山東省采煤沉陷遙感動態監測

王曉紅， 荊青青， 周英杰， 姚維嶺

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

山東省采煤沉陷遙感動態監測

王曉紅， 荊青青， 周英杰， 姚維嶺

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

利用2013年第4季度—2015年第4季度高分辨率遙感影像數據，對山東省采煤沉陷災害進行了連續3 a的動態監測，發現全省采煤塌陷地(坑)面積逐年減少。在對比分析山東省煤礦分布特點、煤炭開采方式及開發歷史等工作基礎上，建立了采煤沉陷遙感動態監測技術流程。根據所提取的塌陷地(坑)、搬遷的村莊、地質災害恢復治理等信息，圈定全省特大型沉陷區12個、大型沉陷區8個、中型沉陷區50個、小型沉陷區12個； 通過上述信息的近3 a變化情況的分析，確定全省沉陷程度變好區30個、穩定區31個、變重區21個，掌握了沉陷變化趨勢。同時，分析了煤礦沉陷災害發生的影響因素，探討了治理時機，提出了對策建議。

煤礦； 沉陷； 遙感； 動態監測

0 引言

煤礦采空區地表沉陷(簡稱采煤沉陷)是地下采煤活動破壞了煤層圍巖的應力平衡，在應力重布達到新的平衡過程中地面變形所形成的塌陷盆地、漏斗狀塌陷坑和臺階狀斷裂[1]。采煤沉陷的危害主要表現為損毀土地、破壞建筑物和破壞水利、交通、輸電等基礎設施[1-2]。

山東省是我國煤炭資源大省之一[3]，煤炭開發歷史悠久，全省所有煤礦均采用地下開采方式，長期大規模的開采致使采煤沉陷成為全省礦山地質災害中危害范圍最廣、危害程度最大的工程災害[4-6]。利用遙感手段，對沉陷災害進行動態監測，快速地為災害的治理確定準確目標，已成為一項迫在眉睫的工作。基于中國地質調查局地質調查項目，研究者對山東省的礦產資源開發狀況、礦山地質環境等進行了遙感監測[7-8]。其中，對采煤沉陷區的擴展情況、受影響居民點及其治理情況等進行了持續的動態監測。本文以此為依據，介紹了全省煤礦沉陷區的分布、變化及治理情況，預測了沉陷區的發展趨勢，并分析了煤礦沉陷災害發生的影響因素，冀望能拋磚引玉，為后期治理提供可靠依據。

1 采煤沉陷區遙感監測工作方法

山東省煤礦分布于濟寧、棗莊、菏澤等12個市，由于成煤條件和開采方式的差異，采煤沉陷發育程度各不相同。根據遙感手段的技術特點，除了沉陷初期的地表起伏不平、輕微的地裂縫、墻體開裂等無法監測外，其余在遙感影像有一定表現的均在監測之列。監測目標主要有如下3個： ①采煤塌陷地(坑)的分布及變化情況； ②采煤沉陷區土地、建筑物等的毀損及變化情況； ③沉陷區的恢復治理現狀及變化情況。根據上述目標，制定技術流程如圖1所示。

1.1 數據源

根據相關技術要求[7]，監測所用數據源空間分辨率應優于2.5 m。由于監測區域過大，幾乎使用了2013—2015年間所有符合條件的光學衛星遙感數據，每個年度的數據獲取時間均為9—12月(第4季度)。其中進口數據有P1，WorldView，QuickBird，GeoEye，IKONOS及SPOT-6等，國產的有遙感2號、遙感5號、遙感8號、遙感14號、遙感24號、遙感26號、天繪1號、實踐9號、資源1號02C、資源3號、高分1及高分2號等數據。GeoEye和IKONOS等進口數據的數據質量一般較好，可解譯程度高； 所使用的國產數據源質量則參差不齊，如遙感14號、遙感5號全色數據數據質量普遍尚好，層次相對豐富，但在全分辨率解譯時，細節較同為全色的WorldView-1模糊，對小型塌陷地(坑)邊界顯示也不甚清晰； 資源3號衛星數據紋理清晰，色彩層次較豐富，部分數據可解譯程度略高于SPOT5。對于數據質量不盡如人意的區域，加強了實地調查，以調查結果補充、修改解譯結果。為了發現歷史沉陷區域，工作中也使用了2009年度第4季度獲取的QuickBird和IKONOS等高分辨率遙感數據。本文中各年度統計數據均指截止至該年度第4季度的統計結果，年際變化數據也特指第一年第4季度至第二年第4季度間的變化情況，特此說明。

