矿山遥感监测在采空区稳定性分析中的应用

杨显华， 黄 洁， 田 立， 彭 孛， 肖礼晓， 宋新龙

(1.四川省地质调查院,成都 610081； 2.稀有稀土战略资源评价与利用四川省重点实验室,成都 610081)

0 引言

煤炭是我国主要的矿产资源，占全国一次能源生产总量的70%以上，在国民经济中具有十分重要的地位[1]。但在煤矿的开采利用过程中，由于意识、方法和政策等多方面因素，造成了诸多的环境和地质灾害问题[2]，制约着我国社会经济的可持续发展，其中，采空塌陷问题尤为突出。近年来，煤炭资源大规模开采是造成我国采空塌陷的一个主要因素，据全国21个主要采煤省区的统计，采煤地表塌陷的面积多达45亿m2[3]，对区域生态环境和人民生命财产造成了很大威胁。吉林辽源煤矿采空塌陷坑积水成湖，严重破坏了道路、建筑物等基础设施和耕地[4]； 煤炭大省山西因采空塌陷造成了大量耕地被毁、水土流失加重、民房严重遭损、地下水源破坏、山体滑坡频发等严重问题[5]。因此，有效地开展采空塌陷区监测与防治研究已成为我国经济和社会发展紧迫的内在需求[6-7]。充分发挥遥感技术的优势，王钦军等[8]开展了矿山地面塌陷的高空间分辨率遥感识别与边界提取； 刘广等[9]进行了InSAR技术在矿区沉降监测中的应用研究，均取得了较好的效果。近年来，我国实现了全国陆域范围矿山开发环境遥感监测，监测成果已应用于国家矿产卫片执法、矿山环境管护和矿产资源规划等工作中[10-16]。本文基于矿山遥感监测技术方法，获取了四川省筠连煤矿区采空塌陷、矿山开采点和矿山占地等动态变化信息，分析了该矿山开发与采空塌陷相关性因素，对采空区形变稳定性进行了研究。

1 研究区概况

筠连煤矿区位于四川盆地南部山区，地理坐标为E104°34′12″～104°42′36″，N28°04′48″～28°10′12″，总面积约为190 km2。矿区地处云贵高原北缘向四川盆地的过渡区，地形复杂，以中、低山为主。由于受河流和溪沟的切割，在近河溪两侧常形成悬崖峭壁； 在飞仙关组地层与煤系出露地区，崩塌、滑坡等地质灾害广为分布。该区地貌形态为构造侵蚀中、低山区，相对高差为400～500 m，山体坡度为30°～40°，坡角为15°～20°，坡顶植被发育，坡体多为旱地。研究区煤矿资源储量丰富，是全国13个大型煤炭基地之一——云贵基地的重要组成部分[17]。

区内煤矿均属地下开采方式，根据四川省筠连县地质灾害调查与区划报告[18]，县域内煤矿采空塌陷已产生的直接经济损失达1 776.6万元，主要造成了房屋开裂、土地损毁和水资源破坏等问题，仅鲁班山煤矿引发的采空塌陷就造成了16.675 hm2耕地和园地损毁，9个村143户居民紧急搬迁。

2 数据处理与遥感解译

2.1 影像预处理

为保证遥感影像质量和时相的连续性，本文使用的遥感影像数据包括2009年获取的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)假彩色合成显示(图1)。对各期影像数据均进行了正射校正、融合和配准等预处理，其空间分辨率和几何精度可满足1∶5万比例尺矿山开发环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

图1研究区遥感影像

Fig.1Satelliteimagesofstudyarea

2.2 遥感解译

依据“矿山遥感监测工作指南”[19]等相关技术标准，参考采矿权资料(用于判断开采矿山规模和开采年限)，基于多期遥感影像，以ArcGIS为工作平台，开展煤矿开采硐口、矿山占地、崩塌和地裂缝等矿山开发环境信息解译，并在此基础上开展采空塌陷区推测解译。

