“物探＋遙感”技術在礦山生態(tài)修復中的應用
——以邢臺園博園為例

張 昭，張大明，殷全增，王進朝，王煥允，王春博，王 鵬，張龍飛

河北省煤田地質局物測地質隊，河北 邢臺 054000

0 引言

2019年8月28日，以“太行名郡·園林生活”為主題的河北省第三屆園林博覽會在邢臺開幕.園博園選址在邢東礦采煤塌陷區(qū)，總占地面積3 km2，作為邢臺市中央生態(tài)公園中一顆璀璨明珠的園博園，實現了從煤礦開采塌陷區(qū)向城市核心綠肺的蛻變.

邢臺作為資源城市，煤礦經過長期開采，形成了大量采空區(qū)，存在地面沉降、水土資源損毀和區(qū)域環(huán)境污染等問題.進行礦山生態(tài)修復工程需探查地下采空區(qū)范圍及地面沉降情況.鑒于此，本研究通過收集分析以往的地震、電法等物探資料，確定研究區(qū)煤層底板賦存形態(tài)、構造發(fā)育情況及采空區(qū)范圍，指導公園地面選址.利用遙感技術，開展無人機動態(tài)監(jiān)測，獲取礦山生態(tài)修復的基礎數據，為治理過程提供影像資料，實現“物探＋遙感”技術有效服務于采煤坍陷區(qū)礦山生態(tài)修復工作.

1 工作方法綜述

1.1 地震勘探

地震勘探是通過天然場或人工場激發(fā)的地震波在地下介質中的傳播改變，確定地下地質體分布變化及巖石學彈性參數的物探方法［1］.由于人工場地震勘探激發(fā)地點可控、激發(fā)時間可控、能量可控，地震勘探多采用人工場激發(fā)方式.其技術特點為：激發(fā)場產生地震波，預設地震檢波器采集地震波信號，分析采集的地震波動力學和運動學特征（時差、振幅、波形、相位、頻率等），搭建地震波地下傳播路徑，獲取地下巖石構造及彈性參數信息.地震波分為縱波（P波）、橫波（S波）和面波，巖石彈性參數不同波速不同，依據此可反映巖石性質.

地震勘探是勘測石油、天然氣和固體礦產的重要手段，在煤田勘查、工程勘查、區(qū)域地質研究等方面廣泛應用［2］.目前，地震勘探方法在尋找地下構造、民用工程建設、地質災害防治中發(fā)揮著重要作用，為城市建設服務.

1.2 電磁法勘探

電磁法勘探是利用天然交變電磁場來研究地球電性結構的地球物理勘探方法，通過研究介質電磁性差異，觀測天然或人工的交變電磁場隨空間或時間的變化規(guī)律［3-5］.大地電磁法技術成熟，施工方便，成本低，受高阻層屏蔽影響小，低阻層分辨率高，在礦產勘查、地熱調查、深部地質構造探究等方面也有很重要的應用.

可控源音頻大地電磁法（CSAMT法）是一種人工源頻率域電磁法，其方法原理與大地電磁測深相近［6］，針對天然電磁場信號弱的特性，采用人工源發(fā)射方式，利用發(fā)射電偶極AB（1～3 km）向地下發(fā)送頻率不同的交變電流，產生交變電磁場，在場源距離足夠遠的區(qū)域測量相互垂直的電場信號（Ex）和磁場信號（Hy），依據公式（Cagniard法）求取地層視電阻率和阻抗相位.CSAMT法采用人工源激發(fā)，野外采集數據質量優(yōu)質，操作性強，利于強干擾區(qū)開展勘測工作［6-8］.該方法處理解釋簡單，成果剖面橫向分辨率高，且不受高阻屏蔽，在采空區(qū)調查等方面得到廣泛應用［9］.

1.3 遙感方法

遙感方法采集裝置與測量目的有一定的距離［10］.其采集探頭安裝在空中飛行器、飛機或衛(wèi)星上，受地形影響小.數據采集階段，采用不同的探頭可以得到多種波段的電磁波信息，經軟件處理得到地質信息.衛(wèi)星遙感技術采集資料具有區(qū)域廣、綠色、高效等特性［11］.

