礦山遙感監(jiān)測在采空區(qū)穩(wěn)定性分析中的應用

楊顯華， 黃 潔， 田 立， 彭 孛， 肖禮曉， 宋新龍

(1.四川省地質調查院,成都 610081； 2.稀有稀土戰(zhàn)略資源評價與利用四川省重點實驗室,成都 610081)

0 引言

煤炭是我國主要的礦產資源，占全國一次能源生產總量的70%以上，在國民經濟中具有十分重要的地位[1]。但在煤礦的開采利用過程中，由于意識、方法和政策等多方面因素，造成了諸多的環(huán)境和地質災害問題[2]，制約著我國社會經濟的可持續(xù)發(fā)展，其中，采空塌陷問題尤為突出。近年來，煤炭資源大規(guī)模開采是造成我國采空塌陷的一個主要因素，據(jù)全國21個主要采煤省區(qū)的統(tǒng)計，采煤地表塌陷的面積多達45億m2[3]，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境和人民生命財產造成了很大威脅。吉林遼源煤礦采空塌陷坑積水成湖，嚴重破壞了道路、建筑物等基礎設施和耕地[4]； 煤炭大省山西因采空塌陷造成了大量耕地被毀、水土流失加重、民房嚴重遭損、地下水源破壞、山體滑坡頻發(fā)等嚴重問題[5]。因此，有效地開展采空塌陷區(qū)監(jiān)測與防治研究已成為我國經濟和社會發(fā)展緊迫的內在需求[6-7]。充分發(fā)揮遙感技術的優(yōu)勢，王欽軍等[8]開展了礦山地面塌陷的高空間分辨率遙感識別與邊界提?。?劉廣等[9]進行了InSAR技術在礦區(qū)沉降監(jiān)測中的應用研究，均取得了較好的效果。近年來，我國實現(xiàn)了全國陸域范圍礦山開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測，監(jiān)測成果已應用于國家礦產衛(wèi)片執(zhí)法、礦山環(huán)境管護和礦產資源規(guī)劃等工作中[10-16]。本文基于礦山遙感監(jiān)測技術方法，獲取了四川省筠連煤礦區(qū)采空塌陷、礦山開采點和礦山占地等動態(tài)變化信息，分析了該礦山開發(fā)與采空塌陷相關性因素，對采空區(qū)形變穩(wěn)定性進行了研究。

1 研究區(qū)概況

筠連煤礦區(qū)位于四川盆地南部山區(qū)，地理坐標為E104°34′12″～104°42′36″，N28°04′48″～28°10′12″，總面積約為190 km2。礦區(qū)地處云貴高原北緣向四川盆地的過渡區(qū)，地形復雜，以中、低山為主。由于受河流和溪溝的切割，在近河溪兩側常形成懸崖峭壁； 在飛仙關組地層與煤系出露地區(qū)，崩塌、滑坡等地質災害廣為分布。該區(qū)地貌形態(tài)為構造侵蝕中、低山區(qū)，相對高差為400～500 m，山體坡度為30°～40°，坡角為15°～20°，坡頂植被發(fā)育，坡體多為旱地。研究區(qū)煤礦資源儲量豐富，是全國13個大型煤炭基地之一——云貴基地的重要組成部分[17]。

區(qū)內煤礦均屬地下開采方式，根據(jù)四川省筠連縣地質災害調查與區(qū)劃報告[18]，縣域內煤礦采空塌陷已產生的直接經濟損失達1 776.6萬元，主要造成了房屋開裂、土地損毀和水資源破壞等問題，僅魯班山煤礦引發(fā)的采空塌陷就造成了16.675 hm2耕地和園地損毀，9個村143戶居民緊急搬遷。

2 數(shù)據(jù)處理與遙感解譯

2.1 影像預處理

為保證遙感影像質量和時相的連續(xù)性，本文使用的遙感影像數(shù)據(jù)包括2009年獲取的IKONOS影像、2012年ZY-3影像和2015年GF-2影像,均采用B1(R)，B4(G)，B3(B)假彩色合成顯示(圖1)。對各期影像數(shù)據(jù)均進行了正射校正、融合和配準等預處理，其空間分辨率和幾何精度可滿足1∶5萬比例尺礦山開發(fā)環(huán)境信息提取的精度要求。

