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煤礦監控圖像分析方法研究

發布時間:2024-06-15 16:55:45

A. 研究現狀與存在問題

目前國內外學者對「三下」採煤(建築物下、鐵路下、水體下採煤)引起的岩層移動、地表沉陷以及對其引起的上方地表建(構)築物的破壞方面已經做了大量的研究工作,取得了豐碩的研究成果,但對老采空區的穩定性及活化規律的研究較少。采空區的活化與穩定性與各種地質因素及非地質因素有關,其穩定性研究是一個十分復雜的系統工程問題。比較傳統的研究方法是從岩體的力學特性以及應力分布入手,研究塌陷的分帶性、地表移動變形計算、移動速度和移動過程的持續時間、觀測網的設置、岩移的觀測方法、原則以及破壞機理等,對於後期的位移預測多是採取探討的計算方法。以前對於采空區的移動變形預計,較常用的是定性分析的方法,主要分為采空區頂板穩定性分析和采空區上方地基穩定性分析。對於煤礦采空區的治理,可分為採煤過程中的治理和採煤後的治理。目前針對采空區的治理研究,一般指的是對採煤後的老采空區。因為在有建築物存在的煤炭儲層區域,開采過程中一般都要求有相應的防護措施,直接迸行處理的不多;而在煤層采出之後,由於地面沉降或者人類活動,並需要在其上部修建必要的建築物或構築物時,比如高速公路、鐵路等,采空區所處地基不可避繞,或者採取避繞法時不夠經濟,因此,不符合工程穩定性要求的采空區就需要迸行處理。

采空區迸行地基處理,是為了預防和控制地表殘余沉降變形,保證上部建築物的安全。根據采空區治理規模及實用情況,目前國內外的研究處理手段可總結為4 種[5~27]:全部注漿充填采空區支撐覆岩,以徹底消除地基沉陷隱患,採用注漿充填、水力充填和風力充填等。如孫忠弟等[5]對采空區迸行了系統性的研究,並編寫一部有關采空區治理的專著。張志沛[7]對山西省很多采空區迸行了治理試驗,取得了關於采空區勘察設計、施工等諸方面的寶貴經驗,隨後迸行了山西省平定縣壽陽—西郊段冶西聯營煤礦采空區的注漿充填治理工程,為今後類似工程起著積極的借鑒作用;局部支撐覆岩或地面構築物,減小采空區空間跨度,防止頂板的垮落。常用的方法有注漿柱、井下砌墩柱和大直徑鑽孔樁柱或直接採用樁基法等;注漿加固和強化采空區圍岩結構,充填采動覆岩斷裂帶和彎曲帶岩土體離層、裂縫,使之形成一個剛度大、整體性好的岩板結構,有效抵抗老采空區塌陷的向上發展,使地表只產生相對均衡的沉陷,以保證地表構築物的安全;採取措施釋放老采空區的沉降潛力法,在采空區地表未利用前,採取強制措施加速老采空區活化和覆岩沉陷過程,消除對地表安全有較大威脅的地下空洞,在沉陷基本穩定後再開發利用該地基,常用方法有堆載預壓法、高能級強夯法和水誘導沉降法等。

關於采空區變形破壞及治理,杜甫志[28]、鄧緒雲[29]等介紹了采空區穩定性治理在工程上的應用。羅一忠[30]等從安全形度對采空區圍岩失穩的事故致因機理迸行了探討,將人工智慧中的神經網路技術用於大面積采空區失穩辨識研究;來興平等[31]研究了采空區穩定性非線性監測監控技術問題,將非線性穩定性理論應用在采空區圍岩失穩的預測,並迸行了采空區非線性動力失穩的計算機數值模擬研究;馬金榮等[32]提出了煤礦采空區場地建築適宜性工程地質研究方法;郭廣禮[33]等研究了老采空區上方建築地基變形的預測方法、介紹了地基處理注漿技術等;金太平[34]、楊雙安[35]、劉著華[36]等研究了采空區及塌陷區的探測方法;隋旺華[37]對岩體移動變形破壞規律、淺部采空區上岩體內應力分布及它們與工程地質的條件關系迸行了研究;顏榮貴[38]完成了概率積分法完整封閉的體系,把變形預計從地表二維問題推廣到三維問題,從地表到岩體內部,從地下開採到地表露天開采,並提出了解決采礦地表大型工業建築這一課題的研究思路、方法、方案及措施,並應用到具體的工程實例中;姜德義[39]從岩鹽溶腔穩定性動力分析中用突變理論研究岩鹽單井溶腔頂板、連通井頂板穩定性及井組間礦柱失穩的臨界條件及突變時的突跳和能量釋放,以深入了解頂板岩體運動過程和礦柱失穩的發展過程;潘岳[40,41]、李江騰[42]等應用尖點突變理論對礦柱非穩定系統迸行了探討,導出礦柱變形突跳量和能量釋放表達式、失穩的充要條件;郭文兵、鄧喀中[43,44]等應用突變理論建立了條帶煤柱破壞失穩的尖點突變模型,導出了條帶煤柱破壞失穩的充要條件表達式,並考慮了地下水對條帶煤柱穩定性的影響,認為地下水的作用會降低條帶煤柱的穩定性。

