采煤沉陷区调查与监测方法

［摘要］为研究河北省采煤沉陷区调查与监测方法，从遥感解译、InSAR监测、无人机航空摄影、野外调查等方面进行方法探索，结果表明，光学遥感技术、InSAR技术、无人机航空摄影技术及野外调查手段方法可靠，能够满足河北省采煤沉陷区调查与监测工作。

［关键词］河北省；采煤沉陷区；调查与监测方法

河北省是产煤大省，多年的煤矿开采使得采煤沉陷成为河北省土地利用变化的重要影响因素，同时也产生了诸多生态环境问题［1］。河北省采煤沉陷区主要分布在唐山、邯郸、邢台、石家庄、张家口、承德、保定、秦皇岛等8个区市。为推进采煤沉陷区综合治理，河北省积极创新治理模式，按照宜耕则耕、宜林则林、宜草则草、宜水则水的要求，大力开展生态修复和地质灾害防治，在安全保障、民生改善、产业发展等领域取得了一定成效［2］。但是，河北省采煤沉陷区治理难度依然较大，总体局面尚未得到根本改变。由于沉陷区分布范围广、影响面积大、涉及人口多，治理需要巨大投入，系统开展采煤沉陷区调查与监测工作迫在眉睫。本次主要从遥感解译、InSAR监测、无人机航空摄影、野外调查等方面对河北省采煤沉陷区调查与监测方法进行研究［3］。

1地面沉降监测工作及技术手段

采煤沉陷区地面沉降常规监测技术有水准测量、GPS测量等［4］。该类技术在沉降监测过程中主要是通过对相对较少点进行观测，后续通过平差、插值等计算手段获取区域内的沉降结果。优势在于其对单点监测时的高精度。但在大面积、长时间系列监测方面，存在点密度过低、困难区域无法完全覆盖、时间与空间连续性较弱、埋设的观测桩容易灭失等问题，在经济效益上存在观测点的建立与维护费用高、效率相对较低、人工成本较高等缺点。InSAR技术是采用具有全天候、大面积、高分辨率等特点的雷达卫星通过相位变化来进行地表变形监测，能够把握区域形变的宏观趋势，弥补常规技术在沉降监测中的观测不同步、时间频率低、空间范围小等劣势，能实现稳定地长期对地观测。在经济效益上，雷达数据的幅宽大，监测覆盖范围广，不用建立和维护观测桩，节省了大量的人工成本，效益好。2008—2010年，中国国土资源航空物探遥感中心运用InSAR技术，对华北平原地面沉降的分布现状与变化特征进行了调查和监测，并开展了主要工矿区（开滦矿区、峰峰—武安矿区）地表形变连续动态监测应用，形成了先进实用的区域性地面沉降InSAR监测技术方法体系。2008—2020年，河北省地质环境监测院（河北省地质环境监测总站）陆续开展过河北省平原区的地面沉降监测工作，主要技术手段包括二等水准测量、标石埋设、分层标监测、光纤分层标钻孔、地面沉降光纤监测系统等。上述工作的开展证明，运用InSAR技术对采煤沉陷区地面沉降进行监测是可行的。

2调查与监测技术路线

首先收集整理河北省重点煤矿采煤沉陷区相关地质资料和高分辨率光学卫星数据以及雷达遥感数据；再分别对光学与雷达遥感影像利用遥感数据处理专业软件进行数据标准化以及预处理，以光学遥感、InSAR、无人机航空摄影等技术手段，适时地获取客观基础数据，对工作区域内采煤沉陷区地面沉降进行监测分析；并利用以往水准测量和GPS测量数据对InSAR技术监测结果进行精度验证。同时对照现有相关地质数据，确定采空区、采煤沉陷区范围；充分应用已有调查成果，确定塌陷坑、地裂缝分布范围，调查、统计损毁土地分布及破坏程度，并进行实地调查。调查与监测技术路线如图1所示。

3调查与监测工作方法

工作方法主要包括资料收集与整理、采煤沉陷区地面沉降InSAR监测、遥感解译、野外实地调查、综合研究。

3.1资料收集

收集的资料主要包括以往采空区、采煤沉陷区范围界线调查、分析等资料；煤矿地质、矿产、水文、环境等相关报告；矿区地形图、采掘工程平面图、井上井下对照图等各类地质图件；地下水位数据和物探数据、各类测量数据等；同时收集、购置高分辨率光学遥感数据与SAR卫星数据，以及工作区已有的高精度DEM数据。