区内采空塌陷均位于地势陡峭的山区，岩体破碎，活动性断裂发育，致使采矿引发了采空塌陷； 同时极易引发地裂缝、崩塌等次生灾害，形成矿山地质灾害群。由于采空区地势陡峻，植被覆盖好，塌陷坑中通常无积水，一般难以直接从遥感影像中判定采空塌陷区的范围(图2)。

图2 研究区煤矿采空塌陷区范围示意图Fig.2 Coal mine goaf areas in study area

本文主要通过地裂缝、崩塌等灾害标志间接推测采空塌陷区可能存在部位，并参考煤矿采硐口位置、采矿权范围等信息，结合野外实地查证，对采空塌陷区范围进行了推测与圈定。

2.3 解译精度分析

按照矿山遥感监测相关技术规范的要求[20]，研究区矿山开发环境遥感解译结果如图3所示。

图3 矿山开发环境遥感解译与采空塌陷区推测Fig.3 Remote sensing interpretation of mining development environment and goaf subsidence speculation

在研究区内共解译出采空塌陷区及伴生灾害图斑30个，野外验证图斑27个，验证结果显示解译准确图斑26个，解译准确率为96.3%； 解译开采硐口、矿山占地图斑172个，野外抽查58个，验证结果显示解译准确图斑55个，解译准确率为94.8%。对所有误判图斑均进行了修正，以确保本文所提取采空塌陷区、崩塌、地裂缝、矿山开采点及矿山占地图斑信息准确可靠。

3 解译结果与分析

3.1 采空塌陷区(含伴生灾害)变化趋势分析

采空塌陷区、崩塌、地裂缝图斑数量和面积变化情况反映了采空塌陷区形变趋势，如图4所示。2009─2015年间，研究区内采空塌陷区图斑数量未发生变化，采空塌陷区图斑面积和次生崩塌、地裂缝灾害数量经历了先快后慢的增长态势。图5是经几何配准的2期遥感影像，反映了筠连典型煤矿采空塌陷区内崩塌体数量在2009─2012年间不断增多，也间接反映了采空塌陷区在不断扩展中。

(a) 图斑数量变化 (b) 图斑面积变化

图4采空塌陷区、崩塌、地裂缝图斑数量和面积变化趋势

Fig.4Changetrendsofpatternspotamountandareaofminegoaf,collapseandcrack

(a) 2009年 (b) 2012年

图5采空塌陷区内崩塌灾害数量扩展

Fig.5Collapsehazardexpansionwithinminegoafarea

3.2 矿山开发环境与采空区相关性分析

3.2.1 矿山开采点与采空区变化趋势

煤矿正在利用的开采点数量变化情况统计如图6(a)所示。2009─2012年间，大型煤矿开采点数量呈增长趋势，中型煤矿开采点数量保持不变，小型煤矿开采点较快减少； 2012─2015年间，大型、中型煤矿开采点数量保持不变，小型煤矿开采点数量则迅速减少乃至全部停采。

(a) 开采点数量变化 (b) 正在利用煤矿占地面积变化

图6矿山开采点数量和正在利用煤矿占地面积变化情况统计

Fig.6Statisticsforchangeconditionsofminingdiggingpointamountandcurrentlandusearea

1)开采点数量变化因素分析。2009─2012年间，煤矿开采点数量多，以小型、中型开采规模为主。2012年之后，政府持续推进矿业秩序整顿治理和产业结构改革，加之市场对煤炭资源需求下降，大型和中型的国营煤矿开采点数量维持不变，小型规模煤矿均已关停整合。

2)变化趋势相关性分析。煤矿开采点数量、状态、规模与采空塌陷区变化趋势关系紧密。2009─2012年间，中型和小型煤矿开采点数量多，大型煤矿开采点数量迅速增长，反映了煤矿开采规模和开采强度的不断扩大，引起了采空塌陷区面积和次生崩塌、地裂缝灾害数量的快速增长； 2012─2015年间，大型和中型煤矿开采点数量未发生变化，反映了煤矿开采强度保持原状，影响了采空塌陷区面积和次生地质灾害数量缓慢增长。小型煤矿开采点数量快速减少至0，反映了该类矿山开采强度迅速减弱，也减少了对采空塌陷区及次生地质灾害的影响。

