GIS空间回归方法的应用评估复杂采矿条件下的地面沉降：Walbrzych煤矿（SW波兰）的案例研究外文翻译资料

 2022-04-26 22:52:21

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GIS空间回归方法的应用

评估复杂采矿条件下的地面沉降：Walbrzych煤矿（SW波兰）的案例研究

摘要

Walbrzych（SW波兰）地区的地面沉降是地下开采硬煤的结果。多世纪的矿床开采已经进行了几百年，到二十世纪九十年代后期才结束。这次，许多建筑物和建筑物受到与地面沉降有关的损害的影响，并且由于地下开采煤炭，地表形成了包括采矿废弃物堆积在内的新地形。先前的研究表明，用经验Knothe理论计算的累积沉降达到-22m，而基于地图数据处理结果的计算结果表明，超过-30m（plusmn;3m）表明传统方法在复杂情况下应用的可靠性不足条件（多层和急倾斜矿藏）。受地面沉降影响的人造地貌现今高度达63米（plusmn;3米）。因此，在本研究中，已经提出了一种加权空间回归方法采矿诱发地面沉降分析与建模。该研究涉及前Walbrzych煤矿区和1886-2009年期间。地面加权回归（GWR）方法在地理信息系统中进行了沉降建模，该方法允许沉降因素的空间变化。在所分析的七个沉降模型中，有四个沉降因素被认为是显着的（煤层厚度，倾斜度和深度，以及表面斜率），并且用GWR方法构建沉降模型时用作独立（解释）变量。经过验证的模型被用来估计到目前为止由人造地貌转化的未映射区域的沉降。1886-2009年这些地区的最大预测沉降达到-10.5米。结果，整个Walbrzych煤矿的沉降的空间表示（混合地图）已经产生。

关键词 煤矿开采；沉陷预测；空间回归GWR；地理信息系统

第一章 介绍

沉降是由地下矿物提取产生的空洞上方覆盖层重新调整引起的地表时间变形。与采矿有关的沉降可能会导致与地表基础设施，建筑物，工程结构，农田的沉降相关的损害，并且会中断地下水位的平衡以及自然和人造的地面排水系统。沉降区的形状可以用基本的变形参数来描述：垂直和水平位移，倾斜，曲率半径和水平应变，提供关于由表面变形引起的可能危害的定量信息。采矿沉陷的特征取决于许多因素，如：开采矿床的位置和几何形状（如倾斜度，厚度），采矿深度，生产方法，当地地质和构造条件，采矿时间和地下作业速度（Kratzsch 1983; Knothe 1984; Popiolek 2009）。在许多国家，为了控制其对城市化的不利影响，系统地研究了地下煤矿开采领域的沉降问题，自19世纪末以来一直采用实地观察 1991）。许多研究也集中在开发预测地面沉降和沉降相关损伤危险的方法。最近关于采矿沉陷的出版物一般可分为两类，第一类包括重点关注监测和观测沉降的调查，第二类重点研究建模和预测沉陷以及对地面和基础设施造成的相关危害。目前关于采用大地测量（精确调平，GPS）和现代遥感技术监测采矿场地沉降的研究工作包括Raucoules等人的工作。（2003）描述了应用差分InSAR（DInSAR）技术在法国采用溶液采矿法在地下开采盐场的试验场地上检测和监测地面变形。他们已经表明，沉降盆的几何形状不同于并且大于从基于地面的大地测量中假定的几何形状。Can等人。（2013）已经在土耳其的一个煤矿盆地中调查了与地表，采矿有关的变形，并在监测网络中进行了精确的水准测量和静态GPS观测。他们已经确定了选定工程结构的主动和剩余沉降效应。Dolezalova#39;等人。（2009, 2012）利用GPS技术反复观测地下开采引起的地表沉陷，分析了开采沉陷与水平运动的时间依赖性和开采进度。他们还将GPS和DInSAR结合起来用于调查捷克Karvina煤盆地（Kadlecıket ​​al。2015）。Samsonov等人（2013）提出了一种用于整合多个InSAR数据集的方法，用于计算地面变形的二维时间序列，并将其应用于法国和德国边界沿线卢森堡大区的与采矿有关的沉降和隆升绘图。对荷兰前采矿场的研究表明，在地下矿山关闭数十年后，地表变形发生。采用PSInSAR技术的采矿场观测揭示了运动的差异性，包括构造断层附近的抬升和变化。作者（de Vent和Roest，2013）指出由于浅层采矿造成的龋洞风险。董等人。（2015）应用堆积和小基线干涉合成孔径雷达（InSAR）技术对中国煤矿区地面沉降进行时空分析。他们已经证明，InSAR的结果与地面平整测量结果一致，并已用于绘制该地区的长期沉降。