近年來,隨著計算機運算速度的提高,數值模擬方法有了很大的迸步,應用越來越廣泛,已經成為岩石力學研究和工程計算的一種重要手段。然而,盡管數值計算的方法及理論越來越完善,但也並不能完全適應復雜的工程地質條件,從而使計算機模擬定量結果只能作為定性或定量評價的參考。現在的數值模擬方法主要有離散元法、有限差分法、有限單元法、半解析法、邊界元法以及上述各種方法的耦合。國內外已經有許多比較成熟的可用於岩土工程分析的有限元計算軟體,如SAP、ADINA、NCAP、FLAC、ANSYS、UDEC等。有限單元法與邊界元法類似,目前用於地表沉陷分析的有 S.L.Crouch 等提供的TWODD、TWODI、TWOFS程序及E.Hoek等研究的二維線彈性程序,而且已經有應用邊界元法迸行三維非線性分析裂隙及斷層、蠕變岩體等研究的報道。離散單元法適用於節理岩體的分析,並能夠模擬采動破碎的岩體,其在采礦工程中得到了一定的應用。目前,二維離散單元程序已很成熟,三維問題的研究也迸展很快,FLAC3D是由美國ITASCA公司開發的顯式有限差分數值計算程序,近年來應用比較廣泛,適用於模擬大變形。封雲聰等[45]利用有限元迸行采空區應力分布的計算;成樞[46]對岩層與地表移動數值迸行了分析;郭倉[47]等利用FLAC3D對不同采留寬條帶煤柱的豎直應力分布和地表最大下沉值迸行研究;謝和平[48]、李治國[49]等利用FLAC3D對采空區穩定性迸行數值模擬計算與分析,並探討了在采空區上方迸行建築的方法以及在工程上應用的實例。

騰永海[50]以建築物荷載的影響深度、采空區裂隙帶發育高度不互相重合來判斷采空區地基的穩定性;余學義[51]、童立元[52]、李鳳玲[53]、宋金棟[54]、何志攀[55]等著重對采空區剩餘變形對高速公路的影響迸行了預計分析,並對高速公路與下伏采空區相互作用分析理論及其采空區處理技術迸行了系統的研究;高文龍[56]對采空區特高壓輸電桿塔的穩定性迸行了研究;馬超[57]等在煤礦開采沉陷理論的基礎上,對影響塌陷面積的主要因素迸行了深入分析,導出了塌陷面積和萬噸塌陷畝數的計算公式;陳海波等[58]研究了電力勘測中采空區架空送電線路塔基穩定性問題。

美國各主要採煤州都成立了處理采空區沉陷問題的專門機構,並有專門處理采空區地基的岩土公司,主要為對采空區迸行處理並建設建(構)築物。根據文獻[ 59,60] 的分析可知,美國賓夕法尼亞州西部城市園林學院用大容量注漿法處理了幾座建築物下的采空區並控制了其沉降,懷俄明州、西弗吉尼亞州為了控制大面積采空區上方地表沉降,採用了注漿處理的措施;前蘇聯地質注漿專業公司也曾用過注漿法,處理了瓦赫魯舍夫礦的下伏采空區。20世紀80年代,英國、德國、波蘭等國的一些學者,相繼研究了采空區等地下空洞對公路的危害性問題,如Jonee、CJFP[61,62],Sargand Shand M[63]等,但成果零亂不系統。國外采空區穩定性問題大多數是針對局部開採的廢棄礦區,研究方法缺乏較深入系統的理論研究,主要採用調查統計方法。採取的處理措施包括採用灌注漿法、深樁基局部支承覆岩、全部充填采空區支承覆岩、水誘導沉陷法等,處理後的地面主要用於開發建設居民區等。

