楊顯華， 黃 潔， 田 立， 彭 孛， 肖禮曉， 宋新龍

(1.四川省地質(zhì)調(diào)查院,成都 610081； 2.稀有稀土戰(zhàn)略資源評(píng)價(jià)與利用四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610081)

0 引言

煤炭是我國(guó)主要的礦產(chǎn)資源，占全國(guó)一次能源生產(chǎn)總量的70%以上，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有十分重要的地位[1]。但在煤礦的開采利用過程中，由于意識(shí)、方法和政策等多方面因素，造成了諸多的環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害問題[2]，制約著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，其中，采空塌陷問題尤為突出。近年來，煤炭資源大規(guī)模開采是造成我國(guó)采空塌陷的一個(gè)主要因素，據(jù)全國(guó)21個(gè)主要采煤省區(qū)的統(tǒng)計(jì)，采煤地表塌陷的面積多達(dá)45億m2[3]，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)造成了很大威脅。吉林遼源煤礦采空塌陷坑積水成湖，嚴(yán)重破壞了道路、建筑物等基礎(chǔ)設(shè)施和耕地[4]； 煤炭大省山西因采空塌陷造成了大量耕地被毀、水土流失加重、民房嚴(yán)重遭損、地下水源破壞、山體滑坡頻發(fā)等嚴(yán)重問題[5]。因此，有效地開展采空塌陷區(qū)監(jiān)測(cè)與防治研究已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展緊迫的內(nèi)在需求[6-7]。充分發(fā)揮遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，王欽軍等[8]開展了礦山地面塌陷的高空間分辨率遙感識(shí)別與邊界提??； 劉廣等[9]進(jìn)行了InSAR技術(shù)在礦區(qū)沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究，均取得了較好的效果。近年來，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了全國(guó)陸域范圍礦山開發(fā)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)成果已應(yīng)用于國(guó)家礦產(chǎn)衛(wèi)片執(zhí)法、礦山環(huán)境管護(hù)和礦產(chǎn)資源規(guī)劃等工作中[10-16]。本文基于礦山遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，獲取了四川省筠連煤礦區(qū)采空塌陷、礦山開采點(diǎn)和礦山占地等動(dòng)態(tài)變化信息，分析了該礦山開發(fā)與采空塌陷相關(guān)性因素，對(duì)采空區(qū)形變穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

1 研究區(qū)概況

筠連煤礦區(qū)位于四川盆地南部山區(qū)，地理坐標(biāo)為E104°34′12″～104°42′36″，N28°04′48″～28°10′12″，總面積約為190 km2。礦區(qū)地處云貴高原北緣向四川盆地的過渡區(qū)，地形復(fù)雜，以中、低山為主。由于受河流和溪溝的切割，在近河溪兩側(cè)常形成懸崖峭壁； 在飛仙關(guān)組地層與煤系出露地區(qū)，崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害廣為分布。該區(qū)地貌形態(tài)為構(gòu)造侵蝕中、低山區(qū)，相對(duì)高差為400～500 m，山體坡度為30°～40°，坡角為15°～20°，坡頂植被發(fā)育，坡體多為旱地。研究區(qū)煤礦資源儲(chǔ)量豐富，是全國(guó)13個(gè)大型煤炭基地之一——云貴基地的重要組成部分[17]。

區(qū)內(nèi)煤礦均屬地下開采方式，根據(jù)四川省筠連縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報(bào)告[18]，縣域內(nèi)煤礦采空塌陷已產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 776.6萬元，主要造成了房屋開裂、土地?fù)p毀和水資源破壞等問題，僅魯班山煤礦引發(fā)的采空塌陷就造成了16.675 hm2耕地和園地?fù)p毀，9個(gè)村143戶居民緊急搬遷。

2 數(shù)據(jù)處理與遙感解譯

2.1 影像預(yù)處理

為保證遙感影像質(zhì)量和時(shí)相的連續(xù)性，本文使用的遙感影像數(shù)據(jù)包括2009年獲取的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)假彩色合成顯示(圖1)。對(duì)各期影像數(shù)據(jù)均進(jìn)行了正射校正、融合和配準(zhǔn)等預(yù)處理，其空間分辨率和幾何精度可滿足1∶5萬比例尺礦山開發(fā)環(huán)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

