基于WorldView-2數據的烏東煤礦地質災害遙感調查及成因分析

王瑞國

(神華地質勘查有限責任公司, 北京　100085)

基于WorldView-2數據的烏東煤礦地質災害遙感調查及成因分析

王瑞國

(神華地質勘查有限責任公司, 北京100085)

摘要：烏東煤礦由采礦活動引發的地質災害主要有地裂縫和地面塌陷。查清礦區地質災害類型、規模和分布，分析地質災害成因、危害程度和發展趨勢，對煤礦綠色礦山建設和可持續發展至關重要。以WorldView-2數據為依據，在建立遙感解譯標志基礎上，采用遙感解譯與野外驗證相結合、人機交互解譯與計算機自動信息提取相結合的方法，圈定了烏東煤礦由采礦活動引發的地質災害點及其集中發育區，測量了地質災害體的展布方向、幾何參數和影響面積。經分析，烏東煤礦地裂縫和地面塌陷的特殊形態和分布特征主要是煤層賦存狀況、井田開采工藝及煤層頂板管理方式、煤層頂底板巖土工程穩定性等因素共同作用的結果，從而為烏東煤礦相關部門進行地質災害防治決策提供了依據。

關鍵詞：地質災害； 遙感調查； 成因分析； 烏東煤礦

0引言

井下煤礦中由采礦活動引發的地質災害主要有地裂縫和地面塌陷等。頻繁發生的地質災害不但嚴重破壞礦區生態環境，而且嚴重威脅煤礦安全生產[1-3]。

多年的地下開采常常造成局部地區出現地裂縫并伴有區域性大面積的地面塌陷，這種變化兼有漸變和突變的特點。常規監測方法一是設置儀器，定點、定時監測； 二是組織人員巡查。2種方法對地面塌陷發展過程的宏觀監測都有一定的局限性，確定地面塌陷范圍或地裂縫展布特點等有較大難度，而且數據更新效率較低。

WorldView-2衛星數據具有多個光譜波段和較高的地面分辨率，對確定采空塌陷區邊界、解譯地裂縫、圈定地裂縫發育集中區范圍具有明顯的優勢，已成為煤礦生態環境調查的重要遙感信息源[4-5]。因此，筆者在參與實施“神華礦區環境調查與環境治理綜合研究二期工程”中，基于WorldView-2數據，在建立遙感解譯標志基礎上，采用遙感解譯與野外驗證相結合、人機交互解譯與計算機自動信息提取相結合的方法，圈定了烏東煤礦由采礦活動引發的地質災害點及其集中發育區，測量了地質災害體的展布方向、幾何參數和影響面積，取得了較滿意的效果。

1烏東煤礦區概況

烏東煤礦位于新疆維吾爾自治區烏魯木齊市米東區鐵廠溝鎮，距烏魯木齊市34km，離米泉縣約13km(圖1)。

圖1　烏東煤礦位置示意圖

烏東煤礦由原鐵廠溝煤礦、堿溝煤礦、大洪溝煤礦和小紅溝煤礦于2008年整合而成，隸屬于神華新疆能源有限責任公司。烏東煤礦的煤炭開發始于20世紀50年代初，現有生產礦井4對，設計生產能力6Mt/a。

1.1自然地理

烏東煤礦位于天山山脈博格達山北麓，呈山前丘陵剝蝕地貌。區內地勢南高北低，最高海拔934m，最低海拔739.2m，最大相對高差130m，一般高差60m。礦區屬中溫帶大陸性干旱-半干旱氣侯，冬季長而嚴寒，夏季短而炎熱，春季天氣多變，秋季降溫迅速。年平均氣溫6.5℃，年平均降水量270mm(主要集中在5—7月份)，年蒸發量2 090mm。區內地表水均屬內流水系，自西向東有蘆草溝、鐵廠溝等季節性河流，均發源于博格達山北麓，由南向北流淌，最終消失于古爾班通古特沙漠。礦區土壤類型以灰漠土和灌溉灰漠土為主。植物種類主要有刺薔薇、吐爾條、鐵桿蒿和黃花苜蓿等。