無論國內外,上述研究均基於「三下」(建築物下、水體下、鐵路下)採煤或煤炭采出後采空區圍岩僅受岩移作用前提下迸行的,而地下煤炭采出後經過一段時間采空區上覆岩層形成相對穩定的結構,並處於相對平衡狀態,但采空區常常會充滿大量積水,這些水對上覆岩層及附近煤柱的力學特性均產生不同程度的影響,並誘發已經處於相對穩定的上覆岩層及地表再次發生不同程度的冒落與塌陷,而對於淺埋煤層的老采空區,在大氣降水或地下水影響條件下及地表列車荷載共同作用下淺伏采空區變形破壞問題的系統性研究較少。

因此,本研究以穿越內蒙古鄂爾多斯市東勝礦區某鐵路為背景,通過理論分析、室內的實驗研究及相似材料模擬試驗、數值模擬等方法,對水及列車荷載作用下淺伏采空區變形破壞迸行深入系統的探討。

B. 圖像處理與分類方法

(一)圖像處理方法

全景鑽孔攝像系統實現視頻圖像數字化的基礎是用C++語言編制而成的採集軟體和分析軟體。採集軟體使探測到的鑽孔視頻圖像數字化,再通過分析軟體對其中的信息圖像進行識別,完成對數字圖像和重要信息的存儲和維護。

採集軟體(圖9-17)的主要功能如下:

1)捕獲圖像。通過新建gra格式的文件捕獲視頻數據,並形成數字圖像。在進行圖像捕獲之前需設定視頻數據的工作環境(鑽孔孔徑、探頭直徑等),以滿足數據轉換的要求。

2)實時顯示。在進行圖像捕獲的同時將處理後的直觀圖像快速地顯示出來,便於實時監控數據處理過程。

3)圖像存儲。將捕獲後的數字圖像以gra文件的格式存儲於計算機硬碟中。

4)圖像識別。對某幀或某些幀圖像中的有用信息進行計算分析,從中獲得具體數據,主要包括:識別羅盤圖像並計算羅盤方位,識別深度數據。

5)深度修正。對視頻圖像中的深度數據與真實的深度進行修正。

圖9-17 數據採集軟體(BHImgCapt)

數據分析軟體(圖9-18)的主要功能如下:

1)形成三維圖像。三維圖像就是三維鑽孔岩心圖,它是通過鑽孔孔壁圖模擬出來的,也稱為「虛擬」鑽孔岩心圖,形成的三維圖像便於更直觀地觀測孔壁。

2)計算分析。計算分析的功能包括計算結構面產狀和隙寬、建立結構面資料庫、備注結構面的幾何形態等,為進一步對結構面進行統計分析創造條件。

3)列印輸出。統計分析形成的任何圖像都可以彩色列印輸出。

圖9-18 數據分析軟體(BHImgCapt)

(二)統計分類方法

為了更直觀地展現經數據採集與分析軟體獲得的孔內結構面數據(結構面產狀、深度、張開度及裂隙填充情況等)分布特徵,首先藉助 Microsoft Excel的數據統計功能將結構面數據按傾角和張開度大小進行分類匯總(表9-4和表9-5),然後用統計分析軟體Origin和DIPS繪制裂隙的傾向玫瑰花圖和產狀極點密度圖(圖9-19和圖9-20)。

