攝影測量與遙感在煤層自燃區(qū)監(jiān)測治理中的應(yīng)用

房巨山

(中煤航測遙感集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710199)

我國是一個以煤炭為主要能源的國家，目前煤炭在能源生產(chǎn)和消費(fèi)中比例仍占70%以上；煤炭資源的開發(fā)在保障國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要和創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，引發(fā)的礦山環(huán)境地質(zhì)問題也十分突出；許多礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境破壞已超過區(qū)域環(huán)境的承載力和自然恢復(fù)能力，成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。位于陜西省北部的神府煤田是中國和世界特大煤田之一，它以巨大的侏羅紀(jì)煤炭儲量而聞名于世，多處礦區(qū)發(fā)生煤層自燃，嚴(yán)重影響了煤礦安全生產(chǎn)、居民安全和生態(tài)環(huán)境。因此，對煤層自燃區(qū)的災(zāi)害綜合治理已成為亟待解決的問題。

本文以陜西省榆林市楊伙盤煤礦煤層自燃區(qū)治理項(xiàng)目為試點(diǎn)，采用攝影測量與遙感技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)野外地質(zhì)環(huán)境調(diào)查及紅外測溫技術(shù)，提取火區(qū)基礎(chǔ)信息，參考火區(qū)歷史資料，精確確定火區(qū)分布范圍及特征等，為煤層自燃區(qū)綜合治理提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，建立了一套切實(shí)可行的煤火治理解決方案和作業(yè)模式。

1 研究背景

榆林市楊伙盤煤礦30108綜采面地表火區(qū)[1]的存在，嚴(yán)重制約了下伏3-1煤的正常開采，對煤礦安全生產(chǎn)和居民生活造成了巨大威脅，致使楊伙盤煤礦30108綜采工作面無法按原計(jì)劃推進(jìn)，并嚴(yán)重破壞了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。因此，為解放下伏3-1煤層，保證30108綜采面安全生產(chǎn)，火區(qū)治理工作迫在眉睫。

2 技術(shù)路線

本次煤層自燃災(zāi)區(qū)基礎(chǔ)信息獲取以航天遙感、航空攝影測量及GPS定位技術(shù)為主要手段，結(jié)合外業(yè)測溫及地質(zhì)環(huán)境調(diào)查驗(yàn)證，在充分收集礦區(qū)以往資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行自燃災(zāi)區(qū)特征的綜合分析，從而精確圈定火區(qū)范圍及主要特征點(diǎn)分布。以攝影測量與遙感技術(shù)獲取的基礎(chǔ)信息對火區(qū)進(jìn)行綜合治理[2]；通過選用剝挖方法、回填、復(fù)墾復(fù)綠工程改善火區(qū)生態(tài)環(huán)境，后期通過無人機(jī)熱紅外遙感技術(shù)對滅火效果及生態(tài)環(huán)境恢復(fù)情況進(jìn)行監(jiān)測與評價(jià)，其工作流程如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目技術(shù)路線圖

3 攝影測量與遙感技術(shù)工作

3.1 航天遙感調(diào)查

遙感解譯工作在影像解譯標(biāo)志建立工作基礎(chǔ)上，根據(jù)遙感影像的色調(diào)、紋理特征，以人機(jī)交互解譯為主。煤層火區(qū)在圖像[3]上往往因煙霧及熱氣蒸發(fā)呈現(xiàn)白色或淺色調(diào)，其形態(tài)受火區(qū)范圍和著火點(diǎn)決定，一般呈長條帶狀、斑點(diǎn)狀。

根據(jù)煤層自燃的不同程度在遙感圖像上顯示出的影像特征、規(guī)律所建立的遙感地質(zhì)解譯標(biāo)志或影像單元，并在遙感圖像上直接解譯提取出煤層自燃現(xiàn)象信息，實(shí)現(xiàn)自燃火區(qū)范圍的解譯圈定與自燃階段劃分。

本次調(diào)查使用了三個時(shí)段的高分影像(2009年、2011年、2013年)作為火區(qū)遙感調(diào)查和火區(qū)動態(tài)監(jiān)測影像，根據(jù)清晰度判斷，三個時(shí)段的圖像分辨率分別為5 m、0.5 m、0.5 m，圖像層次清晰，分辨率符合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，無云層覆蓋，所有火區(qū)地形地物一覽無余，滿足火區(qū)解譯影像要求。