(a) 2009年IKONOS影像 (b) 2012年ZY-3影像(c) 2015年GF-2影像

圖1研究區(qū)遙感影像

Fig.1Satelliteimagesofstudyarea

2.2 遙感解譯

依據(jù)“礦山遙感監(jiān)測工作指南”[19]等相關技術標準，參考采礦權資料(用于判斷開采礦山規(guī)模和開采年限)，基于多期遙感影像，以ArcGIS為工作平臺，開展煤礦開采硐口、礦山占地、崩塌和地裂縫等礦山開發(fā)環(huán)境信息解譯，并在此基礎上開展采空塌陷區(qū)推測解譯。

區(qū)內采空塌陷均位于地勢陡峭的山區(qū)，巖體破碎，活動性斷裂發(fā)育，致使采礦引發(fā)了采空塌陷； 同時極易引發(fā)地裂縫、崩塌等次生災害，形成礦山地質災害群。由于采空區(qū)地勢陡峻，植被覆蓋好，塌陷坑中通常無積水，一般難以直接從遙感影像中判定采空塌陷區(qū)的范圍(圖2)。

圖2 研究區(qū)煤礦采空塌陷區(qū)范圍示意圖Fig.2 Coal mine goaf areas in study area

本文主要通過地裂縫、崩塌等災害標志間接推測采空塌陷區(qū)可能存在部位，并參考煤礦采硐口位置、采礦權范圍等信息，結合野外實地查證，對采空塌陷區(qū)范圍進行了推測與圈定。

2.3 解譯精度分析

按照礦山遙感監(jiān)測相關技術規(guī)范的要求[20]，研究區(qū)礦山開發(fā)環(huán)境遙感解譯結果如圖3所示。

圖3 礦山開發(fā)環(huán)境遙感解譯與采空塌陷區(qū)推測Fig.3 Remote sensing interpretation of mining development environment and goaf subsidence speculation

在研究區(qū)內共解譯出采空塌陷區(qū)及伴生災害圖斑30個，野外驗證圖斑27個，驗證結果顯示解譯準確圖斑26個，解譯準確率為96.3%； 解譯開采硐口、礦山占地圖斑172個，野外抽查58個，驗證結果顯示解譯準確圖斑55個，解譯準確率為94.8%。對所有誤判圖斑均進行了修正，以確保本文所提取采空塌陷區(qū)、崩塌、地裂縫、礦山開采點及礦山占地圖斑信息準確可靠。

3 解譯結果與分析

3.1 采空塌陷區(qū)(含伴生災害)變化趨勢分析

采空塌陷區(qū)、崩塌、地裂縫圖斑數(shù)量和面積變化情況反映了采空塌陷區(qū)形變趨勢，如圖4所示。2009─2015年間，研究區(qū)內采空塌陷區(qū)圖斑數(shù)量未發(fā)生變化，采空塌陷區(qū)圖斑面積和次生崩塌、地裂縫災害數(shù)量經歷了先快后慢的增長態(tài)勢。圖5是經幾何配準的2期遙感影像，反映了筠連典型煤礦采空塌陷區(qū)內崩塌體數(shù)量在2009─2012年間不斷增多，也間接反映了采空塌陷區(qū)在不斷擴展中。

(a) 圖斑數(shù)量變化 (b) 圖斑面積變化

圖4采空塌陷區(qū)、崩塌、地裂縫圖斑數(shù)量和面積變化趨勢

Fig.4Changetrendsofpatternspotamountandareaofminegoaf,collapseandcrack

(a) 2009年 (b) 2012年

圖5采空塌陷區(qū)內崩塌災害數(shù)量擴展

Fig.5Collapsehazardexpansionwithinminegoafarea

3.2 礦山開發(fā)環(huán)境與采空區(qū)相關性分析

3.2.1 礦山開采點與采空區(qū)變化趨勢

煤礦正在利用的開采點數(shù)量變化情況統(tǒng)計如圖6(a)所示。2009─2012年間，大型煤礦開采點數(shù)量呈增長趨勢，中型煤礦開采點數(shù)量保持不變，小型煤礦開采點較快減少； 2012─2015年間，大型、中型煤礦開采點數(shù)量保持不變，小型煤礦開采點數(shù)量則迅速減少乃至全部停采。