3.2.2 正在利用煤矿占地与采空塌陷区变化趋势

正在利用煤矿占地面积变化情况统计如图6(b)所示。与矿山开采点数量变化趋势类似，2009─2012年间，正在利用的大型煤矿占地面积快速增长，2012年后缓慢增长； 正在利用的中型煤矿占地面积则缓慢增长； 正在利用的小型煤矿占地面积快速减少乃至全部停止使用。

分析变化趋势相关性可以看出，正在利用煤矿占地面积变化，反映了开采强度的变化，与采空塌陷区变化趋势也存在相关性。2009─2012年间，研究区内不同规模正在利用煤矿占地面积均快速扩展，反映了矿山开采强度高，对采空塌陷区面积和次生地质灾害数量的快速增长影响较大； 2012─2015年间，正在利用的大型和中型煤矿占地面积均缓慢增长，反映了该类矿山开采强度较高，使得采空塌陷区面积和次生地质灾害数量也缓慢增长。正在利用的小型煤矿占地面积迅速减少至0，基本全部关停，反映了该类矿山开采强度迅速减弱，对采空塌陷区形变的影响也逐渐减小。

综上所述，煤矿地下开采点数量、规模和状态的变化能够影响采空塌陷区发展趋势变化，正在利用煤矿占地面积变化反映了开采强度的不同，与采空塌陷区变化趋势也存在关联性，可通过煤矿开采状态的变化推测出采空塌陷区形变趋势。

4 采空区形变稳定性分析

受矿区内大型和中型煤矿继续开采影响，现有采空塌陷区形变将持续发生，并具有新引发采空塌陷形变的可能性。大型和中型煤矿地下开采区范围属于潜在不稳定区，可通过矿山服务年限和开采深度(根据采矿权信息获取)计算采空塌陷区趋于稳定所需时间。小型煤矿均已停采，按照国家规划将不再延续或设置采矿权[21]，根据所引发的采空塌陷区能够直接计算出形变稳定的时间。

4.1 采空区稳定性分析

4.1.1 稳定性分析方法

根据矿山开采沉陷学的理论和实践，影响地表形变持续时间的因素主要是岩石的物理力学性质、开采深度和工作面推进深度。在其他条件相同的情况下，开采深度与地表形变持续时间之间关系比较稳定，即深度越大形变时间越长，地表变形也越平缓。一般开采深度在100～200 m时，地表形变的总时间为1～2 a； 开采深度大于300 m时，根据国内外研究成果，地表形变时间表达式为[22]

T=2.5H,

(1)

式中：T为地表形变时间，d；H为矿区平均开采深度，m。

4.1.2 煤矿开采深度

根据研究区矿山开发利用方案和采空区数据等相关资料，对区内各煤矿企业开采规模进行分类，统计了不同规模煤矿的开采深度： 该区内大型煤矿开采深度一般在600～820 m，中型煤矿开采深度在300～600 m，小型煤矿开采深度在90～300 m。

4.1.3 采空塌陷持续形变时间推算

根据上述方法，计算出筠连煤矿区不同规模煤矿停采后采空塌陷区持续形变时间(表1)。

表1 不同规模煤矿停采后引发塌陷形变持续时间Tab.1 Lasting time of collapse deformation caused by stopping mining of coal mine in different scales

根据不同规模煤矿开采点分布、开采状态和所属采矿权服务年限，估算出采空塌陷区趋于稳定的最低所需时间(表2)。

表2不同规模煤矿停采引发采空塌陷最低持续形变时间推算

Tab.2Calculationonlowestdeformationlastingtimeofcollapsescausedbystoppingminingofcoalminesatdifferentscales

序号开采规模开采点数量/个开采状态剩余服务年限/a 停采后形变时间/a形变持续时间/a1大型 2正在开采284.2～5.732.2～33.72中型 4正在开采4～62.1～4.2 6.1～10.23小型18停止开采01.0～2.01.0～2.0