3.2采煤沉陷区遥感解译

遥感解译工作主要以人机交互方式进行。包括建立解译标志、初步解译、野外验证和室内详细综合解译4个步骤。利用遥感影像的色调、颜色、形状、大小、纹理、图形或图案、阴影等影像特征，重点解译工业广场、矿山废弃物堆场（废石堆场、尾矿渣、煤矸石堆等）、地面塌陷的分布、形态、数量、面积等，解译调查区耕地、林地、草地、水体分布、面积，解译调查区地貌景观及植被破坏等位置、面积等，配合野外验证分析其危害对象、危害程度、稳定状态、发展趋势以及产生的原因等。对于危及城镇、重要建筑物、矿山设施、交通、村庄等附近的地质灾害及其隐患点，以及不易解译的地面塌陷、地裂缝、有疑问的图斑等，应结合地面调查工作，进行100%的野外调查验证。一般解译程度较好的矿山地质环境问题及图斑，结合地面调查，野外验证率应不低于50%。

3.3高精度无人机航空摄影

采用无人机航拍技术，对采煤沉陷重点区域进行勘查，利用大比例尺、高精度航拍影像调查统计沉陷、地裂缝及其他破坏情况。利用优于0.1m倾斜摄影测量数据制作三维模型，为灾害评估提供精确的依据。

3.4采煤沉陷区地面沉降监测

以采煤沉陷区为工作区对象，制定SAR卫星数据计划，以小基线集（SBAS）技术为主要技术手段，结合其它SAR数据时间系列分析技术，以沉陷区范围解译为需求。利用InSAR小基线集技术获取的形变结果，通过实地观测资料验证，结合以往调查资料，对采煤沉陷区范围界线数据进行补充与更新，综合确定河北省煤矿采煤沉陷区的范围、分布。获取各个采煤沉陷区的沉降量、沉降速率及累计沉降量，编制各个采煤沉陷区的形变速率和形变序列图，编制采煤沉陷区形变监测图件，并利用以往水准测量和GPS测量数据，对InSAR技术监测结果进行精度验证。小基线集，又称短基线集，是目前有代表性的高级（多基线）DInSAR方法之一。其初衷是用于提取低分辨率、大尺度地表形变。小基线集方法根据获取SAR影像序列在时间、空间基线的分布，首先将数据组合成若干个集合，即集合之内，干涉对空间基线距小，而集合间干涉对空间基线距大。在地表形变反演阶段，为了连接多个小基线集合，提高数据处理的时间采样率，引入奇异值分解方法，获取形变的最小范数解。具体数据处理流程包括时序SAR数据配准、干涉对组合、高相干点识别、差分干涉、干涉基线精化、大气相位剔除、高程改正量和形变信息提取等。其中配准精度要求距离向达到0.1个像元，方位向达到0.001个像元的精度指标；干涉对组合时空基线阈值设定为时间基线36d，空间基线200m以内；高相干点识别采用双重阈值方法，其中振幅离差阈值为0.25，干涉相干值为0.75；基线误差控制在0.1m以内。标准图幅数据处理严格按照以上提到的精度指标，保证InSAR结果精度达到毫米级。覆盖工作区需要多个标准图幅，数据处理过程为单图幅处理，后期要获取工作区形变分布图，需要进行图幅拼接。采用数据图幅间重叠范围为数据范围的20%，因此可依据公共区域的形变量进行数据拼接。拼接过程包括空间基准统一和系统偏差补偿2个步骤，其中空间位置基准控制在1m以内，图幅间形变误差控制在3mm。