(a) 開采點數(shù)量變化 (b) 正在利用煤礦占地面積變化

圖6礦山開采點數(shù)量和正在利用煤礦占地面積變化情況統(tǒng)計

Fig.6Statisticsforchangeconditionsofminingdiggingpointamountandcurrentlandusearea

1)開采點數(shù)量變化因素分析。2009─2012年間，煤礦開采點數(shù)量多，以小型、中型開采規(guī)模為主。2012年之后，政府持續(xù)推進礦業(yè)秩序整頓治理和產業(yè)結構改革，加之市場對煤炭資源需求下降，大型和中型的國營煤礦開采點數(shù)量維持不變，小型規(guī)模煤礦均已關停整合。

2)變化趨勢相關性分析。煤礦開采點數(shù)量、狀態(tài)、規(guī)模與采空塌陷區(qū)變化趨勢關系緊密。2009─2012年間，中型和小型煤礦開采點數(shù)量多，大型煤礦開采點數(shù)量迅速增長，反映了煤礦開采規(guī)模和開采強度的不斷擴大，引起了采空塌陷區(qū)面積和次生崩塌、地裂縫災害數(shù)量的快速增長； 2012─2015年間，大型和中型煤礦開采點數(shù)量未發(fā)生變化，反映了煤礦開采強度保持原狀，影響了采空塌陷區(qū)面積和次生地質災害數(shù)量緩慢增長。小型煤礦開采點數(shù)量快速減少至0，反映了該類礦山開采強度迅速減弱，也減少了對采空塌陷區(qū)及次生地質災害的影響。

3.2.2 正在利用煤礦占地與采空塌陷區(qū)變化趨勢

正在利用煤礦占地面積變化情況統(tǒng)計如圖6(b)所示。與礦山開采點數(shù)量變化趨勢類似，2009─2012年間，正在利用的大型煤礦占地面積快速增長，2012年后緩慢增長； 正在利用的中型煤礦占地面積則緩慢增長； 正在利用的小型煤礦占地面積快速減少乃至全部停止使用。

分析變化趨勢相關性可以看出，正在利用煤礦占地面積變化，反映了開采強度的變化，與采空塌陷區(qū)變化趨勢也存在相關性。2009─2012年間，研究區(qū)內不同規(guī)模正在利用煤礦占地面積均快速擴展，反映了礦山開采強度高，對采空塌陷區(qū)面積和次生地質災害數(shù)量的快速增長影響較大； 2012─2015年間，正在利用的大型和中型煤礦占地面積均緩慢增長，反映了該類礦山開采強度較高，使得采空塌陷區(qū)面積和次生地質災害數(shù)量也緩慢增長。正在利用的小型煤礦占地面積迅速減少至0，基本全部關停，反映了該類礦山開采強度迅速減弱，對采空塌陷區(qū)形變的影響也逐漸減小。

綜上所述，煤礦地下開采點數(shù)量、規(guī)模和狀態(tài)的變化能夠影響采空塌陷區(qū)發(fā)展趨勢變化，正在利用煤礦占地面積變化反映了開采強度的不同，與采空塌陷區(qū)變化趨勢也存在關聯(lián)性，可通過煤礦開采狀態(tài)的變化推測出采空塌陷區(qū)形變趨勢。

4 采空區(qū)形變穩(wěn)定性分析

受礦區(qū)內大型和中型煤礦繼續(xù)開采影響，現(xiàn)有采空塌陷區(qū)形變將持續(xù)發(fā)生，并具有新引發(fā)采空塌陷形變的可能性。大型和中型煤礦地下開采區(qū)范圍屬于潛在不穩(wěn)定區(qū)，可通過礦山服務年限和開采深度(根據(jù)采礦權信息獲取)計算采空塌陷區(qū)趨于穩(wěn)定所需時間。小型煤礦均已停采，按照國家規(guī)劃將不再延續(xù)或設置采礦權[21]，根據(jù)所引發(fā)的采空塌陷區(qū)能夠直接計算出形變穩(wěn)定的時間。

