影像，结合地形图、地质图等历史资料，配合实地调查验证，利用ARCGIS平台开展研究区内的地面沉陷现状调查。调查过程中充分发挥了遥感技术宏观、快速的特点，调查结果真实可靠。希望能抛砖引玉，推进相关工作。

1 煤矿资源概况

研究区处于黄河下游冲积平原区，地表被第四系冲积层覆盖，煤层有较大埋深，故研究区内的煤矿全部采用竖井开采。山东省济宁地区的煤矿资源丰富，研究区内共有煤矿25个（图2）。其中，兴隆庄煤矿、鲍店煤矿、济宁二号煤矿等大型国有煤矿都已经有数十年的开采历史，为地方经济发展、国家社会主义建设做出了重要贡献。

图2 研究区内煤矿分布示意图Fig.2 Distribution map of the coal mines in the study area

2 地面沉陷的遥感识别特征

地面沉陷（尤其是地面沉陷形成的积水坑）具有独特的特征，在高分辨率遥感影像上易于识别，完全可以与露天的采沙坑、采土坑区别开。而通过对比历史资料与现场调查，又可以将历史上形成的湖泊等地表水体与地面沉陷积水坑区别开。其主要特征如下：

2.1 严重的地面沉陷地区，坑内会有积水，某些积水坑中有采沙船

研究区内地下水位较高（如济宁二号煤矿地区地表浅水位仅2.5m［23］），严重的地面沉陷往往导致地下水溢出，淹没地表，形成积水坑；某些积水坑中还有采沙船。在高分辨率遥感影像上可以清楚看到地表的积水坑，以及积水坑中的采沙船（图3、图 4）。这些采沙行为会增大积水坑的深度，使积水坑周围的沙土在地下水压力作用下向积水坑运动，从而加剧周围地面的沉陷。

图3 有采沙船的地面沉陷积水坑（遥感影像）Fig.3 A surface subsidence p lash where exits a sandmining ship（Remote Sensing Image）

2.2 地面沉陷坑的边界比较圆滑

因地面沉陷形成的坑的边界往往比较圆滑，不会出现明显的拐角，这是地面沉陷坑区别于露天采沙坑、采土坑等人工开挖坑的重要特点（图5、图6）。

图4 地面沉陷积水坑中的采沙船（现场照片）Fig.4 The sanding mining ship in a surface subsidence p lash（Site Photo）

图5 地面沉陷积水坑的边界圆滑（遥感影像）Fig.5 The smooth boundary of surface subsidence p lash（Remote Sensing Image）

2.3 地面沉陷坑的边坡比较平缓

因地面沉陷形成的坑壁边坡往往比较平缓，不会出现陡坎，表现为从外向内地表变形量逐渐增大，地物为农田（或道路、建筑等）—草地—浅水地带（可能长有芦苇）—深水地带的逐渐变化。这也是地面沉陷坑区别于露天采沙坑、采土坑等人工开挖坑的重要特点（图7、图8）。

2.4 可反映地下采煤巷道的走向与规模

图6 采沙坑边界有明显的拐角（遥感影像）Fig.6 The clear corners in sandpit′s boundary（Remote Sensing Image）

图7 地面沉陷积水坑较平缓的边坡（遥感影像）Fig.7 The gentle slope of surface subsidence plash（Remote Sensing Image）

图8 采土坑较陡峭的边坡（现场照片）Fig.8 The steeper slope of sandpit（Site Photo）

因地面沉陷坑与地下采煤巷道密切相关，故其在一定程度上可以反映出地下采煤巷道的走向与规模（图9）。时，也给当地人民的生活带来了严重的影响。如济宁二号煤矿环保中心工作人员撰文报道，在2006年济宁二号煤矿沉陷就已经造成了37.8hm2耕地绝产，42.5hm2耕地减产［23］。

图9 地面沉陷积水坑体现巷道走向与规模（遥感影像）Fig.9 The direction and size of tunnel which are indicated by the surface subsidence p lashes（Rem ote Sensing Im age）