表9-4 按傾角大小的分類匯總

表9-5 按隙寬大小的分類匯總

圖9-19 Origin軟體界面及傾向玫瑰花圖

圖9-20 Dips軟體界面及產狀極點密度圖

C. 如何探測地下有煤炭和它的儲存量

2.1 磁探測法〔1,2〕
磁探測法的實質是,煤層上覆岩石中一般含有大量的菱鐵礦及黃鐵礦結核,煤層自燃時,上覆岩石受到高溫烘烤,其中鐵質成分發生物理化學變化,形成磁性物質,並且保留有較強的磁性。烘烤後的上覆岩石的磁性隨自燃溫度升高而增強。早在60年代我國西北各省就用磁法結合電法勘探煤田火區,取得了一定成果。印度也利用此法確定Jharia煤田的自燃火災區域范圍,得到了十分滿意的效果。俄羅斯、烏克蘭也曾用此法確定煤田自燃火區范圍。從這一方法的實質和目前應用的情況看,磁探測法主要用於煤田火區,而對於生產礦井自燃高溫的探測應用較少,這主要是因為:①當自燃火源溫度小於400℃時和烘烤時間短時,上覆岩石或煤層中就不能形成較高的磁性;且對於生產礦井而言,要處理的是煤自燃高溫區域,自燃煤溫較低和烘烤時間短,這樣用磁法探測的效果並不理想;②對於生產礦井,井下高溫區域周圍鐵性物質多,磁探測法則無法有效使用。③煤層頂底板和煤中分布的鐵質結核不均勻,給磁測法探測自燃火區帶來一定困難。
2.2 電阻率探測法〔2〕
正常情況下,埋藏於地下的煤層,沿走向(或其它方向)因其結構狀態和含水性變化不大,電阻率基本保持不變。但當煤炭自然發火後,煤層的結構狀態和含水性發生較大變化,從而引起煤層和周圍岩石電阻率的變化。在自燃的初期,電阻率會下降;在自燃後期,由於煤較充分燃燒,其結構狀態發生較大變化,水分基本蒸發掉,表現為較高的電阻率。因此,可根據觀測結果比較未自燃區和自燃區的變化情況,判斷自燃區域的位置,這就是電阻率法探測自燃發火區域位置的原理。由於煤在自燃的初期,煤電阻率的變化不明顯,致使電阻率探測法的探測精度受限;加之井下雜散電流多,用於井下高溫區域的探測比較困難,目前國內外多用於露天開采和煤層露頭自燃火源的探測。
2.3 氣體探測法
煤自燃在不同的溫度,其產生的氣體種類和濃度是不同的;故根據氣體種類和濃度,依次判斷煤的自燃溫度,並據氣體濃度梯度大致確定高溫區域的范圍。氣體確定高溫區域范圍可在井下或地面進行。
2.3.1 井下氣體探測法
通常稱為氣體分析法,是目前國內外廣泛應用的煤炭自燃的預測預報方法。對某礦當煤質一定時,其煤自燃生成的氣體組分與溫度有一定規律,用儀器或束管監測系統檢測煤自燃釋放的氣體,以確定煤的氧化溫度和煤炭自燃區域的可能范圍,但它無法知道煤炭自燃的位置和發展變化速度,並且易受井下通風因素的影響。
2.3.2 地面氣體探測法
由於煤炭自燃火源區域與地面存在一定的壓差和分子擴散,使自燃火源向地面有著氣體流動,而在地表層中產生一些有代表性氣體是從煤炭自燃點垂直方向放射的,據此在地面可布置測點測量,來判斷火源點大致位置。這種方法對於煤層埋藏較深,氣體不能擴散至地面,且氣體向上運移發生物理化學變化時,就無法使用。
2.4 氡氣探測法
氡氣探測是一種放射性探測方法,它兼有物探和化探的特點。它的原理是煤層自燃後,隨煤溫升高,氡氣濃度上升,在地面布置觀測點,應用α卡法、210Po法等,收集並測量氡氣濃度,依此判斷火區位置。國內山西礦業學院用此法在地面探測煤礦地下火源,並在古交北溝礦、潞安礦務局石圪節礦進行了成功應用,從應用情況來看,這種方法目前只在地面使用,自燃溫度一般超過200 ℃;且用氡氣量值也無法判斷自燃的燃燒程度及其溫度。
2.5 煤炭自燃溫度探測法
2.5.1 測溫儀表與測溫感測器聯合測溫法
這是目前國內外最為廣泛應用的一種方法,兗州礦區東灘煤礦也採用此法測量煤溫。據探測地點不同分為地面探測和井下探測。
(1)地面探測法〔3〕。在自燃火區的上部利用儀器探測熱流量或利用布置在測溫鑽孔內的感測器測定溫度,根據測取的溫度場用溫度反演法來確定自燃火區火源的位置。這種方法常用於火源埋藏深度淺、火源溫度高,已燃燒較長時間的火區。波蘭、俄羅斯曾應用此法探測煤層露頭的自燃火區范圍,探測深度在30~50 m。
(2) 井下探測法〔4〕。此種方法是把測溫感測器預埋或通過鑽孔布置在易自燃發火區域(采空區和煤層內),根據感測器的溫度變化來確定高溫點的位置、發展變化速度,這種方法受外界干擾少,測定準確,煤溫只要升高,感測器位置合適,就能有效探測。這是目前井下准確的探測方法。山東礦業學院已成功地開發了適於井下應用的MKT-Ⅰ,MKT-Ⅱ和MKT-Ⅲ(自動監控)電腦型測溫儀,此儀器的最大特點是測定準確,和測定距離長度無關。東灘煤礦應用此法在井下進行了成功的探測。由於測溫及時、准確,為高溫點的消除起到了積極的作用。
(3) 測溫儀表與測溫感測器聯合測溫法的缺陷。盡管此種探測法測定準確、可靠,彌補了上述一些探測方法的不足,但它本身也存在一些問題值得研究:①感測器的布置是探測自燃高溫區域的關鍵,數量、位置准確,就能有效控制自然區域高溫點;但這些布置參數受煤體溫度場傳導速度的限制,由於煤的導溫系數較小,要想測取煤體溫度,控制自燃位置,就要布置一定數量的感測器;②測溫鑽孔:要測取煤體溫度,就必須在煤體內布置測溫感測器,因而就需要測溫鑽孔,增加了工作量。
2.5.2 紅外探測法〔5,6〕
在國內外這一方法已較廣泛用於地面煤堆自燃和井下煤炭自燃火源的探測。探測儀器有紅外測溫儀和紅外熱成像儀,應用最多的是紅外測溫儀。俄羅斯採用紅外測溫儀,美國採用紅外測溫儀和熱成像儀探測煤壁和煤柱自燃溫度;國內兗州、開灤、徐州等礦區採用紅外測溫儀測定井下煤壁溫度。紅外測溫儀是測取點溫,紅外成像儀是掃描成像測取溫度。在國內,紅外熱成像儀井下沒見應用,而在煤田地質調查、地震預報、地下水探測、岩突、岩爆等方面得到了應用。隧道和巷道內由岩石的應力引起的表面0.2 ℃左右的溫度變化就可被測到,從而可分析引起災害的程度。
紅外探測法的實質是自然界的任何物體只要處於絕對零度(0 K)之上,都會自行向外發射紅外線。其發射能量如下式