1.2 沉陷區典型地物遙感影像特征

在煤礦開采區內，隨著沉陷嚴重程度的不同，地表塌陷呈現小型倒錐狀(直徑小于3 m)、大型倒錐狀(直徑3～6 m)、小型橢圓形盆狀(長邊6～15 m)、大型橢圓形盆狀(長邊大于15 m)等多種地表形態； 地表的建筑物會出現墻體開裂、沉陷、坍塌現象，以至完全廢棄。近年來，國家加大了礦山環境恢復治理工作，最常用的治理方法是將積水塌陷坑治理為魚塘或濕地旅游區，或將塌陷地復墾為耕地[9]。在難以治理的地區，則采用覆蓋的方式，如將光伏電站等承重相對輕的基礎設施直接建于塌陷地上。根據土地破壞及村鎮搬遷情況，本文將沉陷區劃分為輕度、中度和重度3個等級： ①輕度沉陷區，土地破壞僅以裂縫、裂隙為主，經過治理后不再有積水塌陷坑存在，無村鎮搬遷發生； ②中度沉陷區，多橢圓形塌陷盆地、外緣具緩臺階狀，地表有積水，有村鎮搬遷發生； ③重度沉陷區，土地嚴重積水沼澤化，有多個村鎮整體搬遷發生[6、10]。

兗州煤田(圖2(a))是山東省最為嚴重的采煤沉陷多發區之一[11]。不同地段由于開采程度的差異，采煤沉陷呈現出了各種不同的特征。以該區為典型實例，將采煤沉陷區內的輕度沉陷區、中輕度沉陷區、中度沉陷區、重度沉陷區、恢復成魚塘及濕地旅游區的原采煤沉陷區、正在治理的采煤沉陷區、已建光伏電站的采煤沉陷區以及被搬遷的村莊等遙感影像特征匯總如圖2和表1所示，并以此為解譯標志，對山東全省的采煤沉陷區進行了遙感解譯。兗州煤田開采區2015年度使用國產衛星數據遙感24號，遙感影像由多光譜3(R)，2(G)，1(B)模擬真彩色合成后與全色波段融合而成。

(b) 中輕度沉陷區 (c) 中度沉陷區 (a) 兗州煤田開采區遙感影像 (d) 重度沉陷區(e) 恢復成魚塘等的原采煤沉陷區

(f) 正在治理的沉陷區 (g) 已建成光伏電站的采煤沉陷區(h) 被搬遷的村莊

圖2煤礦沉陷區典型地物遙感影像特征(遙感24號，2015年)

Fig.2Remotesensingimagefeaturesoftypicalsurfaceobjectsincoalminingsubsidencearea(RS24,2015)

表1 采煤沉陷區遙感影像特征一覽表

1.3 沉陷區現狀監測及變化趨勢評價方法

利用2013—2015年3 a的衛星遙感數據，結合采礦權等相關資料，對山東省采煤沉陷區、因沉陷而搬遷的村莊開展遙感動態監測。參照DZ 0238—2004 地質災害分類分級(試行)劃分方案，將采煤沉陷區劃分為4種規模： 特大型≥20 km2、大型[10,20) km2、中型[1,10) km2、小型<1 km2[12]。

為了確定沉陷區邊界，利用2009年的衛星遙感數據對已經被治理的歷史塌陷地(坑)進行了調查； 根據采礦權、塌陷地(坑)、搬遷村莊、恢復治理后土地(曾經的塌陷地(坑))等的分布情況，間接地對采煤沉陷區的邊界進行了推測。