4.1 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

4.1.1 穩(wěn)定性分析方法

根據(jù)礦山開采沉陷學的理論和實踐，影響地表形變持續(xù)時間的因素主要是巖石的物理力學性質、開采深度和工作面推進深度。在其他條件相同的情況下，開采深度與地表形變持續(xù)時間之間關系比較穩(wěn)定，即深度越大形變時間越長，地表變形也越平緩。一般開采深度在100～200 m時，地表形變的總時間為1～2 a； 開采深度大于300 m時，根據(jù)國內外研究成果，地表形變時間表達式為[22]

T=2.5H,

(1)

式中：T為地表形變時間，d；H為礦區(qū)平均開采深度，m。

4.1.2 煤礦開采深度

根據(jù)研究區(qū)礦山開發(fā)利用方案和采空區(qū)數(shù)據(jù)等相關資料，對區(qū)內各煤礦企業(yè)開采規(guī)模進行分類，統(tǒng)計了不同規(guī)模煤礦的開采深度： 該區(qū)內大型煤礦開采深度一般在600～820 m，中型煤礦開采深度在300～600 m，小型煤礦開采深度在90～300 m。

4.1.3 采空塌陷持續(xù)形變時間推算

根據(jù)上述方法，計算出筠連煤礦區(qū)不同規(guī)模煤礦停采后采空塌陷區(qū)持續(xù)形變時間(表1)。

表1 不同規(guī)模煤礦停采后引發(fā)塌陷形變持續(xù)時間Tab.1 Lasting time of collapse deformation caused by stopping mining of coal mine in different scales

根據(jù)不同規(guī)模煤礦開采點分布、開采狀態(tài)和所屬采礦權服務年限，估算出采空塌陷區(qū)趨于穩(wěn)定的最低所需時間(表2)。

表2不同規(guī)模煤礦停采引發(fā)采空塌陷最低持續(xù)形變時間推算

Tab.2Calculationonlowestdeformationlastingtimeofcollapsescausedbystoppingminingofcoalminesatdifferentscales

序號開采規(guī)模開采點數(shù)量/個開采狀態(tài)剩余服務年限/a 停采后形變時間/a形變持續(xù)時間/a1大型 2正在開采284.2～5.732.2～33.72中型 4正在開采4～62.1～4.2 6.1～10.23小型18停止開采01.0～2.01.0～2.0

4.2 采空塌陷區(qū)穩(wěn)定性分區(qū)

4.2.1 穩(wěn)定性分區(qū)范圍

采空塌陷區(qū)穩(wěn)定性分區(qū)范圍是指已形成采空塌陷的區(qū)域和目前正在開采的大型和中型煤礦地下開采范圍(根據(jù)采礦權所反映的煤礦地下開采范圍)，主要對該范圍內未來采空塌陷形變趨勢進行預測分區(qū)。對于目前未發(fā)生采空塌陷且未來不存在煤礦地下開采的區(qū)域則不作評價分區(qū)，直接劃分為預測無形變威脅區(qū)。

4.2.2 穩(wěn)定性分區(qū)標準

根據(jù)煤礦開采點分布情況及其所屬采礦權范圍(地下開采范圍)，基于最新遙感影像，結合野外實地調查情況，綜合判斷并劃分為近期趨于穩(wěn)定區(qū)、中期持續(xù)形變區(qū)、遠期持續(xù)形變區(qū)、預測新增形變區(qū)和預測無形變威脅區(qū)5類，判斷標準如表3所示。

4.2.3 穩(wěn)定性分區(qū)結果

根據(jù)采礦塌陷區(qū)穩(wěn)定性預測分區(qū)標準，綜合分析遙感解譯成果，將研究區(qū)劃分為11個采礦塌陷形變預測區(qū)塊，分區(qū)結果如表4所示。