通過對2009年、2011年、2013年三期影像數(shù)據(jù)解譯，對楊伙盤煤礦火區(qū)進(jìn)行了動態(tài)觀測，研究其燃燒特征，預(yù)測發(fā)展趨勢。

在2009年6月的影像中可見，如圖2所示，在現(xiàn)今火區(qū)西北處有一白色斑狀影像，周圍植被因受煤層自燃高溫烘烤而枯死，呈黃褐色片狀，表明在2009年時(shí)該處煤層已發(fā)生自燃現(xiàn)象。同時(shí)，現(xiàn)今火區(qū)處地表裂隙與現(xiàn)在相比尚不發(fā)育，地表植被尚未發(fā)生明顯變化，表明現(xiàn)今火區(qū)處在陰燃狀態(tài)。

圖2 2009年遙感影像圖

另外，通過地表實(shí)地調(diào)查，在該處火區(qū)北部溝底自西向東發(fā)現(xiàn)大量燒變巖[4]存在，表明該處煤層自燃方向?yàn)橛晌飨驏|蔓延。

2011年3月影像中可見，如圖3所示，與2009年影像同一位置及西南方向各有一處白色斑狀影像，為煤層自燃釋放的煙、氣體，白色斑狀周圍巖土體顏色明顯異于其它地點(diǎn)，為煤層自燃引起巖土體內(nèi)水汽蒸發(fā)凝結(jié)所致。另外，在現(xiàn)今火區(qū)處可見地表裂隙較2009年影像相比，已進(jìn)一步發(fā)展，表明自燃煤層已進(jìn)一步燃燒。

圖3 2011年遙感影像圖

2013年9月影像中可見，如圖4所示，與前兩期影像不同處在于，植被茂盛、分辨率提高，前兩期影像中的白色斑點(diǎn)已不存在，表明煤層自燃熄滅，原自燃區(qū)已被植被覆蓋。

圖4 2013年遙感影像圖

與此同時(shí)，在現(xiàn)今火區(qū)位置出現(xiàn)兩處明顯植被變化，呈褐色片狀分布，為煤層自燃使植被被烘烤枯死所致。表明該處煤層較2011年時(shí)已進(jìn)一步燃燒，但未發(fā)現(xiàn)明火，并且現(xiàn)今火區(qū)地表裂隙較前兩期圖像明顯發(fā)育。

3.2 攝影測量與遙感解譯

煤層自燃引起上覆地層、地貌、植被的一系列變化[5]，這些變化反映在巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、巖層厚度、含水程度、山脊、沖溝形態(tài)及斜坡相對高差、地表影像色調(diào)等方面。而航空攝影以其高分辨率、航線靈活機(jī)動等特點(diǎn)很好的將上述地表變化直觀的顯現(xiàn)在影像圖上。

3.2.1 航空攝影

本次采用無人機(jī)航空攝影獲得影像數(shù)據(jù)[6]，成像時(shí)間為上午10:51～11:06。原圖像的分辨率為3.8 cm，航高258 m，共計(jì)235幅圖像，每幅圖像分別同步記錄像主點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)。每幅圖像像素3 630萬，分辨率7 360×4 912。影像清晰，色彩鮮明，反差適中，沒有云彩影響。航片航向重疊度大于75%，旁向重疊度大于55%，可滿足1:2 000比例尺航測成圖及火區(qū)遙感調(diào)查要求。

航空攝影共進(jìn)行了一架次的飛行，總航程24.3 km，總體呈EW長條展布，長寬各1 km，面積1 km2，航攝方向EW向，航線示意圖如圖5所示。

圖5 飛行航線示意圖

3.2.2 圖像預(yù)處理

本次圖像獲取后通過圖像預(yù)處理，調(diào)整不同時(shí)段因?yàn)楣庹詹煌瑢?dǎo)致的亮度差異，同時(shí)還調(diào)整了從相機(jī)畫幅中心向邊緣逐步嚴(yán)重的亮度衰減，保證每一幅圖像畫面的總體亮度均衡。