E=εαT4 (1)

式中 ε——輻射系數,其值為0<ε<1,岩石和煤體一般為0.7~0.98,輻射系數受物體化學組 分、表面狀態、內部結構、含水量、孔隙度等影響;
α——斯蒂芬-玻爾茲曼常數,5.67×10-12 cm2.K4;
T——物體的絕對溫度,K。
從式(1)可看出,物體的溫度越高,輻射能量就越大,紅外測溫儀器接受輻射量而轉換的輻射溫度就越高,因此就可利用紅外測溫儀器對溫度的高解析度來探測井下巷道自燃位置。
在通常情況下,自然界的紅外輻射區域是362K(89℃)至207K(-66℃),即波長在8~14 μm的大氣窗口區域內。 紅外技術是探測物體表面的紅外輻射溫度,它不同於物理溫度,物體表面的紅外輻射溫度取決於物體表面物理溫度及其物體的物質成分、含水量、表面粗糙度、顆粒大小、孔隙度、熱慣量(比熱、熱傳導率、比重)等諸多因素;這些因素的任一項微小變化,都會引起紅外輻射溫度的變化。因此,在排除干擾因素後,提取同種物質的溫度變化異常信息是至關重要的。
紅外熱成像儀類似於攝像機,它將鏡頭視場內景物的紅外輻射溫度場(25°×20°的景物),通過鍺透鏡聚焦到紅外敏感原件上(單點掃描式、線陣或面陣排列),轉換成電信號,經電路放大、模/數轉換、記錄並顯示,當然還得有一套復雜的處理軟體,其結果通常將其視為景物的溫度圖像,現以TVS-600熱像儀為例,在熱像儀距景物2 m時,攝得景物面積為:2×tan25.8°=0.97 m(水平方向), 2×tan19.5°=0.71 m(垂直方向),在0.97 m×0.71 m內又有320×240個像點,每個像點的面積為2.8 mm×2.8 mm,就是說只要有7.84 mm2面積的熱異常(大於0.15℃)就能被發現。而煤壁總有一些微裂隙,微氣孔的熱傳導、熱對流和熱擴散,使表面局部產生溫度變化,從而觀測到紅外輻射溫度異常,故利用紅外熱成像儀准確探測自燃高溫區域成為可能。關鍵在於如何通過溫度異常來診斷自燃高溫點。
另外,非致冷的面陣探測器(紅外敏感元件)是當今紅外科學發展的新貢獻,它給行業使用帶來了方便,就不需要如液氮等致冷液體、氣體或壓縮機(小型循環致冷),同時減少了雜訊、耗電量和重量。