3 地面沉陷的遥感调查结果

本文采用接收于2009年6月21日至12月22日的GeoEye-1高分辨率卫星数据，空间分辨率为1m。通过遥感调查发现，研究区内地面沉陷积水坑集中分布于兖州市东南部、邹城市西北部、曲阜市西南部，及济宁市市辖区中东部地区，已有积水的地面沉陷坑有47个，仅积水面积就有2828hm2（图10）。

通过与中国人民解放军总参谋部测绘局于20世纪60～70年代生产的1∶50000地形图资料对比，发现地面沉陷已造成了20个村庄的搬迁（图10～图13）。这些村庄集中分布于兖州市东南部、邹城市西北部、曲阜市西南部地区。从2828hm2的积水面积推测，地面沉陷已破坏了约2667hm2的土地。由此可见，煤矿资源的开采利用在为经济发展做贡献的同

图10 研究区内地面沉陷积水坑和因地面沉陷被迫搬迁的村庄分布示意图Fig.10 Distribution map of the surface subsidence p lashes and the villages which were forced moved out due to the surface subsidence in the study area

我国政府部门对地面沉陷危害高度重视，并积极采取相应的应对及治理措施。济宁市地质矿产局早在2001年就出台文件（济地字［2001］17号）要求必须对塌陷区进行治理［23］。如将沉陷区进行复垦治理，将地面沉陷积水坑改造成鱼塘等。政府所采取的有力措施为减轻地面沉陷危害、保障当地居民生活、维护社会稳定和发展起到了巨大的作用。

4 结束语

山东省济宁地区煤矿资源丰富，煤矿资源的开发利用为地方经济发展和国家社会主义建设做出了巨大的贡献，但同时也造成了严重的地面沉陷灾害。遥感调查结果显示，研究区内有地面沉陷积水坑47个，积水面积达2828hm2。通过与历史资料对比，发现地面沉陷已造成了20个村庄的搬迁，破坏土地约2667hm2，严重影响了当地人民的生活。

研究区内现有的地面沉陷灾害集中分布于兖州市东南部、邹城市西北部、曲阜市西南部，及济宁市市辖区中东部地区；其它地区的煤矿开采时间较短，地面沉陷灾害还不突出，但随着煤矿资源进一步的开发利用，必将在这些煤矿周围形成新的地面沉陷灾害，吞噬耕地，甚至淹没村庄。希望政府有关部门进一步加大灾害防治力度，尽量减轻相关灾害。

图11 因地面沉陷即将被淹没的后屯村（遥感影像）Fig.11 Houtun village which was submerging due to the surface subsidence（Remote Sensing Image）

图12 因地面沉陷被淹没的民房（现场照片）Fig.12 House which was submerging due to the surface subsidence（Site Photo）

图13 因地面沉陷被迫拆迁的小中疃村（现场照片）Fig.13 Xiaozhongtuan village which was forced to relocate due to the surface subsidence（Site Photo）

另外，笔者认为在地面沉陷积水坑内开展采沙作业将加剧地面沉陷进程，危害周围农田。为了保护宝贵的耕地，建议取缔地面沉陷积水坑中的采沙行为，并对地下采空区进行必要的回填处理。

本文只是对研究区内地面沉陷现状的调查，主要反映现状特征，对其变化趋势缺少深入的研究，望今后能在研究区内持续开展调查与监测工作，更好的为防灾减灾服务。

致谢：本文得益于“矿山开发遥感调查与监测成果集成与综合研究”项目和“环渤海多金属矿区遥感地质综合调查”项目的资助。工作过程中得到了中国国土资源航空物探遥感中心杨金中研究员和王晓红教授的指导与帮助，野外调查过程中得到了中国国土资源航空物探遥感中心汪洁同志、中国地质大学（北京）王斌同学和武景淑同学的大力帮助，在此表示衷心的感谢!

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