在完成亮度均衡化處理后[7]，利用Pix4D軟件進(jìn)行拼接處理，把235幅圖像拼接為一幅整體圖像。利用ENVI軟件對圖像進(jìn)行幾何校正、精度檢查、圖像亮度重采樣等處理，獲得正射影像圖，以便后續(xù)分析解譯。

3.2.3 圖像解譯

通過ENVI軟件增強(qiáng)處理，使得圖像上的火區(qū)信息得到更明顯的表示，圈定火區(qū)的基本范圍和相對強(qiáng)度，對火區(qū)的探測起到了定性解釋的目的。地下煤層燃燒，熱量一方面沿裂隙向地表逸出，一方面通過巖石的熱傳導(dǎo)作用，在地表形成熱異常區(qū)，對地表植被、水系造成影響，使火區(qū)范圍植被生長情況異于周圍植被。在真彩色遙感圖像上煤層自燃的解譯標(biāo)志[8]有：

(1)地表平行裂隙[9]

這是由于煤層燃燒導(dǎo)致的梯次垮落在地表的表現(xiàn)。當(dāng)煤層在地下燃燒后，空間體積大幅縮減，上覆地層失去支撐而下陷，與相鄰地層之間出現(xiàn)斷裂，裂隙由此產(chǎn)生，如圖6所示。地表裂隙的寬度和塌陷的幅度取決于上覆巖層的力學(xué)強(qiáng)度和厚度等因素。這種裂隙是一種開放的空氣通道，為后續(xù)的煤層燃燒提供了氧氣，使得相鄰的煤層繼續(xù)燃燒，并產(chǎn)生新的裂隙。

圖6 地表裂隙遙感影像圖

(2)氣

在真彩色高分辨率遙感圖像上，一些火點(diǎn)出現(xiàn)煙氣標(biāo)志。煙和水汽是煤層自燃的兩個不同階段的典型揮發(fā)物。水汽發(fā)生在煤層自燃初期和后期，溫度顯著偏低，主要是煤層及通道沿線的水分在低溫烘烤狀態(tài)下，揮發(fā)到地表后受到冷空氣的降溫，迅速冷凝形成白色團(tuán)塊狀水汽，如圖7所示。煙氣通常是煤層在劇烈燃燒時(shí)產(chǎn)生的多種有害氣體的混合物，隨著燃燒程度的不同，表現(xiàn)為不同的顏色，通常煙氣的溫度比較高，溫度越高，顏色越淺。

圖7 地表煙、氣遙感影像圖

(3)植被的顏色

煤層燃燒會導(dǎo)致地表植物的枯死，受到地下高溫烘烤的地表植被要么發(fā)黃、要么枯死，與相鄰的地表植被有強(qiáng)烈的反差，如圖8所示，因而可以作為活火區(qū)的解譯標(biāo)志。

圖8 地表植被遙感影像圖

煤層自燃造成的裂隙在航空攝影影像圖上顯示明顯，呈條帶狀分布，現(xiàn)今火區(qū)東南部可見團(tuán)塊狀煙霧，西部影像可見明顯白色斑狀為煤層自燃引起地表水蒸氣凝結(jié)，如圖9所示的紅色線圈區(qū)域。

圖9 無人機(jī)航攝正攝影像圖

3.3 地面紅外輻射溫度測量

在航空攝影的同時(shí)，野外測溫[10]和地質(zhì)環(huán)境調(diào)查也同步進(jìn)行。以火區(qū)為中心，布置網(wǎng)格狀測點(diǎn)，如圖10所示，逐點(diǎn)測量各點(diǎn)的地表溫度，并采用GPS-RTK技術(shù)精確測量其三維坐標(biāo)。布點(diǎn)時(shí)盡量控制火區(qū)邊界，包括裂隙斷點(diǎn)、溝壑陡坎邊界、地面出現(xiàn)的各個蒸汽凝聚點(diǎn)(霜凍密集點(diǎn))、植被枯黃差異點(diǎn)等。以求準(zhǔn)確確定火區(qū)邊界，預(yù)測火區(qū)發(fā)展趨勢。