最近关于建模和预测沉降和沉降损害风险的研究包括Oh和Lee的工作（2011（FR），证据权重（WOE），逻辑回归（LR）和人工神经网络（ANN），以确定和量化地面沉降位置与七个相关因素（斜率，深度漂移，漂移距离，地下水位，渗透率，地质和土地利用），以分析韩国废弃煤矿造成的地面沉降危害。这些关系在GIS覆盖分析中被用作因子评分来创建地面沉降危险指数和地图。在韩国的另一项研究中，Lee和Park（2013）和Park等人（2014）利用决策树方法和影响地理信息系统（GIS）下沉的因素分析了废弃地下矿山引起的地面沉降危险。他们制作并验证了研究地点的地面沉降危险图。Stecchi等人（2012）研究了由于地下盐矿开采而影响波斯尼亚黑塞哥维那城镇的地面变形现象。他们提出了一个多标准分析方法来评估一个地区对地面沉降损害的脆弱性。它基于GIS与外部应用程序的集成。Mathey（2013）已经使用GIS分析功能来评估南非废弃地下煤矿的岩土风险。Malinowska（2014）应用分类和回归树理论（CART）来评估混凝土建筑物的损坏，这是由表面变形引起的，并在波兰的采矿场进行了测试。她将该方法基于确定建筑物损坏发生的六个确定的风险因素（预测的水平应变，建筑年份，楼层数量，墙壁长度，功能和保护）。Sedlak（2015）研究了斯洛伐克菱镁矿矿场的变形矢量估算问题，并开发了该场地变形矢量的特定解的理论。

这个简明的评论表明，开采沉陷监测和建模以及与地面和基础设施相关的危害是一个当前科学和实际问题。本文提出了一种基于GIS的加权空间回归方法来研究SW波兰前Walbrzych煤矿区的采矿相关地面沉降问题。在之前关于这方面的研究中，已经发现传统上使用的基于经验假设的开采沉陷建模方法，如Knothe理论（Knothe理论 1984）可能提供的结果对于众多薄而陡峭的煤层煤层并不总是可靠的（Blachowski和Milczarek 2014).

地理加权回归（GWR）（Brundson et al。1996; Fotheringham等人 2002）是一种方法，可以研究给定现象（如沉降）在特定区域的空间变化情况。由于GWR考虑了局部参数，因此可以将其视为多重线性回归的空间延伸。考虑到采矿沉陷因素的空间变异性，该方法应该比采用全局回归方法（例如普通最小二乘法，OLS）或上述复杂采矿条件下的经验方法更好地估计采矿沉陷。另外，GWR可用于预测地表位移测量不可用或太稀缺的地区，因为地面沉降地图的沉降。该方法受到越来越多的关注，并已用于研究显示空间变异性的经济，社会和环境现象。GWR及其应用背后的理论在Sect。3 的论文。在这项研究中，GWR已被用于开发空间回归模型来分析沉降（模型中的因变量）和常见的开采沉陷因素（模型中的独立解释变量）之间的关系。分析开采沉陷因素包括：煤层位置和厚度，煤层底面以下的倾角和深度，地表地形（高程和坡度），距离煤块和采矿系统的距离。本研究的目标包括：（1）确定具有统计意义的采矿沉陷因素;（2）在Walbrzych煤矿部分地区建立采矿沉陷的空间回归模型;（3）评估全球回归模型（OLS）和GWR （4）采用GWR模型预测采矿沉陷;（5）讨论GWR方法在采矿相关沉降空间模拟中的特征和用途。

第二章 研究区域

该研究区占地12.2平方公里，位于SW波兰Walbrzych市与Walbrzych煤矿有关的前硬煤矿区的中心部分。整个场地位于经度16°703000E和16°2000000E和纬度50°4300000N和50°480 0000N或X =297,000mu;m和X =312,000mu;m，Y = 319,000米，Y = 329,000米（EPSG 2180坐标系）（图1）。1).

