摄影测量与遥感在煤层自燃区监测治理中的应用

房巨山

(中煤航测遥感集团有限公司,陕西 西安 710199)

我国是一个以煤炭为主要能源的国家，目前煤炭在能源生产和消费中比例仍占70%以上；煤炭资源的开发在保障国民经济发展需要和创造巨大经济效益的同时，引发的矿山环境地质问题也十分突出；许多矿区地质环境破坏已超过区域环境的承载力和自然恢复能力，成为制约区域经济可持续发展的重要因素。位于陕西省北部的神府煤田是中国和世界特大煤田之一，它以巨大的侏罗纪煤炭储量而闻名于世，多处矿区发生煤层自燃，严重影响了煤矿安全生产、居民安全和生态环境。因此，对煤层自燃区的灾害综合治理已成为亟待解决的问题。

本文以陕西省榆林市杨伙盘煤矿煤层自燃区治理项目为试点，采用摄影测量与遥感技术，结合传统野外地质环境调查及红外测温技术，提取火区基础信息，参考火区历史资料，精确确定火区分布范围及特征等，为煤层自燃区综合治理提供强有力的技术支撑，建立了一套切实可行的煤火治理解决方案和作业模式。

1 研究背景

榆林市杨伙盘煤矿30108综采面地表火区[1]的存在，严重制约了下伏3-1煤的正常开采，对煤矿安全生产和居民生活造成了巨大威胁，致使杨伙盘煤矿30108综采工作面无法按原计划推进，并严重破坏了矿区生态环境。因此，为解放下伏3-1煤层，保证30108综采面安全生产，火区治理工作迫在眉睫。

2 技术路线

本次煤层自燃灾区基础信息获取以航天遥感、航空摄影测量及GPS定位技术为主要手段，结合外业测温及地质环境调查验证，在充分收集矿区以往资料的基础上，进行自燃灾区特征的综合分析，从而精确圈定火区范围及主要特征点分布。以摄影测量与遥感技术获取的基础信息对火区进行综合治理[2]；通过选用剥挖方法、回填、复垦复绿工程改善火区生态环境，后期通过无人机热红外遥感技术对灭火效果及生态环境恢复情况进行监测与评价，其工作流程如图1所示。

图1 项目技术路线图

3 摄影测量与遥感技术工作

3.1 航天遥感调查

遥感解译工作在影像解译标志建立工作基础上，根据遥感影像的色调、纹理特征，以人机交互解译为主。煤层火区在图像[3]上往往因烟雾及热气蒸发呈现白色或浅色调，其形态受火区范围和着火点决定，一般呈长条带状、斑点状。

根据煤层自燃的不同程度在遥感图像上显示出的影像特征、规律所建立的遥感地质解译标志或影像单元，并在遥感图像上直接解译提取出煤层自燃现象信息，实现自燃火区范围的解译圈定与自燃阶段划分。

本次调查使用了三个时段的高分影像(2009年、2011年、2013年)作为火区遥感调查和火区动态监测影像，根据清晰度判断，三个时段的图像分辨率分别为5 m、0.5 m、0.5 m，图像层次清晰，分辨率符合实际标准，无云层覆盖，所有火区地形地物一览无余，满足火区解译影像要求。

通过对2009年、2011年、2013年三期影像数据解译，对杨伙盘煤矿火区进行了动态观测，研究其燃烧特征，预测发展趋势。

在2009年6月的影像中可见，如图2所示，在现今火区西北处有一白色斑状影像，周围植被因受煤层自燃高温烘烤而枯死，呈黄褐色片状，表明在2009年时该处煤层已发生自燃现象。同时，现今火区处地表裂隙与现在相比尚不发育，地表植被尚未发生明显变化，表明现今火区处在阴燃状态。

图2 2009年遥感影像图

另外，通过地表实地调查，在该处火区北部沟底自西向东发现大量烧变岩[4]存在，表明该处煤层自燃方向为由西向东蔓延。

2011年3月影像中可见，如图3所示，与2009年影像同一位置及西南方向各有一处白色斑状影像，为煤层自燃释放的烟、气体，白色斑状周围岩土体颜色明显异于其它地点，为煤层自燃引起岩土体内水汽蒸发凝结所致。另外，在现今火区处可见地表裂隙较2009年影像相比，已进一步发展，表明自燃煤层已进一步燃烧。

图3 2011年遥感影像图

2013年9月影像中可见，如图4所示，与前两期影像不同处在于，植被茂盛、分辨率提高，前两期影像中的白色斑点已不存在，表明煤层自燃熄灭，原自燃区已被植被覆盖。

图4 2013年遥感影像图

与此同时，在现今火区位置出现两处明显植被变化，呈褐色片状分布，为煤层自燃使植被被烘烤枯死所致。表明该处煤层较2011年时已进一步燃烧，但未发现明火，并且现今火区地表裂隙较前两期图像明显发育。

3.2 摄影测量与遥感解译

煤层自燃引起上覆地层、地貌、植被的一系列变化[5]，这些变化反映在岩性、结构、构造、岩层厚度、含水程度、山脊、冲沟形态及斜坡相对高差、地表影像色调等方面。而航空摄影以其高分辨率、航线灵活机动等特点很好的将上述地表变化直观的显现在影像图上。