根據近3 a的采煤沉陷區、搬遷村莊的變化情況，將采煤沉陷區分為穩定區、變好區和變重區3類： ①穩定區，無新增塌陷地(坑)，無新增搬遷村莊，原有塌陷地(坑)范圍無或少有變化； ②變好區，經過治理后塌陷地(坑)明顯減少，或范圍明顯縮小； ③變重區，塌陷地從無到有，原有塌陷地(坑)范圍變大，有新增村鎮搬遷發生，沼澤化較以前嚴重。

2 采煤沉陷區分布特征分析

2.1 沉陷區內塌陷地(坑)的分布現狀及變化情況

2015年山東省全省采煤塌陷地(坑)總面積為15 707.37 hm2，比上年減少1.47%，主要分布于8市23個縣(市、區)，比2014年同期減少1市2縣； 2014年山東省全省采煤塌陷地(坑)總面積為15 941.24 hm2，比上年同期減少5.05%，主要分布于9市25個縣(市、區)，僅比2013年減少1個縣； 2013年全省采煤塌陷地(坑)總面積16 789.01 hm2，分布于9市26個縣(市、區)。2013—2015年間，全省采煤塌陷地(坑)面積及分布范圍在逐年減少，各地級行政區近3 a采煤沉陷區遙感動態監測結果見表2。

表22013—2015年間山東省各地市塌陷地(坑)面積

Tab.2 Subsidence area in Shandong Province from 2013 to 2015(hm2)

2015年全省采煤沉陷區集中在濟寧市微山縣中部、棗莊市滕州市西側與微山縣交界處的滕縣煤田開采區。這3個區采煤沉陷區面積約占全省采煤沉陷區總面積的43%； 其次為濟寧市的兗州、曲阜、鄒城3市交界處的兗州煤田開采區，沉陷面積約占全省采煤沉陷區總面積的16%； 再次為濟寧市任城區南部與微山縣交界處的濟寧煤田南部開采區，沉陷面積約占全省采煤沉陷區總面積的14%。

2.2 沉陷區的村鎮搬遷

采煤沉陷區也是村鎮搬遷集中區域。比對相關地圖的地名資料，截止2015年，全省采煤沉陷區內共搬遷村莊272個(不排除含因新農村建設、棚戶區改造等原因搬遷的村莊)，各年度村莊搬遷情況見表3。

表3 采煤沉陷區內搬遷村莊數量

從表3可知，濟寧市的搬遷村莊達140個，占全省總數的半數以上； 泰安、菏澤和棗莊等地級行政區的搬遷村莊數量均在25個以上。在全部272處搬遷村莊中，有39個已消失于各采煤沉陷區腹地或已改造成了坑塘水面，無跡可尋； 其他村莊在搬遷后，其土地已復墾，或恢復治理成了其他地類。

3 采煤沉陷區變化特征分析

3.1 沉陷區劃分及變化趨勢

根據煤礦采礦權分布情況、塌陷地(坑)分布情況、搬遷村莊以及采煤沉陷區恢復治理情況，2015年全省共圈定跡象明顯的采煤沉陷區82處，總面積901.95 km2； 分布于9市25個縣(市、區), 除淄博、聊城和萊蕪3市尚未出現明顯下沉跡象外，其余各市采煤區均發生了不同程度的沉陷。各市采煤沉陷區面積變化統計結果如圖3及表4所示。

圖3 山東省煤礦沉陷災害分布示意圖

表4 2015年山東省各市沉陷災害統計(單位： 數量(處)/面積(km2))

續表

按沉陷區的規模劃分，山東省全省有特大型沉陷區12個，總面積604.74 km2； 大型沉陷區8個，總面積103.62 km2； 中型沉陷區50個，總面積186.49 km2； 小型沉陷區12個,總面積7.09 km2。按沉陷嚴重程度劃分，全省有重度沉陷區20個，總面積585.23 km2； 中度沉陷區39個，總面積259.43 km2； 輕度沉陷區23個，總面積57.29 km2。按沉陷區變化趨勢劃分，2013年至2015年，全省有沉陷程度變好區30個，總面積279.61 km2； 穩定區31個，總面積294.44 km2； 變重區21個，總面積327.90 km2。