圖1研究區(qū)遙感影像

Fig.1Satelliteimagesofstudyarea

2.2 遙感解譯

依據(jù)“礦山遙感監(jiān)測(cè)工作指南”[19]等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，參考采礦權(quán)資料(用于判斷開采礦山規(guī)模和開采年限)，基于多期遙感影像，以ArcGIS為工作平臺(tái)，開展煤礦開采硐口、礦山占地、崩塌和地裂縫等礦山開發(fā)環(huán)境信息解譯，并在此基礎(chǔ)上開展采空塌陷區(qū)推測(cè)解譯。

區(qū)內(nèi)采空塌陷均位于地勢(shì)陡峭的山區(qū)，巖體破碎，活動(dòng)性斷裂發(fā)育，致使采礦引發(fā)了采空塌陷； 同時(shí)極易引發(fā)地裂縫、崩塌等次生災(zāi)害，形成礦山地質(zhì)災(zāi)害群。由于采空區(qū)地勢(shì)陡峻，植被覆蓋好，塌陷坑中通常無積水，一般難以直接從遙感影像中判定采空塌陷區(qū)的范圍(圖2)。

圖2 研究區(qū)煤礦采空塌陷區(qū)范圍示意圖Fig.2 Coal mine goaf areas in study area

本文主要通過地裂縫、崩塌等災(zāi)害標(biāo)志間接推測(cè)采空塌陷區(qū)可能存在部位，并參考煤礦采硐口位置、采礦權(quán)范圍等信息，結(jié)合野外實(shí)地查證，對(duì)采空塌陷區(qū)范圍進(jìn)行了推測(cè)與圈定。

2.3 解譯精度分析

按照礦山遙感監(jiān)測(cè)相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求[20]，研究區(qū)礦山開發(fā)環(huán)境遙感解譯結(jié)果如圖3所示。

圖3 礦山開發(fā)環(huán)境遙感解譯與采空塌陷區(qū)推測(cè)Fig.3 Remote sensing interpretation of mining development environment and goaf subsidence speculation

在研究區(qū)內(nèi)共解譯出采空塌陷區(qū)及伴生災(zāi)害圖斑30個(gè)，野外驗(yàn)證圖斑27個(gè)，驗(yàn)證結(jié)果顯示解譯準(zhǔn)確圖斑26個(gè)，解譯準(zhǔn)確率為96.3%； 解譯開采硐口、礦山占地圖斑172個(gè)，野外抽查58個(gè)，驗(yàn)證結(jié)果顯示解譯準(zhǔn)確圖斑55個(gè)，解譯準(zhǔn)確率為94.8%。對(duì)所有誤判圖斑均進(jìn)行了修正，以確保本文所提取采空塌陷區(qū)、崩塌、地裂縫、礦山開采點(diǎn)及礦山占地圖斑信息準(zhǔn)確可靠。

3 解譯結(jié)果與分析

3.1 采空塌陷區(qū)(含伴生災(zāi)害)變化趨勢(shì)分析

采空塌陷區(qū)、崩塌、地裂縫圖斑數(shù)量和面積變化情況反映了采空塌陷區(qū)形變趨勢(shì)，如圖4所示。2009─2015年間，研究區(qū)內(nèi)采空塌陷區(qū)圖斑數(shù)量未發(fā)生變化，采空塌陷區(qū)圖斑面積和次生崩塌、地裂縫災(zāi)害數(shù)量經(jīng)歷了先快后慢的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。圖5是經(jīng)幾何配準(zhǔn)的2期遙感影像，反映了筠連典型煤礦采空塌陷區(qū)內(nèi)崩塌體數(shù)量在2009─2012年間不斷增多，也間接反映了采空塌陷區(qū)在不斷擴(kuò)展中。

(a) 圖斑數(shù)量變化 (b) 圖斑面積變化

圖4采空塌陷區(qū)、崩塌、地裂縫圖斑數(shù)量和面積變化趨勢(shì)

Fig.4Changetrendsofpatternspotamountandareaofminegoaf,collapseandcrack

(a) 2009年 (b) 2012年

圖5采空塌陷區(qū)內(nèi)崩塌災(zāi)害數(shù)量擴(kuò)展

Fig.5Collapsehazardexpansionwithinminegoafarea

3.2 礦山開發(fā)環(huán)境與采空區(qū)相關(guān)性分析

3.2.1 礦山開采點(diǎn)與采空區(qū)變化趨勢(shì)

煤礦正在利用的開采點(diǎn)數(shù)量變化情況統(tǒng)計(jì)如圖6(a)所示。2009─2012年間，大型煤礦開采點(diǎn)數(shù)量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，中型煤礦開采點(diǎn)數(shù)量保持不變，小型煤礦開采點(diǎn)較快減少； 2012─2015年間，大型、中型煤礦開采點(diǎn)數(shù)量保持不變，小型煤礦開采點(diǎn)數(shù)量則迅速減少乃至全部停采。