1.2地質礦產

烏東煤礦的地層屬南準噶爾—北天山地層分區。根據地表露頭及鉆孔揭露，自下而上主要發育中生界侏羅系、白堊系下統，新生界新近系上新統和第四系上更新統、全新統。礦區地處烏魯木齊山前坳陷東段，發育有八道灣向斜、七道灣背斜以及與其相伴的走向逆沖斷層[6]。區內含煤地層為中侏羅統西山窯組(J2x)，煤層共計54層，總厚度169.80m； 其中可采煤層25層，總厚度135.48m。單層煤層厚度0.62～30.01m，以中厚煤層為主，次為厚煤層和巨厚煤層，薄煤層較少。八道灣向斜SE翼煤層傾角83°～89°，NW翼煤層傾角43°～51°，均屬急傾斜煤層[7]。

1.3地質災害

烏東煤礦多年來由采礦活動引發的地質災害主要有地裂縫和地面塌陷2種類型，其中地面塌陷按其地表表現形式可分為塌陷漏斗和塌陷帶。地質災害集中發育區主要分布于原堿溝煤礦、大洪溝煤礦和小紅溝煤礦采空區上方，整體呈EW向分布。此外，原鐵廠溝煤礦內主要為地面塌陷漏斗，其規模相對較小。由于地面塌陷、地裂縫災害的影響，礦區內地下含水層遭到較嚴重破壞，引發的礦井涌水量較大； 地面塌陷造成區內地形地貌局部遭受了“毀滅性”的破壞，草地資源破壞嚴重?？傮w上，烏東煤礦災害影響規模達到小―中型。

近年來，烏東煤礦針對區內地質災害采取了積極的防治措施，主要實施了地面塌陷區和地裂縫綜合治理工程。其中，對原大洪溝煤礦重點地段的地面塌陷區進行了機械回填和平整，植樹種草恢復植被； 對重點區域地裂縫進行了全面黃土回填治理，取得了較好的成效。

2遙感數據源

與QuickBird數據相比，WorldView-2數據新增了4個多光譜波段，提高了空間分析能力，使獲取的地物影像更清晰、位置更準確，可大大提高目標地物信息的提取和制圖能力，對確定煤礦采空沉陷區邊界、解譯地裂縫和圈定地裂縫發育集中區范圍具有明顯的優勢。 本文選取了2011年7月4日獲取的WorldView-2數據，作為進行烏東煤礦地質災害遙感調查及成因分析的基本數據。

3研究方法

本文充分利用WorldView-2高分遙感數據，在GIS技術支持下，采用人機交互解譯與計算機自動信息提取相結合、室內綜合研究與實地調查相結合的技術路線，完成對烏東煤礦地質災害遙感調查及成因機理分析(圖2)。

圖2　技術路線流程圖

首先，進行情況調研，開展野外踏勘，初步掌握礦山開發現狀。對典型礦山和礦區進行野外GPS定點、拍照、分析遙感影像特征，為建立室內遙感解譯標志提供依據。

其次，對WorldView-2數據進行圖像預處理，包括圖像波段選擇、幾何配準與數據融合、圖像輻射校正、勻光與色調增強等。其中，圖像合成選擇紅、綠、藍波段組合，影像較清晰，色彩較豐富，能較好地反映地面塌陷信息，具有較高的地質災害可解譯性。用于正射糾正的控制點主要來自已有的2.5m分辨率的SPOT5影像底圖。在圖像融合方法選擇上，充分考慮了圖像本身的特點，選用了四則運算方法[8-10]。

再次，基于WorldView-2正射影像，采用人機交互解譯方法，對礦區開展了比例尺為1∶5 000的礦山地質環境遙感解譯，進一步補充和完善礦山地質背景調查工作，并對典型的地質災害(地裂縫、地面塌陷漏斗、地面塌陷帶)建立遙感解譯標志[9]。在此基礎上，結合遙感和地學知識、特殊的地形地貌影像組合和地質體影像組合進行地質災害專題解譯。同時，根據已有的地質資料和遙感數據，對所提取的地質災害信息做出預判，做好遙感圖像處理與信息提取結果的驗證工作[11-13]。結合外業踏勘，查清礦山開發所引發的地裂縫和地面塌陷等災害的分布、規模和嚴重程度等情況。

最后，結合已有的煤礦采空區、采掘工藝及頂板管理方式和煤礦地層、煤層上覆巖體工程穩定性等信息，進行煤礦地質災害成因機理的綜合分析研究。

4地質災害遙感調查

烏東煤礦由采礦活動引發的地面塌陷按形態可分為漏斗狀、長條狀2種類型； 地裂縫則主要為按一定方向排列的張性裂隙。地裂縫和地面塌陷大多分布在煤礦采空區上方，均不同程度地破壞了原始地形和地貌。在遙感圖像中，地裂縫和地面塌陷分別具有特殊的色調、形狀、紋理和排列、組合方式，與周邊地物差異明顯，多數可直接識別。