3.2 嚴重沉陷區現狀及變化趨勢

目前，山東省沉陷災害最嚴重地區有如下幾個：

1)微山縣中部與滕州市南部交界處，滕縣煤田開采區。該區域共有31個煤礦采礦權，覆蓋面積730余km2。其中，年設計規模在100萬t/a以上的煤礦有6個，最大開采規模300萬t/a。該區域集中了6個特大型沉陷區、6個中型沉陷區和4個小型沉陷區，各級沉陷區總面積324.59 km2以滕南煤田的西側最為嚴重區，不僅規模特大，而且趨向嚴重。

2)兗州、曲阜與鄒城交界處，兗州煤田開采區。該區有14個煤礦采礦權，覆蓋面積400余km2。年設計生產規模在百萬噸以上的煤礦有6個，最大開采規模400萬t/a。該地區始采時間為1968年，始塌時間為1970年[4]。區內共有6個沉陷區，總面積161.40 km2。其中特大型1個、大型2個。盡管經過多方治理，特大型沉陷區依然趨向嚴重。

3)濟寧市中部任城區和市中區，魚臺縣北部，微山縣北部濟寧煤田開采區。該區域集中了15個煤礦采礦權，礦權覆蓋面積800余km2。年設計生產規模在百萬噸以上的煤礦有7個，其中2個煤礦的最大開采規模為500萬t/a。該地區開發時間約在2000年前后，區域內共有沉陷區21個，含特大型2個、大型3個、中型14個和小型2個，沉陷區總面積198.47 km2。從圖2上可以看出，濟寧煤田的北部沉陷區以中、輕度為主，且總體往好的方向發展。南部地區相對嚴重。

4)泰安市北部，肥城煤田開采區。該區域有煤礦采礦權8個，采礦權覆蓋面積近90 km2。其中百噸以上的采礦權3個，最大開采規模為120萬t/a。該煤田開發始于20世紀60年代初期。目前有沉陷區5個，總面積73.40 km2。其中特大型2個、中型3個。目前西部已基本穩定，而東部趨向嚴重。

5)煙臺市龍田煤田開采區。位于煙臺市龍口市北部海邊龍口煤田開采區。該區域內有采礦權5個，總覆蓋面積150余km2。其中百噸以上的采礦權1個，開采規模為180萬t/a。龍口煤田的開發始于20世紀60年代末期。該區域共有沉陷區5個，總面積31.63km2，含大型2個、中型3個。目前，西部沉陷區已基本穩定，中部及東部處于不穩定期，存在治理后再度塌陷現象。

除上述5個地區外，有跡象表明巨野煤田巨野縣北部、鄆城縣南部開采區未來有可能發生嚴重沉陷。該區域有2個煤礦采礦權，總面積285余km2。其中一個為山東省最大礦井，設計生產規模為600萬t/a，另一個為400萬t/a。該區域的始采時間為2009年底，目前已有一大一中兩個重度沉陷區，且均趨向嚴重。

3.3 煤礦沉陷災害影響因素分析

影響煤礦沉陷災害是否發生及其嚴重程度的主要有煤田賦存條件、開采持續時間、開采量、治理程度和治理時機的選擇等5個因素。

淄博、陶棗和臨沂等地市的煤田處于低山丘陵區，煤層薄，上覆第四系厚度均小于100 m，開采深度多在500 m 以下，因而地表只出現小規模地面變形或裂縫； 而兗州、滕州和肥城等地市的煤田多處于山前沖洪積平原或盆地中，第四系覆蓋層厚度大，開采煤層厚度大，煤層產狀平緩，隨著采空面積的逐漸擴大，很容易發生沉陷災害[5]。尤其是在南四湖流域地區，開采量大，潛水位高，沉陷災害最為嚴重。巨野煤田的大量開采，也導致了沉陷災害的快速發生和發展。除此之外，災害發生后的治理工作也影響著沉陷災害的發展趨勢。

4 采煤沉陷區土地恢復治理

4.1 塌陷土地的恢復治理

2009—2015年間，全省采煤沉陷區內已經恢復治理土地8 748.88 hm2，年平均治理1 458.15 hm2。其中2009—2013年恢復治理6 264.60 hm2，2013—2014年恢復治理1 865.99 hm2，2014—2015年恢復治理618.29 hm2。恢復治理后的地類主要為耕地、水域(以庫塘為多)及水利設施用地。