D. 煤炭能源開發與地質環境互饋效應調控研究思路及方法

一、研究目標

通過廣泛收集資料、遙感、野外地質調查、取樣測試、野外試驗、室內實驗等工作手段對整個鄂爾多斯盆地內煤炭開發與地質環境的互饋效應進行調查研究;在此基礎上,選擇大柳塔礦區、銅川礦區作為兩個重點研究區,結合重點區地質環境現狀、環境保護現狀及國外最新地質環境保護技術對其現有生態環境保護與建設方案進行優化;並根據前期研究找到重點區生態環境建設應解決的關鍵問題進行技術攻關,為煤礦區生態地質環境建設提供可靠的技術支撐。

二、研究內容

1)「基地」煤炭開發與地質生態環境互饋效應調查研究。

2)典型煤礦區現有生態環境保護與建設優化方案。

3)典型煤礦區關鍵技術攻關。

三、技術路線

1.在「基地」煤炭開發與地質生態環境互饋效應調查研究方面

採用采樣、試驗等方法,進一步調查「基地」煤炭開發引起的水-土-環境污染和生態環境破壞現狀,對其種類、強度和內在機理進行分析,同時利用遙感解譯方法調查「基地」煤炭開發引起的水-土-生態環境變化的面上分布特徵和規律性。另外對研究區現在進行的環境保護措施對能源開採的反饋效應進行調查研究。

(1)地面調查

內容包括地下水疏干、礦坑廢水排放、地面塌陷與地裂縫、地表植被破壞等。

(2)遙感解譯

選擇合適精度的遙感影像進行解譯,解譯內容為煤炭開采前後地質生態環境的變化,以及露天煤礦、尾礦堆分布情況等。

(3)環境保護措施對煤炭開采反饋效應調查研究

調查內容包括潔凈煤生產技術應用情況、礦坑廢水處理等環境整治措施和各種塌陷地復墾的生態效益和社會、經濟效益。

2.在典型煤礦區現有生態環境保護與建設優化方案方面

在典型煤礦區互饋效應調查的基礎上,進一步把重點區正在實行的生態環境保護和建設方案與國內外其他能源基地生態環境保護和治理的方法、手段進行對比研究,總結各種生態保護和建設方案的優缺點,根據重點區煤炭開發引起的水-土生態地質環境問題的特點,探討重點區各種生態建設方案的優化措施,對在重點區具有利用前景的方法進行進一步深入調查研究,制定出具有可行性的優化方案。

3.在典型煤礦區關鍵技術攻關方面

根據前期研究找到重點區生態環境建設應解決的關鍵問題進行技術攻關,並利用攻關成果進行關鍵技術的應用示範。在進行深入分析的基礎上,我們選擇了大柳塔採煤塌陷區土壤水資源綜合利用技術與銅川礦區水資源保護技術、地面塌陷和地裂縫災害治理的技術、煤矸石利用技術開展重點攻關研究。

四、工作方法

通過廣泛收集資料、遙感、野外地質調查、取樣測試、野外試驗、室內實驗等工作手段,在兩個典型研究區———銅川礦區和大柳塔礦區進行重點研究,其中銅川礦區作為地處黃土地區的老型、即將封閉、面臨轉型的典型礦區,大柳塔礦區作為一個地處黃土與沙漠交接帶的新型礦區,分析兩礦區在煤炭開發過程中所面臨的不同地質環境問題及防治措施。在此基礎上針對兩個不同類型礦區存在的關鍵技術問題進行技術攻關,提出地質環境保護優化方案。

下面將對遙感解譯方法及重點區工作方法分述如下:

(一)遙感解譯方法

1.研究內容

以大柳塔礦區為例,研究煤炭資源開發對地質環境的影響,利用多期遙感影像對比,分析環境保護治理技術對礦區地質生態環境的改善作用。

主要研究內容包括以下幾個方面:

(1)遙感數字圖像處理

對研究區遙感數字圖像如TM,ETM+,SPOT-5進行預處理和增強處理,使礦區第五信息特徵明顯,易於識別。

(2)遙感信息提取

採取人機交互解譯方式提取1989~2002年鄂爾多斯盆地礦區土地利用、覆蓋變化信息;2007年礦區開發佔用土地信息、引發的地質災害及礦山生態環境恢復預治理信息等。

(3)遙感影像專題地圖的製作

1989年、2002年大柳塔礦區土地利用、覆蓋動態監測圖;礦區生態環境遙感監測圖;大柳塔礦區地質環境遙感影像解譯等圖件的製作。

2.技術路線

(1)土地利用/覆蓋動態監測

1)收集研究區1989年TM數據、2002年ETM+數據;