(a) 開采點(diǎn)數(shù)量變化 (b) 正在利用煤礦占地面積變化

圖6礦山開采點(diǎn)數(shù)量和正在利用煤礦占地面積變化情況統(tǒng)計(jì)

Fig.6Statisticsforchangeconditionsofminingdiggingpointamountandcurrentlandusearea

1)開采點(diǎn)數(shù)量變化因素分析。2009─2012年間，煤礦開采點(diǎn)數(shù)量多，以小型、中型開采規(guī)模為主。2012年之后，政府持續(xù)推進(jìn)礦業(yè)秩序整頓治理和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革，加之市場(chǎng)對(duì)煤炭資源需求下降，大型和中型的國(guó)營(yíng)煤礦開采點(diǎn)數(shù)量維持不變，小型規(guī)模煤礦均已關(guān)停整合。

2)變化趨勢(shì)相關(guān)性分析。煤礦開采點(diǎn)數(shù)量、狀態(tài)、規(guī)模與采空塌陷區(qū)變化趨勢(shì)關(guān)系緊密。2009─2012年間，中型和小型煤礦開采點(diǎn)數(shù)量多，大型煤礦開采點(diǎn)數(shù)量迅速增長(zhǎng)，反映了煤礦開采規(guī)模和開采強(qiáng)度的不斷擴(kuò)大，引起了采空塌陷區(qū)面積和次生崩塌、地裂縫災(zāi)害數(shù)量的快速增長(zhǎng)； 2012─2015年間，大型和中型煤礦開采點(diǎn)數(shù)量未發(fā)生變化，反映了煤礦開采強(qiáng)度保持原狀，影響了采空塌陷區(qū)面積和次生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量緩慢增長(zhǎng)。小型煤礦開采點(diǎn)數(shù)量快速減少至0，反映了該類礦山開采強(qiáng)度迅速減弱，也減少了對(duì)采空塌陷區(qū)及次生地質(zhì)災(zāi)害的影響。

3.2.2 正在利用煤礦占地與采空塌陷區(qū)變化趨勢(shì)

正在利用煤礦占地面積變化情況統(tǒng)計(jì)如圖6(b)所示。與礦山開采點(diǎn)數(shù)量變化趨勢(shì)類似，2009─2012年間，正在利用的大型煤礦占地面積快速增長(zhǎng)，2012年后緩慢增長(zhǎng)； 正在利用的中型煤礦占地面積則緩慢增長(zhǎng)； 正在利用的小型煤礦占地面積快速減少乃至全部停止使用。

分析變化趨勢(shì)相關(guān)性可以看出，正在利用煤礦占地面積變化，反映了開采強(qiáng)度的變化，與采空塌陷區(qū)變化趨勢(shì)也存在相關(guān)性。2009─2012年間，研究區(qū)內(nèi)不同規(guī)模正在利用煤礦占地面積均快速擴(kuò)展，反映了礦山開采強(qiáng)度高，對(duì)采空塌陷區(qū)面積和次生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量的快速增長(zhǎng)影響較大； 2012─2015年間，正在利用的大型和中型煤礦占地面積均緩慢增長(zhǎng)，反映了該類礦山開采強(qiáng)度較高，使得采空塌陷區(qū)面積和次生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量也緩慢增長(zhǎng)。正在利用的小型煤礦占地面積迅速減少至0，基本全部關(guān)停，反映了該類礦山開采強(qiáng)度迅速減弱，對(duì)采空塌陷區(qū)形變的影響也逐漸減小。

綜上所述，煤礦地下開采點(diǎn)數(shù)量、規(guī)模和狀態(tài)的變化能夠影響采空塌陷區(qū)發(fā)展趨勢(shì)變化，正在利用煤礦占地面積變化反映了開采強(qiáng)度的不同，與采空塌陷區(qū)變化趨勢(shì)也存在關(guān)聯(lián)性，可通過煤礦開采狀態(tài)的變化推測(cè)出采空塌陷區(qū)形變趨勢(shì)。

4 采空區(qū)形變穩(wěn)定性分析

受礦區(qū)內(nèi)大型和中型煤礦繼續(xù)開采影響，現(xiàn)有采空塌陷區(qū)形變將持續(xù)發(fā)生，并具有新引發(fā)采空塌陷形變的可能性。大型和中型煤礦地下開采區(qū)范圍屬于潛在不穩(wěn)定區(qū)，可通過礦山服務(wù)年限和開采深度(根據(jù)采礦權(quán)信息獲取)計(jì)算采空塌陷區(qū)趨于穩(wěn)定所需時(shí)間。小型煤礦均已停采，按照國(guó)家規(guī)劃將不再延續(xù)或設(shè)置采礦權(quán)[21]，根據(jù)所引發(fā)的采空塌陷區(qū)能夠直接計(jì)算出形變穩(wěn)定的時(shí)間。