地質構造在遙感圖像上往往以圖形、色調特征、地貌等表現，呈平直、微彎形的線性條帶或者圓形、半圓形、橢圓形環(huán)狀條帶展示.電磁波輻射的差異導致不同的影像色調與形態(tài)，地表地貌或地質現象的異?？勺鳛閿嗔褬嬙斓囊罁?2-13］.

高分影像無人機（UAV）是利用遙控裝置和控制系統(tǒng)進行飛行和工作的不載人式飛行器.通過搭載各種傳感器，如可見光相機、熱紅外相機等，可以獲取高分辨率遙感數據［14-16］.無人機可以低空飛行，具有高機動性，能夠多角度觀測目標，快速獲取目標地物的連續(xù)、高分辨率影像數據以及其他自然資源和環(huán)境條件等信息.隨著無人機遙感技術的發(fā)展，其在生態(tài)監(jiān)測、災害勘察、精準農業(yè)等領域應用范圍迅速擴大，對于礦山生態(tài)修復工程領域的應用也越來越重要［17］.

2 案例分析

2.1 研究區(qū)概況

冀中能源股份有限公司邢東礦位于邢臺市東郊，地理位置優(yōu)越，交通便利（圖1）.礦井設計年生產能力60×104t［18］.2001年11月礦井建成投產，開采深度為＋59.5～-1200 m，開采的3個煤層分別為山西組的2煤、2下煤和太原組的6煤.經過20多年的開采，形成了采空區(qū)，長時間的沉降作用，在采空區(qū)的上方產生了6.7 km2的沉陷區(qū)，最大地面沉陷值為2.9 m.目前沉陷區(qū)均在緩慢地沉陷，沒有達到穩(wěn)定狀態(tài).隨著礦業(yè)活動的延續(xù)，礦山將形成新的采空區(qū)，采礦引起的采空沉陷及地裂縫將對地面村莊和城市建設產生嚴重危害.

圖1 物探工作概況圖Fig.1 Overview of geophysical prospecting work

邢臺市政府經研究，決定在邢東礦采煤塌陷區(qū)建立中央生態(tài)公園——邢臺園博園，有必要對采空區(qū)范圍、地面破壞情況調查清楚.

2.2 工作情況分析

多年來，為保障礦井安全開采和規(guī)避地質災害，在該地區(qū)進行了大量的地面物探工作，其中河北省煤田地質局物測地質隊分別于1999年、2007年、2010年、2014年在礦區(qū)進行了多次三維地震勘探工作，2018年開展了中央生態(tài)公園采空區(qū)電法勘查工作，2016—2019年，在邢臺園博園開展了連續(xù)遙感監(jiān)測工作，詳見物探工作概況圖（圖1）.多次工作查明了邢東礦煤層埋藏深度、地層起伏形態(tài)、構造發(fā)育、采空區(qū)范圍等情況，為地質災害防治、生態(tài)公園建設提供了科學數據支撐.

2.2.1 地震勘探結果

多年來，邢東礦多次開展三維地震勘探工作.以2014年邢東礦后備區(qū)為例，激發(fā)方式采用井中高爆速成型炸藥激發(fā)，60 Hz高頻檢波器接收，24次覆蓋單邊下傾激發(fā)的觀測系統(tǒng)，428XL數字地震儀0.5 ms采樣錄制，記錄長度1.6 s.

勘探工作查明了區(qū)內新生界厚度變化、可采煤層的構造形態(tài)及賦存深度、斷距大于5 m的斷層、異常區(qū)和其他地質構造，能夠準確劃分采空區(qū)分布范圍.從邢東礦后備區(qū)2煤層沿層切片圖（圖2）中可以看出，區(qū)內被多條近東西向張性斷層切割，小型斷層和裂縫較發(fā)育，構造面貌復雜.

圖2 邢東礦后備區(qū)2煤層沿層切片Fig.2 Plan view of No.2 coal seam in the reserve area of Xingdong Mine

從后備區(qū)AA′剖面線圖（圖3）中可以看出，勘探區(qū)東北部2煤層已經開采，采空區(qū)域反射波頻率低，能量弱，波形紊亂不規(guī)則，影響下部煤層的反射波.煤層開采后形成的采空區(qū)是造成地面塌陷的重要原因.