4.1遙感解譯標志

4.1.1地裂縫

地裂縫是因地面發生形變而形成的地表張性裂隙，大多呈平行排列或斜列，具有明顯的方向性、長度和寬度，裂縫兩側地面多發生垂直升降的錯位變化。在遙感圖像中，地裂縫顯示為長短不一、深色或淺色的色線或條紋，平行排列或斜列，往往密集成帶。規模較大的地裂縫邊界呈鋸齒狀，垂直錯位陡坎清晰可見，地裂縫寬度越大則顯示得越明顯(圖3)。

(a)WorldView-2 圖像 (b) 野外照片

圖3烏東煤礦地裂縫遙感影像特征

Fig.3RemotesensingimagefeaturesofgroundcracksinWudongcoalmine

區內規模較大的地裂縫多切割了地形、地貌，在植被稀疏地區解譯效果較好，在植被稠密地區則識別困難； 限于遙感圖像的空間分辨率，規模很小的地裂縫難以識別。

4.1.2地面塌陷漏斗

塌陷漏斗呈圓形、橢圓形漏斗狀，一般塌陷半徑小于塌陷深度。烏東煤礦地面塌陷漏斗遙感影像見圖4。

(a)WorldView-2 圖像 (b) 野外照片

圖4烏東煤礦地面塌陷漏斗遙感影像特征

Fig.4RemotesensingimagefeaturesofgroundsubsidencefunnelinWudongcoalmine

由圖4可知，烏東煤礦地面塌陷漏斗的遙感影像清晰，容易識別。煤礦塌陷漏斗有的成群分布，有的沿煤層走向呈串珠狀排列，構成塌陷漏斗帶。在遙感圖像中，塌陷漏斗顯示為淺色調的負地形，圓形、橢圓形輪廓清晰； 多個塌陷漏斗呈串珠狀排列，線性特征明顯。

4.1.3地面塌陷帶

烏東煤礦塌陷帶呈長條形，沿煤層走向斷續分布，塌陷帶兩側陡坎對稱或不對稱，多呈“V”形。在遙感圖像中，塌陷帶顯示為淺色色調異常帶； 塌陷形成的陡坎形態清晰，其向陽一側色調明亮，背陰一側陰影明顯，塌陷帶遙感影像解譯效果較好(圖5)。

(a)WorldView-2 圖像 (b) 野外照片

圖5烏東煤礦地面塌陷帶遙感影像特征

Fig.5RemotesensingimagefeaturesofgroundsubsidencebeltinWudongcoalmine

4.2遙感調查結果

經遙感解譯和野外驗證，在烏東煤礦共發現地裂縫133條(群)，影響面積76.53hm2； 地面塌陷354個(帶)，影響面積113.16hm2。地質災害影響的面積共計189.69hm2，占礦區總面積的9.35%(圖6)。

圖6烏東煤礦地質災害分布圖

Fig.6DistributionofgeologicaldisastersinWudongcoalmine

4.2.1地面塌陷

烏東煤礦地面塌陷主要分布于原堿溝、大洪溝和小紅溝煤礦，原鐵廠溝煤礦地面塌陷狀況相對較少。其中，地面塌陷漏斗330個，影響面積24.42hm2； 地面塌陷帶共24段，影響面積88.74hm2。

1)地面塌陷帶。位于礦區南部，包括2條貫穿礦區的“V”形塌陷帶，展布方向NE62°，兩者相距25～100m。其中，南“V”形塌陷帶共12段，斷續延伸約5.34km； 北“V”形塌陷帶共12段，斷續延伸約6.04km。單段塌陷帶呈歪斜的“V”形，長150～1 300m，頂部寬30～165m，落差30～40m。

2)地面塌陷漏斗帶。位于北“V”字形塌陷帶北側，與塌陷帶展布方向近乎平行，兩者相距50～150m。由271個大小不同的塌陷漏斗組成。單個塌陷漏斗SN向稍長、EW向略短，直徑10～30m，深度20～50m，塌陷漏斗間最近距離3～5m。此外，在原鐵廠溝煤礦中部也有地面塌陷漏斗分布。塌陷漏斗帶共有59處。

