張 昭，張大明，殷全增，王進(jìn)朝，王煥允，王春博，王 鵬，張龍飛

河北省煤田地質(zhì)局物測(cè)地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000

0 引言

2019年8月28日，以“太行名郡·園林生活”為主題的河北省第三屆園林博覽會(huì)在邢臺(tái)開幕.園博園選址在邢東礦采煤塌陷區(qū)，總占地面積3 km2，作為邢臺(tái)市中央生態(tài)公園中一顆璀璨明珠的園博園，實(shí)現(xiàn)了從煤礦開采塌陷區(qū)向城市核心綠肺的蛻變.

邢臺(tái)作為資源城市，煤礦經(jīng)過長(zhǎng)期開采，形成了大量采空區(qū)，存在地面沉降、水土資源損毀和區(qū)域環(huán)境污染等問題.進(jìn)行礦山生態(tài)修復(fù)工程需探查地下采空區(qū)范圍及地面沉降情況.鑒于此，本研究通過收集分析以往的地震、電法等物探資料，確定研究區(qū)煤層底板賦存形態(tài)、構(gòu)造發(fā)育情況及采空區(qū)范圍，指導(dǎo)公園地面選址.利用遙感技術(shù)，開展無人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，獲取礦山生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為治理過程提供影像資料，實(shí)現(xiàn)“物探＋遙感”技術(shù)有效服務(wù)于采煤坍陷區(qū)礦山生態(tài)修復(fù)工作.

1 工作方法綜述

1.1 地震勘探

地震勘探是通過天然場(chǎng)或人工場(chǎng)激發(fā)的地震波在地下介質(zhì)中的傳播改變，確定地下地質(zhì)體分布變化及巖石學(xué)彈性參數(shù)的物探方法［1］.由于人工場(chǎng)地震勘探激發(fā)地點(diǎn)可控、激發(fā)時(shí)間可控、能量可控，地震勘探多采用人工場(chǎng)激發(fā)方式.其技術(shù)特點(diǎn)為：激發(fā)場(chǎng)產(chǎn)生地震波，預(yù)設(shè)地震檢波器采集地震波信號(hào)，分析采集的地震波動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征（時(shí)差、振幅、波形、相位、頻率等），搭建地震波地下傳播路徑，獲取地下巖石構(gòu)造及彈性參數(shù)信息.地震波分為縱波（P波）、橫波（S波）和面波，巖石彈性參數(shù)不同波速不同，依據(jù)此可反映巖石性質(zhì).

地震勘探是勘測(cè)石油、天然氣和固體礦產(chǎn)的重要手段，在煤田勘查、工程勘查、區(qū)域地質(zhì)研究等方面廣泛應(yīng)用［2］.目前，地震勘探方法在尋找地下構(gòu)造、民用工程建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害防治中發(fā)揮著重要作用，為城市建設(shè)服務(wù).

1.2 電磁法勘探

電磁法勘探是利用天然交變電磁場(chǎng)來研究地球電性結(jié)構(gòu)的地球物理勘探方法，通過研究介質(zhì)電磁性差異，觀測(cè)天然或人工的交變電磁場(chǎng)隨空間或時(shí)間的變化規(guī)律［3-5］.大地電磁法技術(shù)成熟，施工方便，成本低，受高阻層屏蔽影響小，低阻層分辨率高，在礦產(chǎn)勘查、地?zé)嵴{(diào)查、深部地質(zhì)構(gòu)造探究等方面也有很重要的應(yīng)用.

可控源音頻大地電磁法（CSAMT法）是一種人工源頻率域電磁法，其方法原理與大地電磁測(cè)深相近［6］，針對(duì)天然電磁場(chǎng)信號(hào)弱的特性，采用人工源發(fā)射方式，利用發(fā)射電偶極AB（1～3 km）向地下發(fā)送頻率不同的交變電流，產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，在場(chǎng)源距離足夠遠(yuǎn)的區(qū)域測(cè)量相互垂直的電場(chǎng)信號(hào)（Ex）和磁場(chǎng)信號(hào)（Hy），依據(jù)公式（Cagniard法）求取地層視電阻率和阻抗相位.CSAMT法采用人工源激發(fā)，野外采集數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)，操作性強(qiáng)，利于強(qiáng)干擾區(qū)開展勘測(cè)工作［6-8］.該方法處理解釋簡(jiǎn)單，成果剖面橫向分辨率高，且不受高阻屏蔽，在采空區(qū)調(diào)查等方面得到廣泛應(yīng)用［9］.

1.3 遙感方法

遙感方法采集裝置與測(cè)量目的有一定的距離［10］.其采集探頭安裝在空中飛行器、飛機(jī)或衛(wèi)星上，受地形影響小.數(shù)據(jù)采集階段，采用不同的探頭可以得到多種波段的電磁波信息，經(jīng)軟件處理得到地質(zhì)信息.衛(wèi)星遙感技術(shù)采集資料具有區(qū)域廣、綠色、高效等特性［11］.