3.2.1 航空摄影

本次采用无人机航空摄影获得影像数据[6]，成像时间为上午10:51～11:06。原图像的分辨率为3.8 cm，航高258 m，共计235幅图像，每幅图像分别同步记录像主点的X、Y、Z坐标。每幅图像像素3 630万，分辨率7 360×4 912。影像清晰，色彩鲜明，反差适中，没有云彩影响。航片航向重叠度大于75%，旁向重叠度大于55%，可满足1:2 000比例尺航测成图及火区遥感调查要求。

航空摄影共进行了一架次的飞行，总航程24.3 km，总体呈EW长条展布，长宽各1 km，面积1 km2，航摄方向EW向，航线示意图如图5所示。

图5 飞行航线示意图

3.2.2 图像预处理

本次图像获取后通过图像预处理，调整不同时段因为光照不同导致的亮度差异，同时还调整了从相机画幅中心向边缘逐步严重的亮度衰减，保证每一幅图像画面的总体亮度均衡。

在完成亮度均衡化处理后[7]，利用Pix4D软件进行拼接处理，把235幅图像拼接为一幅整体图像。利用ENVI软件对图像进行几何校正、精度检查、图像亮度重采样等处理，获得正射影像图，以便后续分析解译。

3.2.3 图像解译

通过ENVI软件增强处理，使得图像上的火区信息得到更明显的表示，圈定火区的基本范围和相对强度，对火区的探测起到了定性解释的目的。地下煤层燃烧，热量一方面沿裂隙向地表逸出，一方面通过岩石的热传导作用，在地表形成热异常区，对地表植被、水系造成影响，使火区范围植被生长情况异于周围植被。在真彩色遥感图像上煤层自燃的解译标志[8]有：

(1)地表平行裂隙[9]

这是由于煤层燃烧导致的梯次垮落在地表的表现。当煤层在地下燃烧后，空间体积大幅缩减，上覆地层失去支撑而下陷，与相邻地层之间出现断裂，裂隙由此产生，如图6所示。地表裂隙的宽度和塌陷的幅度取决于上覆岩层的力学强度和厚度等因素。这种裂隙是一种开放的空气通道，为后续的煤层燃烧提供了氧气，使得相邻的煤层继续燃烧，并产生新的裂隙。

图6 地表裂隙遥感影像图

(2)气

在真彩色高分辨率遥感图像上，一些火点出现烟气标志。烟和水汽是煤层自燃的两个不同阶段的典型挥发物。水汽发生在煤层自燃初期和后期，温度显著偏低，主要是煤层及通道沿线的水分在低温烘烤状态下，挥发到地表后受到冷空气的降温，迅速冷凝形成白色团块状水汽，如图7所示。烟气通常是煤层在剧烈燃烧时产生的多种有害气体的混合物，随着燃烧程度的不同，表现为不同的颜色，通常烟气的温度比较高，温度越高，颜色越浅。

图7 地表烟、气遥感影像图

(3)植被的颜色

煤层燃烧会导致地表植物的枯死，受到地下高温烘烤的地表植被要么发黄、要么枯死，与相邻的地表植被有强烈的反差，如图8所示，因而可以作为活火区的解译标志。

图8 地表植被遥感影像图

煤层自燃造成的裂隙在航空摄影影像图上显示明显，呈条带状分布，现今火区东南部可见团块状烟雾，西部影像可见明显白色斑状为煤层自燃引起地表水蒸气凝结，如图9所示的红色线圈区域。

图9 无人机航摄正摄影像图

3.3 地面红外辐射温度测量

在航空摄影的同时，野外测温[10]和地质环境调查也同步进行。以火区为中心，布置网格状测点，如图10所示，逐点测量各点的地表温度，并采用GPS-RTK技术精确测量其三维坐标。布点时尽量控制火区边界，包括裂隙断点、沟壑陡坎边界、地面出现的各个蒸汽凝聚点(霜冻密集点)、植被枯黄差异点等。以求准确确定火区边界，预测火区发展趋势。

图10 火区调查及测温点分布图

在一个火区中，地表热辐射温度在35～100 ℃之间，称一般活火区；辐射温度>100 ℃的区段，称强火带。不同的辐射温度构成了火区结构。

通过红外测温仪测量成果显示火区东部最高温度为258.06 ℃，西部温度为-12.8 ℃，表明火势东部强、中西部次强，西部弱，如图11所示。根据野外测定的温度，拟合编制地表温度图，再以高于背景温度(-10 ℃)5 ℃为底限，圈定火区总面积约3 848 m2。

图11 煤层自燃实测等温图

3.4 野外遥感地质、生态环境调查

地质调查与野外测温同步进行。在航天、航空遥感图像上，通过火区信息提取[11]，圈定出火区范围和火区相对强度，在最后划出较为准确的火区边界时，则要与野外的实际验证配合进行。