烏東煤礦地面塌陷具體分布情況詳見表1。

表1　烏東煤礦地面塌陷分布一覽表

4.2.2地裂縫

地裂縫主要分布于原大洪溝、小紅溝和堿溝煤礦，原鐵廠溝煤礦地裂縫相對較少。地裂縫大多分布在“V”形塌陷帶兩側各500m范圍內，走向NE51°～59°，呈密集、階梯狀展布。單體地裂縫長30～200m，寬0.1～0.5m，最大落差2m左右，間距一般為0.5～3.3m。烏東煤礦地裂縫野外驗證結果如表2所示。

表2　烏東煤礦地裂縫野外驗證結果

綜上所述，烏東煤礦由采礦活動引發的地裂縫和地面塌陷地質災害的發育規模等級為小―中型。

5地質災害成因分析

通過遙感調查與綜合分析，本文認為烏東煤礦地裂縫和地面塌陷的特殊形態和分布特征主要是由煤層賦存特征、井田開采工藝及煤層頂板管理方式和煤層頂底板巖土工程穩定性等3方面因素共同作用的結果。

5.1煤層賦存特征

烏東煤礦含煤地層為中侏羅統西山窯組(J2x)，劃分為上、下2個含煤巖段、4個煤組。Ⅰ煤組位于上巖段上部，可采煤層6層，與Ⅱ煤組平均間距為65.56m； 其中20#～22#煤為巨厚煤(平均厚度9.84m)，其他5層均為中厚煤層。Ⅱ煤組位于上巖段下部，可采煤層15層，與Ⅲ煤組平均間距78.11m； 其中厚煤層5層、中厚煤層7層、薄煤層3層。Ⅲ煤組位于下巖段上部，可采煤層3層，與Ⅳ煤組平均間距82.92m； 其中43-3#煤為厚煤層(平均厚度為6.27m)，43-1#和43-2#煤為巨厚煤層(平均厚度分別為11.42m和20.25m)，俗稱“北大槽”。Ⅳ煤組位于下巖段下部，可采煤層1層(即45#煤)，平均厚度30.01m，屬巨厚煤層，俗稱“南大槽”。

原堿溝煤礦、小紅溝煤礦和大洪溝煤礦地處八道灣向斜南翼，主采煤層為“北大槽”和“南大槽”，煤層傾角83°～89°，屬急傾斜厚-巨厚煤層。由于煤層開采后采空區均呈條帶狀，所以采空區地面塌陷也呈條帶狀。又因各煤組、煤層間都有一定的間距，故煤層開采后形成了數個條帶狀采空區，最終導致數個地面塌陷帶縱貫礦區(圖7)。因此，烏東煤礦煤層賦存的地質特征是導致地質災害誘發的主導因素。

圖7烏東煤礦采空區與地面塌陷關系圖

(據馬利軍等[7]資料修編)

Fig.7RelationshipbetweengoafandgroundsubsidenceinWudongcoalmine

5.2井田開采工藝及煤層頂板管理方式

烏東煤礦礦界內的地方小煤窯都采用倉儲式開采工藝，沿煤層走向形成多個方格狀采空區，煤層頂板采取自然垮落管理方式，故地面塌陷均為漏斗狀，并沿煤層走向呈串珠狀排列，構成塌陷漏斗帶。原堿溝、小紅溝和大洪溝煤礦均采用“綜采放頂”開采工藝，采空區沿開采方向呈條帶狀展布，煤層頂板采取人工放頂管理方式，故地面塌陷亦呈條帶狀，并伴有地裂縫發育。因此，不同的開采工藝及煤層頂板管理方式，是導致地面災害發生及影響范圍大小的重要因素。不甚合理的采礦工藝及煤層頂板管理方式可能導致更加嚴重的地質災害發生。

5.3煤層頂、底板巖(土)體工程穩定性

烏東煤礦各煤層均有偽頂、直接頂、老頂及老底巖(土)體。偽頂巖性一般為泥巖或炭質泥巖，厚度0.3～3.5m； 直接頂巖性大部為粉砂巖，部分為砂質泥巖，厚度0.6～4m； 老頂巖性大部為粉砂巖、細砂巖或中砂巖； 老底巖性為泥質細砂巖、中砂巖或砂質泥巖，厚度1～6m。偽頂和直接頂的巖(土)體工程穩定性較差，在目前開采條件下大部分隨回采垮落； 老頂巖(土)體厚度大、較堅硬，工程穩定性雖較好，但由于煤層陡立，也易隨煤層的垮落而垮落； 只有老底巖(土)體堅硬，工程穩定性好，不易垮落。