4.1 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

4.1.1 穩(wěn)定性分析方法

根據(jù)礦山開采沉陷學(xué)的理論和實(shí)踐，影響地表形變持續(xù)時(shí)間的因素主要是巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、開采深度和工作面推進(jìn)深度。在其他條件相同的情況下，開采深度與地表形變持續(xù)時(shí)間之間關(guān)系比較穩(wěn)定，即深度越大形變時(shí)間越長(zhǎng)，地表變形也越平緩。一般開采深度在100～200 m時(shí)，地表形變的總時(shí)間為1～2 a； 開采深度大于300 m時(shí)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究成果，地表形變時(shí)間表達(dá)式為[22]

T=2.5H,

(1)

式中：T為地表形變時(shí)間，d；H為礦區(qū)平均開采深度，m。

4.1.2 煤礦開采深度

根據(jù)研究區(qū)礦山開發(fā)利用方案和采空區(qū)數(shù)據(jù)等相關(guān)資料，對(duì)區(qū)內(nèi)各煤礦企業(yè)開采規(guī)模進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)了不同規(guī)模煤礦的開采深度： 該區(qū)內(nèi)大型煤礦開采深度一般在600～820 m，中型煤礦開采深度在300～600 m，小型煤礦開采深度在90～300 m。

4.1.3 采空塌陷持續(xù)形變時(shí)間推算

根據(jù)上述方法，計(jì)算出筠連煤礦區(qū)不同規(guī)模煤礦停采后采空塌陷區(qū)持續(xù)形變時(shí)間(表1)。

表1 不同規(guī)模煤礦停采后引發(fā)塌陷形變持續(xù)時(shí)間Tab.1 Lasting time of collapse deformation caused by stopping mining of coal mine in different scales

根據(jù)不同規(guī)模煤礦開采點(diǎn)分布、開采狀態(tài)和所屬采礦權(quán)服務(wù)年限，估算出采空塌陷區(qū)趨于穩(wěn)定的最低所需時(shí)間(表2)。

表2不同規(guī)模煤礦停采引發(fā)采空塌陷最低持續(xù)形變時(shí)間推算

Tab.2Calculationonlowestdeformationlastingtimeofcollapsescausedbystoppingminingofcoalminesatdifferentscales

序號(hào)開采規(guī)模開采點(diǎn)數(shù)量/個(gè)開采狀態(tài)剩余服務(wù)年限/a 停采后形變時(shí)間/a形變持續(xù)時(shí)間/a1大型 2正在開采284.2～5.732.2～33.72中型 4正在開采4～62.1～4.2 6.1～10.23小型18停止開采01.0～2.01.0～2.0

4.2 采空塌陷區(qū)穩(wěn)定性分區(qū)

4.2.1 穩(wěn)定性分區(qū)范圍

采空塌陷區(qū)穩(wěn)定性分區(qū)范圍是指已形成采空塌陷的區(qū)域和目前正在開采的大型和中型煤礦地下開采范圍(根據(jù)采礦權(quán)所反映的煤礦地下開采范圍)，主要對(duì)該范圍內(nèi)未來采空塌陷形變趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分區(qū)。對(duì)于目前未發(fā)生采空塌陷且未來不存在煤礦地下開采的區(qū)域則不作評(píng)價(jià)分區(qū)，直接劃分為預(yù)測(cè)無形變威脅區(qū)。

4.2.2 穩(wěn)定性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)煤礦開采點(diǎn)分布情況及其所屬采礦權(quán)范圍(地下開采范圍)，基于最新遙感影像，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查情況，綜合判斷并劃分為近期趨于穩(wěn)定區(qū)、中期持續(xù)形變區(qū)、遠(yuǎn)期持續(xù)形變區(qū)、預(yù)測(cè)新增形變區(qū)和預(yù)測(cè)無形變威脅區(qū)5類，判斷標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

4.2.3 穩(wěn)定性分區(qū)結(jié)果

根據(jù)采礦塌陷區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析遙感解譯成果，將研究區(qū)劃分為11個(gè)采礦塌陷形變預(yù)測(cè)區(qū)塊，分區(qū)結(jié)果如表4所示。