地質(zhì)構(gòu)造在遙感圖像上往往以圖形、色調(diào)特征、地貌等表現(xiàn)，呈平直、微彎形的線性條帶或者圓形、半圓形、橢圓形環(huán)狀條帶展示.電磁波輻射的差異導(dǎo)致不同的影像色調(diào)與形態(tài)，地表地貌或地質(zhì)現(xiàn)象的異?？勺鳛閿嗔褬?gòu)造的依據(jù)［12-13］.

高分影像無人機(jī)（UAV）是利用遙控裝置和控制系統(tǒng)進(jìn)行飛行和工作的不載人式飛行器.通過搭載各種傳感器，如可見光相機(jī)、熱紅外相機(jī)等，可以獲取高分辨率遙感數(shù)據(jù)［14-16］.無人機(jī)可以低空飛行，具有高機(jī)動(dòng)性，能夠多角度觀測(cè)目標(biāo)，快速獲取目標(biāo)地物的連續(xù)、高分辨率影像數(shù)據(jù)以及其他自然資源和環(huán)境條件等信息.隨著無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展，其在生態(tài)監(jiān)測(cè)、災(zāi)害勘察、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，對(duì)于礦山生態(tài)修復(fù)工程領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越重要［17］.

2 案例分析

2.1 研究區(qū)概況

冀中能源股份有限公司邢東礦位于邢臺(tái)市東郊，地理位置優(yōu)越，交通便利（圖1）.礦井設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力60×104t［18］.2001年11月礦井建成投產(chǎn)，開采深度為＋59.5～-1200 m，開采的3個(gè)煤層分別為山西組的2煤、2下煤和太原組的6煤.經(jīng)過20多年的開采，形成了采空區(qū)，長(zhǎng)時(shí)間的沉降作用，在采空區(qū)的上方產(chǎn)生了6.7 km2的沉陷區(qū)，最大地面沉陷值為2.9 m.目前沉陷區(qū)均在緩慢地沉陷，沒有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).隨著礦業(yè)活動(dòng)的延續(xù)，礦山將形成新的采空區(qū)，采礦引起的采空沉陷及地裂縫將對(duì)地面村莊和城市建設(shè)產(chǎn)生嚴(yán)重危害.

圖1 物探工作概況圖Fig.1 Overview of geophysical prospecting work

邢臺(tái)市政府經(jīng)研究，決定在邢東礦采煤塌陷區(qū)建立中央生態(tài)公園——邢臺(tái)園博園，有必要對(duì)采空區(qū)范圍、地面破壞情況調(diào)查清楚.

2.2 工作情況分析

多年來，為保障礦井安全開采和規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害，在該地區(qū)進(jìn)行了大量的地面物探工作，其中河北省煤田地質(zhì)局物測(cè)地質(zhì)隊(duì)分別于1999年、2007年、2010年、2014年在礦區(qū)進(jìn)行了多次三維地震勘探工作，2018年開展了中央生態(tài)公園采空區(qū)電法勘查工作，2016—2019年，在邢臺(tái)園博園開展了連續(xù)遙感監(jiān)測(cè)工作，詳見物探工作概況圖（圖1）.多次工作查明了邢東礦煤層埋藏深度、地層起伏形態(tài)、構(gòu)造發(fā)育、采空區(qū)范圍等情況，為地質(zhì)災(zāi)害防治、生態(tài)公園建設(shè)提供了科學(xué)數(shù)據(jù)支撐.

2.2.1 地震勘探結(jié)果

多年來，邢東礦多次開展三維地震勘探工作.以2014年邢東礦后備區(qū)為例，激發(fā)方式采用井中高爆速成型炸藥激發(fā)，60 Hz高頻檢波器接收，24次覆蓋單邊下傾激發(fā)的觀測(cè)系統(tǒng)，428XL數(shù)字地震儀0.5 ms采樣錄制，記錄長(zhǎng)度1.6 s.

勘探工作查明了區(qū)內(nèi)新生界厚度變化、可采煤層的構(gòu)造形態(tài)及賦存深度、斷距大于5 m的斷層、異常區(qū)和其他地質(zhì)構(gòu)造，能夠準(zhǔn)確劃分采空區(qū)分布范圍.從邢東礦后備區(qū)2煤層沿層切片圖（圖2）中可以看出，區(qū)內(nèi)被多條近東西向張性斷層切割，小型斷層和裂縫較發(fā)育，構(gòu)造面貌復(fù)雜.

圖2 邢東礦后備區(qū)2煤層沿層切片F(xiàn)ig.2 Plan view of No.2 coal seam in the reserve area of Xingdong Mine

從后備區(qū)AA′剖面線圖（圖3）中可以看出，勘探區(qū)東北部2煤層已經(jīng)開采，采空區(qū)域反射波頻率低，能量弱，波形紊亂不規(guī)則，影響下部煤層的反射波.煤層開采后形成的采空區(qū)是造成地面塌陷的重要原因.