圖10 火區(qū)調(diào)查及測溫點(diǎn)分布圖

在一個火區(qū)中，地表熱輻射溫度在35～100 ℃之間，稱一般活火區(qū)；輻射溫度>100 ℃的區(qū)段，稱強(qiáng)火帶。不同的輻射溫度構(gòu)成了火區(qū)結(jié)構(gòu)。

通過紅外測溫儀測量成果顯示火區(qū)東部最高溫度為258.06 ℃，西部溫度為-12.8 ℃，表明火勢東部強(qiáng)、中西部次強(qiáng)，西部弱，如圖11所示。根據(jù)野外測定的溫度，擬合編制地表溫度圖，再以高于背景溫度(-10 ℃)5 ℃為底限，圈定火區(qū)總面積約3 848 m2。

圖11 煤層自燃實(shí)測等溫圖

3.4 野外遙感地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境調(diào)查

地質(zhì)調(diào)查與野外測溫同步進(jìn)行。在航天、航空遙感圖像上，通過火區(qū)信息提取[11]，圈定出火區(qū)范圍和火區(qū)相對強(qiáng)度，在最后劃出較為準(zhǔn)確的火區(qū)邊界時(shí)，則要與野外的實(shí)際驗(yàn)證配合進(jìn)行。

3.4.1 地貌與裂隙

火區(qū)地表破碎、塌陷及裂隙發(fā)育程度，尤其火區(qū)后緣裂縫是圈定火區(qū)的重要依據(jù)?；饏^(qū)后緣裂縫[12]是指活火區(qū)與待燃燒區(qū)之間出現(xiàn)的連通地表的裂隙(帶)。在裂縫口具有火區(qū)的一些重要特征，諸如冒熱氣、煙霧，形成熱浪，逸出有毒氣體。火區(qū)后緣的裂縫大多陡立，具有高角度特征，在利用后緣裂縫確定地下火區(qū)邊界時(shí)，可充分利用這一特征。本次調(diào)查結(jié)果證明此方法確定火區(qū)狀況的可靠性很大。

3.4.2 植被效應(yīng)

煤層自燃引起地溫及濕度變化、有害氣體逸出，對火區(qū)地表附近的植被生長產(chǎn)生極大的影響和危害，尤以火區(qū)裂隙附近植被枯黃、枯死現(xiàn)象明顯。

3.4.3 燒變巖

燒變巖的觀察和描述是圈定和研究死火區(qū)的重要方法。按巖石燒變程度可將燒變巖從強(qiáng)到弱分為熔渣狀、板片狀、層塊狀三類，對燒變巖厚度、縱向和橫向變化、燒變端點(diǎn)等進(jìn)行詳細(xì)觀察、描述與分析。

3.4.4 小窯

研究表明，煤層火區(qū)的形成和發(fā)展與小煤窯開采關(guān)系密切。近代小煤窯的大量出現(xiàn)是造成火區(qū)發(fā)生與發(fā)展的重要因素。小煤窯多沿煤層露頭開采，由于采掘過程中的管理不善，極易引發(fā)新的小煤窯著火使得小煤窯巷道之間，甚至采空區(qū)之間接連發(fā)火，當(dāng)某一小窯發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火勢便迅速蔓延到左右其它小窯，在小窯與地表淺部煤層形成自燃火區(qū)。

4 火區(qū)特征

(1)楊伙盤煤礦煤層自燃火區(qū)屬于一般火區(qū)，其特點(diǎn)是火區(qū)范圍小，火勢處于陰燃或個別明火狀態(tài)，火區(qū)發(fā)展速度緩慢，災(zāi)害輕，容易治理。

(2)根據(jù)三期高分影像圖和真彩色正攝影像以及熱紅外測溫?cái)?shù)據(jù)顯示，楊伙盤煤礦2-2煤層自燃火區(qū)有沿煤層走向方向自西向東蔓延趨勢，即沿上覆地層裂隙走向發(fā)育的趨勢，如治理不及時(shí)有繼續(xù)向煤層深部燃燒危險(xiǎn)，應(yīng)引起足夠重視。