2.2.2 電法勘探結果

在邢東新區(qū)中央生態(tài)公園采用可控源音頻大地電磁法開展物探勘查工作.中央生態(tài)公園占地面積17.478 km2，位于邢州大道以南、中興大街以北、襄都路以東、東華路以西.邢東煤礦處于生態(tài)公園范圍內，面積14.5149 km2，兩者范圍基本重合.

電法工作查明了區(qū)內的采空區(qū)位置、分布范圍及積水情況.從D18線反演電阻率斷面示意圖（圖3）中可以看出：上部電阻率較低，為第四系、新近系、古近系、三疊系、煤系地層的電性顯示；下部電阻率較高，電性分布相對均勻，為奧陶系地層灰?guī)r電性顯示.圖中，反演電阻率自上而下逐漸增大，反映出第四系、新近系、古近系、三疊系、煤系地層、奧陶系基底反演電阻率從淺到深逐漸增大的基本電性規(guī)律［19-20］.

圖3 AA′剖面線圖Fig.3 AA′section line

圖4中，-700～-800 m煤層賦存深度中，在960～1560 m點距之間出現相對高阻特征，與圍巖電阻率差異明顯.分析認為，該高阻異常區(qū)由煤系地層采空后引起，采空區(qū)富水性相對較弱.

圖4 D18線反演電阻率斷面示意圖Fig.4 Resistivity inversion section along exploratory line D18

2.2.3 遙感監(jiān)測結果

為在受采空區(qū)沉降影響的區(qū)域建立中央生態(tài)公園，需對涉及的村莊、廠房、土地進行重新設計和規(guī)劃，達到礦山修復、綠色發(fā)展的目的.

場地調查內容包括生態(tài)修復區(qū)域內地表植被情況、土壤污染情況、地形地貌及地物等.無人機低空攝影獲取高質量的遙感影像數據，獲取地表基本信息，減少人工調查，提高工作效率和質量，對場地改造進行宏觀把控.

高分遙感和無人機航攝可獲取較高分辨率的正射影像圖，可將生態(tài)修復區(qū)域的實際情況直觀地展現出來.該技術可實施監(jiān)測施工進度，加強生態(tài)修復施工管理，有助于把控施工進度，為了解生態(tài)恢復工程的完成情況提供依據.

生態(tài)修復工作是一個長期的動態(tài)過程.完成生態(tài)修復工程后，按照監(jiān)測計劃形成正射影像，對工程治理效果、地貌地物變化進行長期監(jiān)測，能夠幫助評估生態(tài)修復區(qū)的治理現狀，推動生態(tài)修復工作進一步開展［21］.

采用高分遙感和無人機航攝，得出2016年9月—2019年10月間邢臺園博園建設情況變化（圖5）.2016年9月間，對區(qū)域內植被、建筑物等地貌地物等進行了觀測；2017年—2019年8月間，進行了園博園建設全過程監(jiān)測和工程實施進度監(jiān)督；2019年10月，對園博園開放兩個月以來地表植被變化進行了動態(tài)監(jiān)測，可見綠色覆蓋率明顯提高，生態(tài)修復工程初見成效.

圖5 邢臺園博園遙感監(jiān)測連續(xù)變化圖Fig.5 Continuous changes in Xingtai Garden Expo Park by remote sensing monitoring

遙感技術在生態(tài)修復區(qū)獲取基礎資料、施工監(jiān)管和長期監(jiān)測方面均具有積極作用，作為新技術在采煤塌陷區(qū)改造修復進程中，為政府制定決策和生態(tài)修復結果評價提供基礎數據.

3 結論與認識

在邢東礦開展地面物探和遙感工作，成果應用于礦山修復即邢臺園博園建設工程.結果表明：

1）三維地震可準確查明地層起伏形態(tài)、構造發(fā)育情況、采空區(qū)分布范圍；電法勘探能夠圈定采空區(qū)范圍、地層富水性狀態(tài)；遙感技術可連續(xù)監(jiān)測地表地物變化情況，為生態(tài)修復區(qū)域提供基礎數據.

2）在進行礦山生態(tài)修復中，收集前期已開展的物探工作資料，詳細分析數據，能夠指導地質災害防治、生態(tài)修復改造工作.