2.2.2 電法勘探結(jié)果

在邢東新區(qū)中央生態(tài)公園采用可控源音頻大地電磁法開展物探勘查工作.中央生態(tài)公園占地面積17.478 km2，位于邢州大道以南、中興大街以北、襄都路以東、東華路以西.邢東煤礦處于生態(tài)公園范圍內(nèi)，面積14.5149 km2，兩者范圍基本重合.

電法工作查明了區(qū)內(nèi)的采空區(qū)位置、分布范圍及積水情況.從D18線反演電阻率斷面示意圖（圖3）中可以看出：上部電阻率較低，為第四系、新近系、古近系、三疊系、煤系地層的電性顯示；下部電阻率較高，電性分布相對(duì)均勻，為奧陶系地層灰?guī)r電性顯示.圖中，反演電阻率自上而下逐漸增大，反映出第四系、新近系、古近系、三疊系、煤系地層、奧陶系基底反演電阻率從淺到深逐漸增大的基本電性規(guī)律［19-20］.

圖3 AA′剖面線圖Fig.3 AA′section line

圖4中，-700～-800 m煤層賦存深度中，在960～1560 m點(diǎn)距之間出現(xiàn)相對(duì)高阻特征，與圍巖電阻率差異明顯.分析認(rèn)為，該高阻異常區(qū)由煤系地層采空后引起，采空區(qū)富水性相對(duì)較弱.

圖4 D18線反演電阻率斷面示意圖Fig.4 Resistivity inversion section along exploratory line D18

2.2.3 遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果

為在受采空區(qū)沉降影響的區(qū)域建立中央生態(tài)公園，需對(duì)涉及的村莊、廠房、土地進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和規(guī)劃，達(dá)到礦山修復(fù)、綠色發(fā)展的目的.

場(chǎng)地調(diào)查內(nèi)容包括生態(tài)修復(fù)區(qū)域內(nèi)地表植被情況、土壤污染情況、地形地貌及地物等.無人機(jī)低空攝影獲取高質(zhì)量的遙感影像數(shù)據(jù)，獲取地表基本信息，減少人工調(diào)查，提高工作效率和質(zhì)量，對(duì)場(chǎng)地改造進(jìn)行宏觀把控.

高分遙感和無人機(jī)航攝可獲取較高分辨率的正射影像圖，可將生態(tài)修復(fù)區(qū)域的實(shí)際情況直觀地展現(xiàn)出來.該技術(shù)可實(shí)施監(jiān)測(cè)施工進(jìn)度，加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)施工管理，有助于把控施工進(jìn)度，為了解生態(tài)恢復(fù)工程的完成情況提供依據(jù).

生態(tài)修復(fù)工作是一個(gè)長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)過程.完成生態(tài)修復(fù)工程后，按照監(jiān)測(cè)計(jì)劃形成正射影像，對(duì)工程治理效果、地貌地物變化進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，能夠幫助評(píng)估生態(tài)修復(fù)區(qū)的治理現(xiàn)狀，推動(dòng)生態(tài)修復(fù)工作進(jìn)一步開展［21］.

采用高分遙感和無人機(jī)航攝，得出2016年9月—2019年10月間邢臺(tái)園博園建設(shè)情況變化（圖5）.2016年9月間，對(duì)區(qū)域內(nèi)植被、建筑物等地貌地物等進(jìn)行了觀測(cè)；2017年—2019年8月間，進(jìn)行了園博園建設(shè)全過程監(jiān)測(cè)和工程實(shí)施進(jìn)度監(jiān)督；2019年10月，對(duì)園博園開放兩個(gè)月以來地表植被變化進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可見綠色覆蓋率明顯提高，生態(tài)修復(fù)工程初見成效.

圖5 邢臺(tái)園博園遙感監(jiān)測(cè)連續(xù)變化圖Fig.5 Continuous changes in Xingtai Garden Expo Park by remote sensing monitoring

遙感技術(shù)在生態(tài)修復(fù)區(qū)獲取基礎(chǔ)資料、施工監(jiān)管和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方面均具有積極作用，作為新技術(shù)在采煤塌陷區(qū)改造修復(fù)進(jìn)程中，為政府制定決策和生態(tài)修復(fù)結(jié)果評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

在邢東礦開展地面物探和遙感工作，成果應(yīng)用于礦山修復(fù)即邢臺(tái)園博園建設(shè)工程.結(jié)果表明：

1）三維地震可準(zhǔn)確查明地層起伏形態(tài)、構(gòu)造發(fā)育情況、采空區(qū)分布范圍；電法勘探能夠圈定采空區(qū)范圍、地層富水性狀態(tài)；遙感技術(shù)可連續(xù)監(jiān)測(cè)地表地物變化情況，為生態(tài)修復(fù)區(qū)域提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

2）在進(jìn)行礦山生態(tài)修復(fù)中，收集前期已開展的物探工作資料，詳細(xì)分析數(shù)據(jù)，能夠指導(dǎo)地質(zhì)災(zāi)害防治、生態(tài)修復(fù)改造工作.