5 滅火方法選取與施工

5.1 滅火方法選取

目前國內(nèi)外對治理煤層火災(zāi)有許多行之有效的方法，而在陜北地區(qū)所采用的滅火方法，按其施工方式主要分為三類：灌注滅火法[13]、剝離滅火法[14]、風(fēng)控式滅火法[15]。通過遙感調(diào)查可知，楊伙盤煤礦著火時(shí)間較長、燃燒范圍小?；饏^(qū)位于黃土梁峁處，地形較復(fù)雜，自燃引發(fā)的地表裂隙發(fā)育，以 NE45°為主，平行而連續(xù)發(fā)育，間距在 2.5～5.8 m 之間，分布范圍長約100 m，寬近 40 m，為煤層沿著風(fēng)氧化帶自燃，不斷向深部推進(jìn)引發(fā)的裂隙；另一組裂隙為 NW45°，間距 6～10 m，稀疏不連續(xù)，為第一組裂隙形成過程中出現(xiàn)的差異沉降引起的次生裂隙。裂隙的發(fā)育，構(gòu)成了良好的供氧通道，對灌注式滅火和風(fēng)控式滅火不利。同時(shí)，在開采下組煤時(shí)，勢必造成上覆地層的垮塌，采動裂隙再次成為 2-2煤層的通風(fēng)供氧通道，足可使治理后的火區(qū)再次復(fù)燃，重新威脅井下安全生產(chǎn)。

因此，剝離法是楊伙盤煤礦最佳的滅火法，該方法滅火徹底，且施工周期較短。即在剝離表土及自燃煤層后，再對煤層露頭進(jìn)行覆蓋、壓實(shí)處理，對底板裂隙進(jìn)行灌漿封堵，并對塌陷坑采取填埋措施，以斷絕下伏煤層的氧氣通道，最后再對覆蓋區(qū)進(jìn)行植被復(fù)墾。

5.2 滅火工程實(shí)施

施工工序具體流程為：基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)(簡易公路、供水管路、簡易生產(chǎn)生活設(shè)施等)——上覆黃土剝離——排棄——超前灑水降溫——煤層上覆基巖剝離——排棄——煤層露頭黃土封堵——剝離坑回填、整平——黃土覆蓋——綠化復(fù)墾。

6 滅火效果與后續(xù)監(jiān)測

在滅火施工工程中及完工后，對火區(qū)進(jìn)行了兩次遙感影像監(jiān)測及熱紅外測溫，結(jié)果表明楊伙盤煤礦火區(qū)的滅火施工達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，昔日煙霧彌漫、縱橫交錯的裂隙已徹底清除，火區(qū)復(fù)墾后地表已長出郁郁蔥蔥的植被，植被正在迅速恢復(fù)中，如圖12所示。地表溫度從滅火前258 ℃的高溫恢復(fù)到常溫，火區(qū)的地表已被綠色植物覆蓋。經(jīng)過對大量的火區(qū)監(jiān)測原始數(shù)據(jù)的收集、整理和分析，表明火區(qū)滅火效果已達(dá)到煤田滅火規(guī)范的要求，火區(qū)燃燒煤層已徹底挖除，火災(zāi)得到了徹底治理。

圖12 綠化復(fù)墾后景觀

7 結(jié) 論

本文利用測繪地理信息學(xué)科專業(yè)技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)的野外地質(zhì)、生態(tài)、人文環(huán)境調(diào)查及專業(yè)傳感器的使用，高質(zhì)量完成了楊伙盤煤層自燃災(zāi)害綜合治理工程。在其過程中，攝影測量與遙感、GPS定位等技術(shù)充分發(fā)揮快速、精準(zhǔn)獲取災(zāi)區(qū)范圍、地形地貌、地質(zhì)生態(tài)環(huán)境、災(zāi)害程度及災(zāi)區(qū)特征點(diǎn)分布等綜合信息的優(yōu)勢，為災(zāi)害治理的方案制定、工程實(shí)施及效果的后續(xù)監(jiān)測與評價(jià)等全過程提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，展現(xiàn)了其技術(shù)的核心指導(dǎo)作用，建立了一套切實(shí)可行的煤火治理解決方案和作業(yè)模式。