表4 采空塌陷穩(wěn)定性分區(qū)結(jié)果Tab.4 Categorized results of stability of collapses in mine goaf areas

采空塌陷區(qū)形變趨勢(shì)分區(qū)預(yù)測(cè)如圖7所示。

圖7 采空塌陷區(qū)形變趨勢(shì)分區(qū)預(yù)測(cè)Fig.7 Categorized deformation trend prediction of collapses in mine goaf areas

4.3 采空區(qū)防治對(duì)策建議

4.3.1 預(yù)測(cè)新增形變區(qū)

1)有效的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。礦區(qū)開采沉陷分布規(guī)律與許多地質(zhì)采礦因素有關(guān)，如煤層傾角、開采厚度、開采深度、頂板管理方法及松散層厚度等。不同礦區(qū)的地質(zhì)采礦條件往往差異較大，開采沉陷分布規(guī)律亦有區(qū)別。因此，在本次分區(qū)基礎(chǔ)上，科學(xué)布設(shè)地表觀測(cè)站，總結(jié)出礦區(qū)開采導(dǎo)致采空區(qū)形變的分布規(guī)律，從而有效預(yù)報(bào)地面塌陷趨勢(shì)，判別地表設(shè)施是否受開采影響和受開采影響的程度，作為礦區(qū)恢復(fù)治理的依據(jù)[23-24]。

2)積極采用先進(jìn)的采煤新技術(shù)。在已經(jīng)取得的大量地表沉陷規(guī)律和綠色采煤方法的基礎(chǔ)上，積極應(yīng)用充填開采、協(xié)調(diào)開采技術(shù)和部分開采技術(shù)等新方法進(jìn)行煤礦開采，從而減輕由于大量開采引起的地層形變與沉降。

4.3.2 持續(xù)形變區(qū)

主要包含近期趨于穩(wěn)定區(qū)、中期持續(xù)形變區(qū)和遠(yuǎn)期持續(xù)形變區(qū)，即屬于已發(fā)生的開采沉陷區(qū)。治理方法包括塌陷區(qū)填平和塌陷區(qū)合理利用。

1)塌陷區(qū)填平是將塌陷區(qū)進(jìn)行回填，利用廢石和泥土填充塌陷區(qū)，使地表基本恢復(fù)原形。

2)設(shè)立警示標(biāo)志。在采空塌陷區(qū)、崩塌區(qū)域設(shè)置警示牌，提醒過往行人和車輛，以減小災(zāi)害造成的危害。

5 結(jié)論與建議

1)本文基于多期遙感影像，使用礦山遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)方法對(duì)采空塌陷區(qū)形變穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，對(duì)塌陷區(qū)形變趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分區(qū)，可為采空塌陷區(qū)地表觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置和塌陷區(qū)防治工作等提供基礎(chǔ)資料。

2)根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了四川省筠連煤礦區(qū)2009─2015年間煤礦開發(fā)環(huán)境狀態(tài)變化與采空塌陷發(fā)展趨勢(shì)的相關(guān)性，總結(jié)出煤礦地下開采點(diǎn)數(shù)量、規(guī)模、狀態(tài)的變化能夠影響采空塌陷區(qū)發(fā)展趨勢(shì)變化。礦山占地面積的變化反映了開采強(qiáng)度的不同，與采空塌陷區(qū)變化趨勢(shì)存在著關(guān)聯(lián)性。

3)根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果和采礦權(quán)等資料，采用塌陷區(qū)穩(wěn)定性分析方法，分析了各煤礦開采區(qū)范圍、開采狀態(tài)、開采深度和服務(wù)年限等信息，推算出采空塌陷區(qū)持續(xù)形變和新增形變信息，編制了采空塌陷區(qū)形變趨勢(shì)分區(qū)預(yù)測(cè)圖，提出了下一步防治采空塌陷形變的對(duì)策和建議。

4)受國(guó)家礦業(yè)整頓治理政策和礦業(yè)市場(chǎng)需求減少因素影響，近年來大量小型煤礦均已停止開采，新建設(shè)了一批大型國(guó)營(yíng)礦山，礦山開采狀態(tài)的新變化也將對(duì)采空塌陷區(qū)形變趨勢(shì)造成新的影響。建議基于礦山遙感監(jiān)測(cè)方法，持續(xù)開展和進(jìn)一步深化采空塌陷區(qū)形變趨勢(shì)的分析和研究。

志謝： 本文得到了尹顯科、蔣華標(biāo)、韓磊、范敏和許鵬等同仁的幫助，在此表示衷心的感謝！