經實地調查，烏東煤礦地面塌陷帶大體沿煤層底板和偽頂界面發育。由于煤層底板巖層傾向與山坡坡向相同(屬順向坡)，所以不易垮落； 偽頂以上巖層傾向與山坡坡向也相同(亦屬順向坡)，但因偽頂以上巖層已失去支撐，所以在重力作用下容易垮落，形成向山坡內側傾斜的邊坡。因此，礦區內塌陷帶均呈不對稱的“V”形。鑒于礦區內的部分煤層頂板工程穩定性差，建議應合理布署部分煤層的開采層位與開采強度，以降低其對地質災害的影響程度； 并在可能出現地質災害的地段，注意加強預防治理工作。

此外，區內地裂縫都是地面形變初期或偽頂以上巖層垮落時形成的張性裂隙，因此其走向與“V”形塌陷帶展布方向基本平行。

綜上分析，烏東煤礦在煤層賦存特征、井田開采工藝及煤層頂板管理方式和煤層頂、底板巖(土)體工程穩定性等3方面因素的影響下，形成了礦區從S向N依次分布“V”形地面塌陷帶、地裂縫和地面塌陷漏斗的特有的空間分布特征。上述特征可為地質災害成因、危害程度和發展趨勢分析以及礦區環境恢復治理方案制定等提供依據。

6結論

1)烏東煤礦經過60多a的開采，礦區土地資源、地形地貌和地下含水層都遭受了嚴重破壞。隨著煤炭資源的深度開發，礦區生態環境將會進一步惡化。針對礦區生態環境現狀，神華新疆能源有限責任公司堅持“在保護中開發、在開發中保護”的方針，對烏東煤礦重點地段的地面塌陷區實施了機械回填、平整、夯實、覆土等恢復治理工程，礦區生態環境正在逐漸恢復。

2)采用遙感技術開展井工煤礦地質災害調查不僅是必要的，而且是可行的； 且可快速、準確地查清由采礦活動引發的礦區地質災害的類型、規模和分布，為地質災害成因、危害程度和發展趨勢分析，礦區環境恢復治理方案制定等提供依據。

3)隨著遙感數據空間、時間和波譜分辨率的不斷提高，遙感信息識別、提取和制圖技術的不斷完善，遙感技術必將成為礦山環境調查與監測不可缺少的手段，為礦區防災減災工作提供重要的技術支撐。應用遙感技術開展地質災害的調查與監測具有廣闊的發展前景。

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(責任編輯： 劉心季)

RemotesensinginvestigationandanalysisofgeologicaldisastersintheWudongcoalminebasedonWorldView-2data

WANGRuiguo

(Shenhua Geological Exploration Co.Ltd, Beijing 100085, China)

Abstract:Geological disasters caused by mining activities in the Wudong coal mine are mainly ground crevice and ground collapse. Therefore, making a thorough investigation of the type, size and distribution of geological disasters in the mining area and analyzing the causes, damage degree and development trend of the geological disasters are very important for the green mine construction and sustainable development. With the WorldView-2 data as the basis, on the basis of the establishment of remote sensing interpretation keys, by using the methods of the combination of remote sensing interpretation and field verification and the combination of human-computer interactive interpretation and computer automatic information extraction, the author delineated the geological disasters points and centralized growth areas caused by mining activities in the Wudong coal mine, and. measured the distribution direction, geometric parameters and influenced area of the geological disaster bodies. An analysis shows that the special shape and distribution features of ground crevices and ground collapses in the Wudong coal mine result from the joint action of the coal seam condition, coal mining exploitation technology and coal seam roof management mode, geotechnical engineering stability of the seam roof and floor slate. The results obtained by the author provide the data basis for prevention and control of geological disasters by Wudong coal mine’s relevant management department.

Keywords:geological disaster； remote sensing investigation； cause analysis； Wudong coal mine

doi:10.6046/gtzyyg.2016.02.21

收稿日期：2015-01-04；

修訂日期：2015-03-12

基金項目：神華科技創新項目“神華礦區環境調查與環境治理綜合研究一、二期工程”(編號： SHJT-11-17)資助。

中圖法分類號：TP 79； X 87； P 694

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)02-0132-07

作者簡介：王瑞國(1979-),男,高級工程師,主要從事遙感技術應用和礦區環境地質調查研究。Email： pourship@163.com。

引用格式： 王瑞國.基于WorldView-2數據的烏東煤礦地質災害遙感調查及成因分析[J].國土資源遙感,2016,28(2)：132-138.(WangRG.RemotesensinginvestigationandanalysisofgeologicaldisastersintheWudongcoalminebasedonWorldView-2data[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(2)：132-138.)