2)進行波段選擇,同時進行數據的校正等常規的預處理,使相關數據統一在同一地理坐標;

3)進行野外調查工作,根據初步處理的遙感影像,建立基本解譯標志;

4)採用人機交互方式對土地利用/覆蓋動態變化進行解譯,並分析解譯精度;

5)對解譯結果進行面積統計和分析。

(2)環境調查與監測技術路線

1)收集資料,了解礦區礦山地質、地貌和環境特徵,礦山開采現狀和歷史,礦山尾礦和廢礦的排放和堆積情況;

2)對SOPT-5數據進行圖像增強、波段選擇,並進行正射校正;

3)進行野外調查工作,根據初步處理的遙感影像,建立基本解譯標志;

4)採用人機交互方式對SPOT-5數據進行礦產開發佔用土地、地質環境破壞解譯。

(二)大柳塔礦區運用的主要方法

在全面調查大柳塔礦區煤炭開發引起的地質環境現狀、現有地質環境保護措施及現有保護措施對煤炭開發的促進作用等基礎上,發現該礦區煤炭開發引起的主要地質環境問題是地面塌陷。地面塌陷造成該礦區土壤資源和水資源破壞嚴重。尤其是礦區地表塌陷造成的包氣帶結構變化及對土壤水分運移機製造的嚴重影響,是礦區生態環境惡化的主要原因。因此,為深入了解礦區採煤塌陷區包氣帶中土壤水分的運移情況,探討採煤塌陷區的土壤水資源保護與綜合利用技術方案,本項目採用野外試驗與室內實驗相結合的方法,在研究區內選取典型地點建立野外水分運移試驗場;針對包氣帶水分運移中的難點,開展室內物理模擬實驗作為野外試驗的補充,對採煤塌陷條件下包氣帶水分運移機理及其生態環境效應進行了重點研究,繼而提出了採煤塌陷區土壤水資源保護與綜合利用技術方案。具體工作方法如下:

1.野外水分運移試驗方法

(1)試驗目的

為了分析、認識採煤塌陷區與非塌陷區包氣帶水分運移機理及其生態環境效應,獲取可靠試驗觀測數據。

(2)試驗地點

野外水分運移試驗場(以下簡稱試驗場)試驗地點選擇在陝西省神木縣大柳塔鎮前柳塔村原雙溝農場,試驗場布置如圖1-2所示。

圖1-2 大柳塔野外試驗場布置圖

(3)觀測點

試驗場包含兩個觀測點,即非塌陷區水分運移觀測點和塌陷區包氣帶水分運移觀測點。

(4)裝置

在每個試驗點安裝1套4m深中子儀測管,1套負壓計系統,每套負壓計系統配帶30個負壓計測頭(依據實際條件進行調整)。整個試驗場需中子儀一套,WM-1型負壓計系統兩套。

(5)監測方法

土壤含水量採用中子儀進行監測。在試驗場塌陷區試驗點和非塌陷區試驗點均安裝中子水分儀觀測管,野外測試點土壤剖面含水量的測量共40個測點。第一個測點距地表10cm,在200cm深度以上測點間距為10cm;200~400cm深度,測點間距為20cm,400cm為最深測點。各試驗點在凍結期為每10d觀測1次。在凍融期開始以後改為每3d觀測1次。雨後第一、第三天各觀測1次,以後改為正常的每3d觀測1次。

土壤水勢採用WM-1型負壓計系統進行監測。負壓計測量系統採用斜插暗埋式安裝。測點位置與含水量測點位置一致,即第一個測點距地表10cm,在200cm深度以上測點間距為10cm;200~400cm深度,測點間距20cm,400cm為最深測點。總測點設計30個。負壓計觀測時間和次數與中子儀觀測同步進行。

2.水分運移室內物理模擬實驗方法

(1)實驗目的

1)了解細砂(風積沙)、粗砂(薩拉烏蘇組粗砂)、二元結構體(上細砂下粗砂)條件下包氣帶水分運移狀況;

2)了解不同降雨條件下包氣帶水分運移規律;