2009—2015年間各市土地恢復治理情況如表5所示。由表5可知，濟寧市的土地恢復治理面積占全省恢復治理總面積的69.64%。值得注意的是，2014—2015年度，泰安、煙臺和菏澤3市的恢復治理面積出現了負增長，究其原因，均為治理后土地再次發生塌陷所致。

表5 2009—2015年采煤沉陷區恢復治理情況統計

4.2 搬遷村莊的土地恢復治理

山東省對搬遷后尚未下沉至水底的村莊進行了土地恢復治理，治理后地類主要為耕地或空閑地，少量為新的農村宅基地。截止至2015年，全省搬遷村莊恢復治理成水澆地的土地面積有1 083.37 hm2，治理成新的農村宅基地的有17.58 hm2，尚為空閑地的有932.53 hm2。

各市搬遷村莊土地治理情況如表6所示。目前治理面積最大的3個市分別為濟寧、菏澤和泰安市。這3市搬遷村莊恢復治理的面積占了全省恢復治理總面積的79.85%。

表6 采煤沉陷區內搬遷村莊土地恢復治理情況統計

4.3 沉陷區土地恢復治理時機初探

截至2015年，全省82個采煤沉陷區中有64個得到了治理，其余18個中、小型沉陷區(總面積為52.10 km2)無治理跡象。絕大部分采煤沉陷區內，經過治理后的有效利用土地能保持穩定，如位于濟寧市任城區的許廠煤礦開采區，從2009年起，大面積分布的塌陷地逐步得到恢復治理，目前已基本恢復為耕地(圖4上行)。與此同時，也有少數地區出現了邊治邊塌或治后復塌的問題。這種現象在龍口煤田開采區較為典型，該區域2013年有塌陷地(坑)39處，總面積323.58 hm2，2014年同期減少為15處，面積減至60.56 hm2； 2015年同期反彈回24處，總面積又增至239.71 hm2(圖4下行)。

(a) 2009年Worldview影像(b) 2013年遙感5號影像(c) 2014年CBERS-02C影像(d) 2015年遙感2號影像

(e) 2009年Worldview影像(f) 2013年Worldview影像(g) 2014年遙感14號影像(h) 2015年高分1號影像

圖4采煤沉陷區治理效果對比(上行：效果較好區，下行：效果較差區)

Fig.4Comparisonoftheeffectoflandrestorationinsubsidencearea

通過分析可知，沉陷區治理時機的合理選擇是個值得重視的問題。據有關資料，地下采煤塌陷呈動態下沉過程，一般可分為4期, 即初始期、活躍期、衰退期和穩定期[1]。為此，建議采煤塌陷的治理應該選擇在地面下沉的衰退期或穩定期，否則極有可能出現邊治邊塌或治后復塌的現象。

5 結論與建議

1)截至2015年第4季度，山東省共有沉陷區82個，總面積901.95 km2。從沉陷規模看，特大型沉陷區面積占沉陷區總面積的67.05%，大型沉陷區占11.49%，中型占20.68%，小型占0.79%。從嚴重程度上看，全省重度沉陷區面積占沉陷區總面積的64.88%，中度沉陷區占28.76%，輕度沉陷區占6.35%。由上述結果可見，特大型重度沉陷區的治理成為山東省煤礦沉陷災害治理的重中之重。

2)山東省為煤礦地質災害的治理做出了不懈的努力。與歷史地理資料比對，全省累計搬遷沉陷區村莊272個； 與2009年遙感資料比對，2009—2015年間，全省采煤沉陷區內已經恢復治理土地8 748.88 hm2，治理搬遷后村莊的土地2 033.48 hm2。3 a來，82個沉陷區中，整體變好沉陷區的面積占總面積31.00%，相對穩定沉陷區的面積占32.64%，整體變差區域面積占36.35%。上述數據顯示，煤礦沉陷災害的治理工作任重而道遠。