3.4.1 地貌与裂隙

火区地表破碎、塌陷及裂隙发育程度，尤其火区后缘裂缝是圈定火区的重要依据。火区后缘裂缝[12]是指活火区与待燃烧区之间出现的连通地表的裂隙(带)。在裂缝口具有火区的一些重要特征，诸如冒热气、烟雾，形成热浪，逸出有毒气体。火区后缘的裂缝大多陡立，具有高角度特征，在利用后缘裂缝确定地下火区边界时，可充分利用这一特征。本次调查结果证明此方法确定火区状况的可靠性很大。

3.4.2 植被效应

煤层自燃引起地温及湿度变化、有害气体逸出，对火区地表附近的植被生长产生极大的影响和危害，尤以火区裂隙附近植被枯黄、枯死现象明显。

3.4.3 烧变岩

烧变岩的观察和描述是圈定和研究死火区的重要方法。按岩石烧变程度可将烧变岩从强到弱分为熔渣状、板片状、层块状三类，对烧变岩厚度、纵向和横向变化、烧变端点等进行详细观察、描述与分析。

3.4.4 小窑

研究表明，煤层火区的形成和发展与小煤窑开采关系密切。近代小煤窑的大量出现是造成火区发生与发展的重要因素。小煤窑多沿煤层露头开采，由于采掘过程中的管理不善，极易引发新的小煤窑着火使得小煤窑巷道之间，甚至采空区之间接连发火，当某一小窑发生火灾时，火势便迅速蔓延到左右其它小窑，在小窑与地表浅部煤层形成自燃火区。

4 火区特征

(1)杨伙盘煤矿煤层自燃火区属于一般火区，其特点是火区范围小，火势处于阴燃或个别明火状态，火区发展速度缓慢，灾害轻，容易治理。

(2)根据三期高分影像图和真彩色正摄影像以及热红外测温数据显示，杨伙盘煤矿2-2煤层自燃火区有沿煤层走向方向自西向东蔓延趋势，即沿上覆地层裂隙走向发育的趋势，如治理不及时有继续向煤层深部燃烧危险，应引起足够重视。

5 灭火方法选取与施工

5.1 灭火方法选取

目前国内外对治理煤层火灾有许多行之有效的方法，而在陕北地区所采用的灭火方法，按其施工方式主要分为三类：灌注灭火法[13]、剥离灭火法[14]、风控式灭火法[15]。通过遥感调查可知，杨伙盘煤矿着火时间较长、燃烧范围小。火区位于黄土梁峁处，地形较复杂，自燃引发的地表裂隙发育，以 NE45°为主，平行而连续发育，间距在 2.5～5.8 m 之间，分布范围长约100 m，宽近 40 m，为煤层沿着风氧化带自燃，不断向深部推进引发的裂隙；另一组裂隙为 NW45°，间距 6～10 m，稀疏不连续，为第一组裂隙形成过程中出现的差异沉降引起的次生裂隙。裂隙的发育，构成了良好的供氧通道，对灌注式灭火和风控式灭火不利。同时，在开采下组煤时，势必造成上覆地层的垮塌，采动裂隙再次成为 2-2煤层的通风供氧通道，足可使治理后的火区再次复燃，重新威胁井下安全生产。

因此，剥离法是杨伙盘煤矿最佳的灭火法，该方法灭火彻底，且施工周期较短。即在剥离表土及自燃煤层后，再对煤层露头进行覆盖、压实处理，对底板裂隙进行灌浆封堵，并对塌陷坑采取填埋措施，以断绝下伏煤层的氧气通道，最后再对覆盖区进行植被复垦。

5.2 灭火工程实施

施工工序具体流程为：基础设施建设(简易公路、供水管路、简易生产生活设施等)——上覆黄土剥离——排弃——超前洒水降温——煤层上覆基岩剥离——排弃——煤层露头黄土封堵——剥离坑回填、整平——黄土覆盖——绿化复垦。

6 灭火效果与后续监测

在灭火施工工程中及完工后，对火区进行了两次遥感影像监测及热红外测温，结果表明杨伙盘煤矿火区的灭火施工达到了预期目标，昔日烟雾弥漫、纵横交错的裂隙已彻底清除，火区复垦后地表已长出郁郁葱葱的植被，植被正在迅速恢复中，如图12所示。地表温度从灭火前258 ℃的高温恢复到常温，火区的地表已被绿色植物覆盖。经过对大量的火区监测原始数据的收集、整理和分析，表明火区灭火效果已达到煤田灭火规范的要求，火区燃烧煤层已彻底挖除，火灾得到了彻底治理。

图12 绿化复垦后景观

7 结 论

本文利用测绘地理信息学科专业技术结合传统的野外地质、生态、人文环境调查及专业传感器的使用，高质量完成了杨伙盘煤层自燃灾害综合治理工程。在其过程中，摄影测量与遥感、GPS定位等技术充分发挥快速、精准获取灾区范围、地形地貌、地质生态环境、灾害程度及灾区特征点分布等综合信息的优势，为灾害治理的方案制定、工程实施及效果的后续监测与评价等全过程提供了强有力的技术支撑，展现了其技术的核心指导作用，建立了一套切实可行的煤火治理解决方案和作业模式。