4.2 采空塌陷区稳定性分区

4.2.1 稳定性分区范围

采空塌陷区稳定性分区范围是指已形成采空塌陷的区域和目前正在开采的大型和中型煤矿地下开采范围(根据采矿权所反映的煤矿地下开采范围)，主要对该范围内未来采空塌陷形变趋势进行预测分区。对于目前未发生采空塌陷且未来不存在煤矿地下开采的区域则不作评价分区，直接划分为预测无形变威胁区。

4.2.2 稳定性分区标准

根据煤矿开采点分布情况及其所属采矿权范围(地下开采范围)，基于最新遥感影像，结合野外实地调查情况，综合判断并划分为近期趋于稳定区、中期持续形变区、远期持续形变区、预测新增形变区和预测无形变威胁区5类，判断标准如表3所示。

4.2.3 稳定性分区结果

根据采矿塌陷区稳定性预测分区标准，综合分析遥感解译成果，将研究区划分为11个采矿塌陷形变预测区块，分区结果如表4所示。

表4 采空塌陷稳定性分区结果Tab.4 Categorized results of stability of collapses in mine goaf areas

采空塌陷区形变趋势分区预测如图7所示。

图7 采空塌陷区形变趋势分区预测Fig.7 Categorized deformation trend prediction of collapses in mine goaf areas

4.3 采空区防治对策建议

4.3.1 预测新增形变区

1)有效的预测预报。矿区开采沉陷分布规律与许多地质采矿因素有关，如煤层倾角、开采厚度、开采深度、顶板管理方法及松散层厚度等。不同矿区的地质采矿条件往往差异较大，开采沉陷分布规律亦有区别。因此，在本次分区基础上，科学布设地表观测站，总结出矿区开采导致采空区形变的分布规律，从而有效预报地面塌陷趋势，判别地表设施是否受开采影响和受开采影响的程度，作为矿区恢复治理的依据[23-24]。

2)积极采用先进的采煤新技术。在已经取得的大量地表沉陷规律和绿色采煤方法的基础上，积极应用充填开采、协调开采技术和部分开采技术等新方法进行煤矿开采，从而减轻由于大量开采引起的地层形变与沉降。

4.3.2 持续形变区

主要包含近期趋于稳定区、中期持续形变区和远期持续形变区，即属于已发生的开采沉陷区。治理方法包括塌陷区填平和塌陷区合理利用。

1)塌陷区填平是将塌陷区进行回填，利用废石和泥土填充塌陷区，使地表基本恢复原形。

2)设立警示标志。在采空塌陷区、崩塌区域设置警示牌，提醒过往行人和车辆，以减小灾害造成的危害。

5 结论与建议

1)本文基于多期遥感影像，使用矿山遥感监测技术方法对采空塌陷区形变稳定性进行了分析，对塌陷区形变趋势进行了预测和分区，可为采空塌陷区地表观测点的设置和塌陷区防治工作等提供基础资料。

2)根据遥感监测结果，分析了四川省筠连煤矿区2009─2015年间煤矿开发环境状态变化与采空塌陷发展趋势的相关性，总结出煤矿地下开采点数量、规模、状态的变化能够影响采空塌陷区发展趋势变化。矿山占地面积的变化反映了开采强度的不同，与采空塌陷区变化趋势存在着关联性。

3)根据遥感监测结果和采矿权等资料，采用塌陷区稳定性分析方法，分析了各煤矿开采区范围、开采状态、开采深度和服务年限等信息，推算出采空塌陷区持续形变和新增形变信息，编制了采空塌陷区形变趋势分区预测图，提出了下一步防治采空塌陷形变的对策和建议。

4)受国家矿业整顿治理政策和矿业市场需求减少因素影响，近年来大量小型煤矿均已停止开采，新建设了一批大型国营矿山，矿山开采状态的新变化也将对采空塌陷区形变趋势造成新的影响。建议基于矿山遥感监测方法，持续开展和进一步深化采空塌陷区形变趋势的分析和研究。

志谢： 本文得到了尹显科、蒋华标、韩磊、范敏和许鹏等同仁的帮助，在此表示衷心的感谢！