煤礦區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害時空分布與安全防治技術(shù)

段 芳

(西安建筑科技大學(xué) 華清學(xué)院，陜西 西安 710043)

為滿足生產(chǎn)需要，煤礦資源開采是必要的。然而，煤礦資源開采帶來經(jīng)濟效益的同時，也在損害環(huán)境利益。煤礦開采行為帶來的最常見破壞現(xiàn)象就是會引發(fā)各種地質(zhì)災(zāi)害，如沉降、滑坡、泥石流、地表裂縫等[1]。其中塌陷、滑坡最為常見。面對這些礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害，了解地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害時空分布特征，對于制定安全防治方案，實施合理的防治技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義，不僅能減少地質(zhì)災(zāi)害帶來的經(jīng)濟損失，更重要的是能及時轉(zhuǎn)移人員，保證工作人員及其周圍居民的安全。

基于上述背景，關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害時空分布與安全防治技術(shù)的研究有很多。針對前者，有關(guān)學(xué)者在選取大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，繪制了地質(zhì)災(zāi)害分布圖，明確了藏東南地區(qū)災(zāi)害集中分布區(qū)，最后針對引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的因素進(jìn)行了具體分析，并運用統(tǒng)計分析方法分析了因素與災(zāi)害之間的關(guān)系，為進(jìn)一步理解研究區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的形成機制提供了可靠的依據(jù)[2]。有關(guān)學(xué)者在分析中針對5種地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率進(jìn)行了分析，然后從季節(jié)性和周期性2個角度分析了災(zāi)害的時間分布特征，最后分析了地質(zhì)災(zāi)害的空間分布特征，即主要分布在分散性和地段(帶)上的+550～+750 m 海拔處的直線型和階梯型斜坡地段上[3]。針對后者，有關(guān)學(xué)者利用測繪技術(shù)進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害隱患防治方法研究，利用信息化測繪技術(shù)構(gòu)建了災(zāi)害隱患點三維場景，通過模擬災(zāi)害發(fā)展，明確空間分布特征，為輔助應(yīng)急救災(zāi)提供了可靠參考依據(jù)[4]。有關(guān)學(xué)者首先進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害危險性評估，實現(xiàn)災(zāi)害隱患預(yù)測，最后提出了相應(yīng)的尾礦充填技術(shù)填充采空區(qū)，以防塌陷[5]。

在前人研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行煤礦區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害時空分布研究以及制定安全防治技術(shù)，以便為災(zāi)害的有效治理提供可靠參考。

1 災(zāi)害時空分布特征分析方法

開采煤礦后，若是不加以治理，在多種因素的影響下，極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。為實現(xiàn)災(zāi)害有效治理，了解煤礦區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害時空分布特征是十分必要的[6]。為此，本章節(jié)基于遙感技術(shù)，提出一種分析方法。該方法是通過提取災(zāi)害圖像，界定災(zāi)害時空分布范圍，分析災(zāi)害隨著時間的演變情況。

1.1 災(zāi)害遙感圖像采集與預(yù)處理

為了明確煤礦區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害隨著時間的變化特征，首先要取得研究區(qū)的煤礦區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害圖像，從圖像上計算得出災(zāi)害演變情況。在這里，基于遙感技術(shù)來采集煤礦區(qū)域圖像。

遙感圖像采集原理：以無人機為載體，搭載接收傳感器，采集圖像。首先利用發(fā)射器向地面發(fā)射信息，當(dāng)信號接觸地面的一瞬間會與其發(fā)生反射作用[7]。這時需要利用傳感器采集這些反射回來的信號基于這些光譜信息，形成關(guān)于目標(biāo)地區(qū)的地物遙感圖像。

(1)遙感圖像校正。遙感圖像在采集過程中，受到大氣環(huán)境、采集設(shè)備本身以及采集方式等影響，會發(fā)生輻射誤差和幾何畸變，需要對遙感圖像進(jìn)行校正。大氣校正。大氣的衰減作用會使得圖像像元灰度值發(fā)生改變，發(fā)生輻射誤差[8]。通過校正可以消除大氣的影響，獲取地物反射率這一真實物理模型參數(shù)。校正方法是6 s模型。幾何校正。幾何校正的目的是消除圖像的幾何畸變問題[9]。方法如下：①輸入待校正圖像和參考圖像；②建立待校正圖像像素點坐標(biāo)和參考圖像對應(yīng)的像素點坐標(biāo)；③建立二者坐標(biāo)之間映射關(guān)系，完成幾何校正數(shù)學(xué)模型構(gòu)建；④通過幾何模型對圖像坐標(biāo)進(jìn)行校正。