3.5采煤沉陷区野外调查

野外调查内容主要包括土地资源破坏、地形地貌景观破坏、地表（下）水污染、地裂缝、地面塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等，在调查同时进行样品采集。对于调查内容，在实地利用GPS对标志物测定坐标，再根据地形地物分布范围，按比例或用符号标绘在1∶1万地形图上。同时填写调查表和利用数码相机拍摄照片或录制视频。（1）土地资源破坏调查：调查采煤沉陷区土地类型、分布及利用状况；调查固体废弃物堆场占用、露天采场、地面塌陷（地裂缝）、崩塌滑坡泥石流堆积物破坏的土地类型、位置、面积、时间等；调查区矿业活动特征污染物（重金属、酸性水）造成土壤污染的范围、主要污染物及污染途径等；调查废弃土地复垦及土壤污染修复的面积、范围、措施及成效。（2）地形地貌景观破坏调查：调查矿山固体废弃物（废石渣、煤矸石堆、尾矿渣等）、地面塌陷等造成地形地貌改变的地点、方式及范围；调查地形地貌景观破坏对城市、自然保护区、地质遗迹、人文景观及主要交通干线等的影响和两者之间的距离等情况；调查地形地貌景观恢复治理的措施、成效及存在问题。（3）地表（下）水污染调查：主要利用收集资料，配合样品采样等手段，汇总堆放固体废弃物对附近水体、周围土壤污染影响的相关成果资料；汇总采矿疏干排水过程中地下水系破坏情况及防治措施、效果及存在问题等相关成果资料；汇总矿业活动导致地下水污染的途径、方式、特征污染物、影响范围等相关成果资料。（4）地裂缝、地面塌陷调查：调查发生时间、类型、分布、规模（长度、宽度、深度）、成因、形态、数量、危害对象、危害程度、生命及财产损失、稳定状态、发展趋势、防治措施以及治理效果等；调查对地表建筑物、道路、设施、土地等破坏情况；调查对地下（表）水、植被的影响以及人员伤亡和直接经济损失等；调查地裂缝、地面塌陷预防、治理、监测的措施与成效以及存在的主要问题。（5）崩塌、滑坡、泥石流调查：调查矿业活动引发的崩塌、滑坡泥石流发生的时间、地点、规模、人员伤亡和直接经济损失；调查矿山工业场地及道路边坡、采空区山体边部、固体堆积物场等崩塌、滑坡隐患的类型、位置、形态、规模及滑坡稳定性、可能致灾的范围、威胁人员、财产等；调查泥石流类型、形成区、流通区和堆积区、触发水动力因素（降雨、溃决、冻融）及24h、1h和10min降雨量，以及泥石流物源类型、数量、位置、形态、规模、颗粒粒径等；调查泥石流威胁范围内的建筑物、设施、人员、土地等情况；调查崩塌、滑坡、泥石流及其隐患的防治措施、成效及存在问题。（6）样品采集：样品包括污染源污染样、土壤及地下（表）水污染等化学样品。每处调查区，尾矿渣、煤矸石、矿坑排水等污染源样品、代表性区段农田土壤（0~20cm）样品，样品数量根据调查区范围而定。测试项目包括pH值、硫酸盐、硝酸盐、汞、砷、镉、铜、锌、铅、硒、六价铬等，视条件而定。沿矿区地下水补、径、排方向，通过水井等方式，采集地下水污染样品，样品数量根据调查区范围而定。测试项目包括pH、氨氮、挥发酚、氟化物、氯化物、硫酸盐、硝酸盐、总硬度、溶解性固体、化学需氧量、汞、铅、镉、铬、砷、铜、锌等，依据调查区污染源中特征重金属元素，可增减测试元素种类。

4结语

综上所述，光学遥感技术、InSAR技术、无人机摄影技术及野外调查手段方法可靠，运用上述方法，能够满足河北省采煤沉陷区调查与监测工作。

［参考文献］

［1］赵淑英.煤炭开采对生态环境的破坏及防治措施［J］.矿业科学技术，2003（2）：3-5.

［2］黎炜，陈龙乾，赵建林.我国煤炭开采对生态环境的破坏及对策［J］.煤，2011，20（5）：35-37.

［3］朱建军，李志伟，胡俊.InSAR变形监测方法与研究进展［J］.测绘学报，2017，46（10）：1717-1733.

［4］张振生，孟昆，谷延群.D-InSAR技术在矿山沉陷和地面沉降监测中的应用［J］.华北地震科学，2006（3）：47-51.

作者：野兆瑞 单位：河北省煤田地质局新能源地质队