3)山東省沉陷災害最嚴重地區主要為滕縣煤田、兗州煤田、濟寧煤田、肥城煤田和龍田煤田等開采區。隨著國家生態文明改革各項決策的逐步實施，優化產業結構，調整產業布局，適當壓減產量，將成為全國煤炭開采行業的重要舉措。預計在今后很長一段時間內，山東省的采煤沉陷區分布范圍及面積不會出現較大的增長。

4)建議進一步加大山東省采煤沉陷區的恢復治理工作力度，因地制宜，科學治理。一方面，可以采取恢復治理率與生產規模掛鉤等措施，進一步激發現有采煤企業在礦山環境整治工作中的主動性，有效遏制采煤沉陷區的增量； 另一方面，可以通過降低稅負、共享成果等激勵措施的落實，鼓勵和吸納社會資金參加采煤區廢棄礦山的環境整治工作，并提倡創新治理思路，開辟新的增收產業，努力減少采煤沉陷區的存量。建議采煤塌陷的治理應該選擇在地面下沉的衰退期或穩定期。

5)建議持續開展采煤沉陷區的監測和評估，多措并舉，做好采煤沉陷區生產和治理的全流程規劃工作。首先要權衡利弊，關治結合。山東省所有的煤礦開采區中，南四湖流域是生態環境最敏感地區，也是環境破壞最嚴重區[13-14]。建議建立南四湖流域禁止開采區，全面關停該地區現有的50個左右的煤礦； 并在關停之后加強治理，恢復綠水青山。其次，要選擇恰當時機治理，講求實效。通過對全省采煤沉陷區的綜合評估，圈定優先治理區； 對于處于活躍期的開采區，暫不予治理； 對已經治理過和正在治理的地區要加強保護，防止邊治邊塌，再治再塌現象的發生，將災害降到最低程度。再次，要防患于未然。對于巨野煤田等大強度新開發、目前尚未出現大規模沉陷的煤田，則需要以其他煤田的前車之鑒，增強防患意識，提倡和激勵采煤技術革新，盡量避免沉陷災害的發生和發展。

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(責任編輯：李瑜)

RemotesensingdynamicmonitoringofcoalminesubsidencedisasterinShandongProvince

WANG Xiaohong, JING Qingqing, ZHOU Yingjie, YAO Weiling

(ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China)

Using high resolution remote sensing data obtained from 2013 to 2015, the authors monitored the subsidence disaster and its distribution range in the coal mining area of Shandong Province continuously, and it was found that the coal mining subsidence area decreased year by year. Based on the comparative analysis of the distribution characteristics and the mode of the subsidence disaster and the development history of coal mining, the authors established the dynamic monitoring technology of coal mining subsidence. According to the monitoring results, the distribution range, scale, severity and trend of the subsidence area in the province were determined, and 12 superlarge subsidence zones, 8 large subsidence zones, 50 medium-size subsidence zones and 12 small subsidence zones were delineated. The changing trend was predicted on the basis of the analysis of the above information for the past three years. It is found that 30 subsidence zones become better, 31 subsidence zones are stable, and 21 subsidence zones become worse. At the same time, this paper analyzes the influencing factors on coal mine subsidence disaster, discusses the management time, and puts forward some countermeasures and suggestions.

coal mine； subsidence disaster； remote sensing； dynamic monitoring

10.6046/gtzyyg.2017.03.30

王曉紅，荊青青，周英杰，等.山東省采煤沉陷遙感動態監測[J].國土資源遙感,2017,29(3):203-210.(Wang X H,Jing Q Q,Zhou Y J,et al.Remote sensing dynamic monitoring of coal mine subsidence disaster in Shandong Province[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(3):203-210.)

2016-04-27；

2016-12-07

中國地質調查局地質調查項目“全國礦產資源開發環境遙感監測”(編號： 121201003000150009)、“山東省礦山環境監測”(編號： 12120111120038，1212011220073)和“山東省礦產資源開發環境遙感監測”(編號： 12120115061501)共同資助。

王曉紅(1964-)，女，碩士，教授級高工，主要從事礦山遙感監測工作。Email: 2427364501@qq.com。

TP 79

： A

： 1001-070X(2017)03-0203-08