(2)圖像均色。圖像均色的目的是指讓對比度較低的局部區(qū)域獲得高對比度，突出圖像中目標(biāo)特征[10]。具體過程如下：①輸入待均色圖像和參考圖像，并轉(zhuǎn)換到HSI空間中；②將上述2種圖像進(jìn)行灰度化處理。③分別計算2種圖像的灰度均值和標(biāo)準(zhǔn)差；④建立Wallis濾波器；⑤利用 Wallis濾波器進(jìn)行均色處理；⑥結(jié)合均色后的色調(diào)和飽和度分量合成新的HSI空間下的圖像；⑦將圖像變換到RGB空間，并輸出圖像。

(3)遙感圖像去噪。遙感圖像去噪的目的是消除噪聲對圖像的模糊影響[11-12]。在這里通過1個自適應(yīng)的中值濾波器進(jìn)行去噪。設(shè)A、B為濾波器；Amax、Amin為窗口中的最大、最小灰度值；Yxy為坐標(biāo)(x，y)處的灰度值。

如果A1>0且A2<0，跳轉(zhuǎn)到B；否則，增大窗口的尺寸。如果增大后窗口的尺寸>濾波模板最大窗口尺寸，則重復(fù)A過程；否則，輸出Amed；如果B1>0且B2<0，則輸出Yxy；否則，輸出Amed。

1.2 區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害范圍界定

基于上述處理好的煤礦區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害圖像。本章節(jié)處理提取圖像特征，然后利用分類算法識別圖像中災(zāi)害區(qū)域，并界定災(zāi)害范圍，最后計算災(zāi)害影響面積[12-15]。

(1)輸入預(yù)處理好的煤礦區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害圖像。

(2)提取災(zāi)害遙感圖像中的特征。在這一環(huán)節(jié)利用SIFT算法來實現(xiàn)[16-18]。

①采用高斯卷積函數(shù)來構(gòu)造尺度空間金字塔。公式如下：

Dx，y，z=fx，y，z×Ex，y

(1)

式中，Dx，y，z為不同尺度因子下的圖像；Ex，y為待處理的煤礦區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害圖像；fx，y，z為高斯卷積核函數(shù)；z為尺度因子。

②利用構(gòu)建的金字塔，進(jìn)行極點檢測，獲得代表性的像素點，并標(biāo)注極點的坐標(biāo)和尺度。

③計算特征點梯度大小S(x，y)和方向H。計算公式[19]：

S(x，y)=Dx+1，y，z-Dx-1，y，z+Dx，y+1，z-Dx，y-1，z

(2)

(3)

④生成特征描述子。

(3)輸入特征到隨機森林當(dāng)中，通過決策樹分類識別圖像中災(zāi)害區(qū)域，如圖1所示。

圖1 災(zāi)害區(qū)域識別流程Fig.1 Disaster area identification process

(4)利用Labelme標(biāo)注工具在圖像中標(biāo)出災(zāi)害發(fā)生區(qū)域，并給出每個標(biāo)注點的坐標(biāo)，完成災(zāi)害范圍界定[20]。

(5)計算災(zāi)害影響面積。①在災(zāi)害發(fā)生區(qū)域建立格網(wǎng)，每個單元格為1×1尺寸。②統(tǒng)計每個單元格中像素點的數(shù)量。③基于上述數(shù)據(jù)計算災(zāi)害影響面積。計算公式如下：

(4)

式中，L為災(zāi)害影響面積；ψ為災(zāi)害區(qū)域的模糊隸屬度函數(shù)；R為單元格面積；Uj為像素點的屬性；m為網(wǎng)格數(shù)量；n為像素點數(shù)量。

重復(fù)上述過程，計算出不同時期災(zāi)害發(fā)生區(qū)面積，然后橫向?qū)Ρ?，得出隨著時間的推移，災(zāi)害區(qū)時空變化特征。

2 災(zāi)害安全防治技術(shù)

針對煤礦區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害，采集一種聯(lián)合法進(jìn)行防和治。

(1)“防”的方法。崩的防治原理都是在災(zāi)害發(fā)生前摧毀存在的安全隱患。礦產(chǎn)開采會破壞礦山原有的平衡，使得整體或者局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，存在很多危巖體，這些危巖體是引發(fā)上述一系列地質(zhì)問題的“罪魁禍?zhǔn)住盵16]。針對這種問題，可以通過“清除、支撐、錨固、攔截”的方法進(jìn)行處理。①清除：通過人工鋼釬撬挖或者爆破振動的方法將整個危巖體化整為零，提前去除隱患。②支撐：顧名思義，是指漿砌石或混凝土墻、柱或墩等形式將危巖體支撐住，防止其松動。③錨固：通過錨桿(索)將危巖體與穩(wěn)定的巖體連接在一起，以達(dá)到不穩(wěn)定危巖體固定的目的。④攔截：是指在危巖體坡下修筑一級或多級重力式攔石墻、板樁式攔石墻、攔石柵等攔石構(gòu)筑物，一旦危巖體滑落，防止危巖體進(jìn)入到安全區(qū)。