3)了解包氣帶水分滲漏過程及規律。

(2)試驗地點

中國地質科學院水文地質環境地質研究所物理模擬大廳。

(3)裝置

土柱,水位測壓管,馬里奧特瓶———水位控制裝置,排泄量測量裝置,物理模擬實驗降雨裝置,WM-1型負壓計系統。

(4)實驗試土

物理模擬實驗模型試土取自大柳塔,為雙溝野外試驗場兩種主要的土壤———細砂(風積沙)和粗砂(薩拉烏蘇組粗砂)試土機械組成見表1-1。試土分別填裝在4根4m高的土柱中,其中1#土柱內全部為風積砂;2#土柱內全部為粗砂;3#、4#土柱內為二元結構體(上部為風積沙,下部為粗砂),開展平行實驗。

表1-1 試土顆粒分析表

(5)實驗前期工作———試土預處理及負壓計安裝

試土填裝後,對土柱進行由下向上飽水處理。完全飽水持續15d,而後排水,使試土在排水過程中自然穩定。排水結束後,對土柱進行負壓計安裝,詳細信息見表1-2。

(6)試驗內容

1)單次40mm降雨入滲試驗;

2)3次疊加降雨入滲試驗(降雨量擬為10mm,20mm和8mm,降雨間隔分別為7d和15d);

表1-2 室內實驗土柱信息一覽表

3)單次100mm降雨入滲試驗(各土柱各次降雨信息見表1-3至表1-6)。

(7)觀測方法

室內實驗使用WM-1型負壓計系統對土水勢進行長期觀測,一般每天觀測2次,分別在早7:00和晚6:00。降雨期間及隨後幾天內進行加密觀測(具體次數根據濕潤鋒前移速度定),為實驗期間正常工作的WM-1型負壓系統觀測板。土壤含水量則進行取土觀測。

表1-3 1#土柱模擬降雨信息一覽表

表1-4 2#土柱模擬降雨信息一覽表

表1-5 3#土柱模擬降雨信息一覽表

表1-6 4#土柱模擬降雨信息一覽表

(三)銅川礦區運用的主要方法

1)通過收集資料和調查走訪的形式,初步了解銅川礦區所存在的礦山地質環境問題。通過收集資料、野外調查和採集樣品,分析銅川礦區所存在的礦山地質環境問題,並分析成因,尤其要注重煤炭開發與礦區地質環境問題之間的關系。針對銅川礦區的主要地質環境問題,重點研究煤矸石對環境造成的影響、煤炭開發對水資源的影響和引起的地面塌陷的影響。

2)為了研究煤炭開發對水資源的影響,在銅川礦區的井下水倉、排水口、污水處理場、煤矸石淋濾液及河流中採集了水樣,以研究煤炭開發對水資源污染方面的影響,同時還調查收集了煤炭開采引起的地下水資源的水位、水量、水質、水源地等的變化情況。

3)為了研究煤矸石對環境的影響和開展綜合利用,在不同的礦區採集了煤矸石樣品,測定其化學含量,同時還調查走訪了礦區中煤矸石現在的利用情況。

為了觀測矸石山揚塵對土壤的影響,在矸石山的下風向方向採集了表土樣品。沿風向布設采樣線,各個采樣點距離矸石山的距離分別為5m,10m,15m,20m,30m,50m,150m,300m,500m,在1000m以外採集樣品作為背景值,每個土壤樣品均取表土(0~15cm深)。

為了研究煤矸石山對土壤的影響,在距離矸石山1m和5m的距離採集了兩個土壤剖面樣品。兩個剖面中采樣點距離地面的距離分別0cm,10cm,20cm,30cm,40cm,50cm,60cm,80cm,100cm,120cm,140cm,160cm,180cm,200cm。每個樣取200g,對所取的樣品進行土壤易溶鹽全分析及重金屬含量測試。

為了研究矸石山對植物的影響,在矸石山周邊和背景區分別採集了植物全莖樣品,進行重金屬含量的測定。根據植物中重金屬含量的富集情況,一方面可以了解煤矸石對周邊植被的影響;另一方面也可以根據植物對某些重金屬的富集能力進行重金屬污染的治理修復。

4)為了研究礦區的地面塌陷和地裂縫情況,課題組除了收集銅川礦務局關於地面塌陷資料外,還對礦區中的部分塌陷和地裂縫進行了實際的野外調查工作。

5)為了改善礦區的環境,促進城市的轉型,在前述工作的基礎上,對銅川礦區對環境影響較大的地面塌陷、煤矸石和水資源問題進行了治理規劃優化方案,希望實現煤矸石資源化和礦井水資源化,減少污染,保護環境,改善環境,為城市的順利轉型做好基礎工作。

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