2.1矿业

在Walbrzych发生了几百年的复杂和复杂的采矿和地质条件下煤矿的地下开采（无数陡倾斜和薄的煤层）已经开展了几百年，最终于20世纪90年代末所有煤矿关闭时结束。第二次世界大战后，三座地下矿山开始运营：Thorez / Julia，Victoria和Walbrzych。采用了以下采矿系统：长壁和放顶（主要）和长壁各种填充形式（气动，干燥，干燥，材料来自死亡漂移）。地下煤层的位置和前采矿场的边界如图1所示。

图1前采矿场的边界和研究区域的位置

2.2地质学

在地质学方面，该地区位于Walbrzych盆地 - 这是一个构成内部Sudetic盆地NE部分的地质构造。它的区别在于矿床的连续性，沉积地层的厚度和构造条件（Koz_uchowicz和Oprychał 1984）。该盆地的主要构造单元为：加布洛背斜，较小的Gorce和较大的Sobiecin向斜线以及分离两条向斜线的Chelmiec流纹岩卵石。该地区主要由沉积碎屑沉积物以及火山岩组成，如斑岩，melaphyre和凝灰岩（Bossowski和Ihnatowicz 2006）。复杂的地质是阿斯图里亚斯阶段的侵入性和压缩性构造活动的结果。大部分断层由NW向SE向走滑，受Chelmiec侵入的影响，清楚地表现为纵向和纬向断层。主要断层的射程达300米。此外，硬质含煤层有许多局部断层，抛出数米（Kominowski 2000）。Walbrzych煤盆是一种贫瘠型，沉积发生在山间沉积盆地中。这导致了混合的外生内生煤矿。含煤层与四个岩石地层宾夕法尼亚州中的三个有关复杂的：Zˇacle#39;地层，BiałyKamien和Walbrzych地层。Alto-一共确定了80个煤层，其中Zˇacle#39;r地层48处，Walbrzych地层30处。地下洼地朝向盆地中心，在郊区范围从几个到超过30°，从30°到60°不等（Kominowski 2000）。在该地区的分析部分，已经开采了14个煤层。

图2 Thorez / Julia矿山地面基础设施 - 蜿蜒的塔楼和人造垃圾场的遗迹（照片J. Blachowski，2013年）

2.3地形

Walbrzych煤炭盆地地区的地形是有区别的，树木繁茂的山丘是最大的山峰。Chelmiec（851 m asl），由狭长的山谷隔开。山谷与前面提到的向列相关联。山顶和谷底高度差达420米。煤炭的长期开采造成了原始地形的巨大变化，包括沉降盆地以及由此造成的对建筑物和其他类型基础设施的破坏，以及人为形式地形的发展，例如：与采矿相关的基础设施，沉降池塘和垃圾堆。后者距离地面高达100米，通常比相邻的自然形态的地形要大（图1），2）。地下采矿造成的沉陷盆地主要发育于较大的天然洼地（山谷），除了建筑物的损坏外，有时难以发现。Kowalski（2000）认为在整个采矿期间总沉降可能达到-22米。Wo#39;jcik(2008）估计，前采矿地块中有41.8％由于采矿活动和纸币的影响而形成，天然（Mt.Chemiec）和人为（废物堆积，沉陷盆地）地形倒转。

  1. 方法

采矿沉陷的空间模型是一个具有挑战性的问题，因为这个过程背后的因素非常复杂，并且导致了变量的空间异质性。GIS空间数据处理技术可用于促进处理和处理沉降建模所需的大量和大量数据集，而GIS可将空间数据分析方法应用于开发沉陷模型并便于研究这种现象。例如，回归分析可以用来模拟一个变量（如沉降）和一个或多个其他（解释性）变量之间的关系。空间回归方法可以假设这些关系在地理上是一致的，或者考虑了要素的空间位置，允许估计的参数在局部变化，从而更好地反映了依赖和独立（解释）变量之间的空间变化关系。假设关系在地理上一致的普通最小二乘法（OLS）是第一个例

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