表4 采空塌陷穩(wěn)定性分區(qū)結果Tab.4 Categorized results of stability of collapses in mine goaf areas

采空塌陷區(qū)形變趨勢分區(qū)預測如圖7所示。

圖7 采空塌陷區(qū)形變趨勢分區(qū)預測Fig.7 Categorized deformation trend prediction of collapses in mine goaf areas

4.3 采空區(qū)防治對策建議

4.3.1 預測新增形變區(qū)

1)有效的預測預報。礦區(qū)開采沉陷分布規(guī)律與許多地質采礦因素有關，如煤層傾角、開采厚度、開采深度、頂板管理方法及松散層厚度等。不同礦區(qū)的地質采礦條件往往差異較大，開采沉陷分布規(guī)律亦有區(qū)別。因此，在本次分區(qū)基礎上，科學布設地表觀測站，總結出礦區(qū)開采導致采空區(qū)形變的分布規(guī)律，從而有效預報地面塌陷趨勢，判別地表設施是否受開采影響和受開采影響的程度，作為礦區(qū)恢復治理的依據(jù)[23-24]。

2)積極采用先進的采煤新技術。在已經取得的大量地表沉陷規(guī)律和綠色采煤方法的基礎上，積極應用充填開采、協(xié)調開采技術和部分開采技術等新方法進行煤礦開采，從而減輕由于大量開采引起的地層形變與沉降。

4.3.2 持續(xù)形變區(qū)

主要包含近期趨于穩(wěn)定區(qū)、中期持續(xù)形變區(qū)和遠期持續(xù)形變區(qū)，即屬于已發(fā)生的開采沉陷區(qū)。治理方法包括塌陷區(qū)填平和塌陷區(qū)合理利用。

1)塌陷區(qū)填平是將塌陷區(qū)進行回填，利用廢石和泥土填充塌陷區(qū)，使地表基本恢復原形。

2)設立警示標志。在采空塌陷區(qū)、崩塌區(qū)域設置警示牌，提醒過往行人和車輛，以減小災害造成的危害。

5 結論與建議

1)本文基于多期遙感影像，使用礦山遙感監(jiān)測技術方法對采空塌陷區(qū)形變穩(wěn)定性進行了分析，對塌陷區(qū)形變趨勢進行了預測和分區(qū)，可為采空塌陷區(qū)地表觀測點的設置和塌陷區(qū)防治工作等提供基礎資料。

2)根據(jù)遙感監(jiān)測結果，分析了四川省筠連煤礦區(qū)2009─2015年間煤礦開發(fā)環(huán)境狀態(tài)變化與采空塌陷發(fā)展趨勢的相關性，總結出煤礦地下開采點數(shù)量、規(guī)模、狀態(tài)的變化能夠影響采空塌陷區(qū)發(fā)展趨勢變化。礦山占地面積的變化反映了開采強度的不同，與采空塌陷區(qū)變化趨勢存在著關聯(lián)性。

3)根據(jù)遙感監(jiān)測結果和采礦權等資料，采用塌陷區(qū)穩(wěn)定性分析方法，分析了各煤礦開采區(qū)范圍、開采狀態(tài)、開采深度和服務年限等信息，推算出采空塌陷區(qū)持續(xù)形變和新增形變信息，編制了采空塌陷區(qū)形變趨勢分區(qū)預測圖，提出了下一步防治采空塌陷形變的對策和建議。

4)受國家礦業(yè)整頓治理政策和礦業(yè)市場需求減少因素影響，近年來大量小型煤礦均已停止開采，新建設了一批大型國營礦山，礦山開采狀態(tài)的新變化也將對采空塌陷區(qū)形變趨勢造成新的影響。建議基于礦山遙感監(jiān)測方法，持續(xù)開展和進一步深化采空塌陷區(qū)形變趨勢的分析和研究。

志謝： 本文得到了尹顯科、蔣華標、韓磊、范敏和許鵬等同仁的幫助，在此表示衷心的感謝！