(2)“治”的方法。針對已經(jīng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害類型的不同，采取不同的方法。下面進(jìn)行具體分析。①針對采空塌陷坑采取的主要治理技術(shù)就是回填，也就是利用采礦的多余廢渣以水平分層的方式回填到塌陷坑當(dāng)中，分層鋪設(shè)，分層密實。之后中間設(shè)計排水溝，防止降雨因素的影響。②針對地裂隙采取的主要治理技術(shù)是灌漿，也就是利用水泥砂漿將縫隙填補上，以防止地表水或者雨水隨著裂縫進(jìn)入到山體中，破壞山體整體性和結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)力，同時也預(yù)防礦井進(jìn)入礦井當(dāng)中，發(fā)生淹井事故。③針對滑坡。泥石流采取的主要治理技術(shù)是削坡或放緩坡角，也就是通過降低邊坡高度以達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的。

除了上述暫時性措施外，還需要一種永久性措施，即生態(tài)恢復(fù)，通過地表植被等大自然的力量，永久地解決礦山地質(zhì)災(zāi)害問題，恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

3 實例分析

3.1 圖像采集設(shè)備

以某煤礦區(qū)為例，利用遙感裝置采集研究區(qū)遙感圖像，該裝置為八翼無人機搭載六通道多光譜相機組成，此外還具備了導(dǎo)航系統(tǒng)、遙控主機、動力系統(tǒng)等，如圖2所示。

圖2 遙感裝置Fig.2 Remote sensing device

3.2 研究區(qū)遙感圖像

以2020年為時間周期，每2個月采集1次研究區(qū)遙感圖像，組成序列集，以這些圖像為基礎(chǔ)，進(jìn)行后續(xù)的時空特征分析。遙感圖像如圖3所示。

圖3 研究區(qū)遙感圖像Fig.3 Remote sensing images in the study area

3.3 地質(zhì)災(zāi)害識別

按照章節(jié)1.2提取圖像中各種地物特征，然后利用隨機森林算法識別圖像中地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域和類型，結(jié)果如圖4所示。

圖4 煤礦區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害類型Fig.4 Type of regional geological disasters in rural coal mines

從圖4中可以看出，研究區(qū)共存在2處地質(zhì)災(zāi)害，類型分別是塌陷和滑坡。

3.4 災(zāi)害時空分布特征

界定每一幅遙感圖像中災(zāi)害發(fā)生區(qū)域，并計算災(zāi)害影響面積，然后繪制變化特征圖像，結(jié)果如圖5所示。

圖5 災(zāi)害時空分布特征圖像Fig.5 Characteristic images of the spatial and temporal distribution of disasters

(1)時間特征。隨著時間的推移，災(zāi)害區(qū)域面積都呈現(xiàn)逐漸擴大的趨勢。且在這一年中，5～8四個月災(zāi)害區(qū)域面積擴大到最多、最快，主要是因為這4個月降水量增多，使得沉降和滑坡加快，甚至期間發(fā)生了演變成了泥石流災(zāi)害。

(2)空間特征。針對塌陷區(qū)主要向著西北方向擴散，因為西北為主要礦產(chǎn)資源主要埋藏地區(qū)，開采工作主要在這一地區(qū)進(jìn)行。因此，西北區(qū)域還存在很多采空區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不穩(wěn)定，在逐漸發(fā)展中，會逐漸塌陷。針對滑坡區(qū)域主要向著西南方向成扇形發(fā)展，覆蓋住下面的植被，若不加以控制，將淹沒下面的農(nóng)田。

3.5 災(zāi)害防治效果

針對上述研究區(qū)存在的2種地質(zhì)地質(zhì)災(zāi)害，采用章節(jié)2給出的防治技術(shù)進(jìn)行治理，然后利用基于層次分析法的評估模型評估防治前后研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險等級。風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Risk level classification criteria

災(zāi)害防治效果見表2。

表2 災(zāi)害防治效果Tab.2 Disaster prevention effect

基于表1和表2可以看出，經(jīng)過防治后，研究區(qū)2種地質(zhì)災(zāi)害指數(shù)都有所降低，其中塌陷區(qū)域災(zāi)害由高風(fēng)險降低到了一般風(fēng)險，滑坡區(qū)域由較高風(fēng)險降低到了較低風(fēng)險，由此說明防治技術(shù)是有效果的。

4 結(jié)語

礦產(chǎn)資源在開采的同時，也會對礦區(qū)地質(zhì)造成嚴(yán)重的破壞，從而引發(fā)各種地質(zhì)災(zāi)害，造成了巨大的生命財產(chǎn)損失，由此，進(jìn)行煤礦區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害時空分布與安全防治技術(shù)研究。確定災(zāi)害范圍，分析災(zāi)害時空變化特征，提出防和治聯(lián)合治理方法。