采煤工作面煤火信息提取方法

煤火信息探测效果分析~

（1）利用高空间分辨率的QuickBird遥感影像，通过选取和构建适合本区断裂、裂隙信息提取的边缘检测算子和不同窗口大小的组合实验对比，最终确定了用拉普拉斯边缘检测算子结合高斯平滑滤波的方法，并通过图像的灰度拉伸、栅格转矢量的操作、地物干扰因素（如沙漠、建筑物、街道等）的去除以及实地验证结果等多个步骤，实现了对乌达煤田地表裂隙的自动提取。方法简单明了，操作起来也较为容易，用一般的遥感图像专业软件均可以完成。线性要素自动提取的结果可靠度较高，有一定的实用性和推广价值。
（2）通过本区裂隙信息提取，认识到本区裂隙基本属于张性裂隙或断裂，宽度变化不等，最窄为数厘米，最宽可达3～4m。构成本区煤火区灾害主要依靠三种裂隙提供氧气通道：①构造裂隙，由断层和节理组成；②塌陷裂隙，主要是采空区塌陷裂隙；③燃烧裂隙，因地下煤层燃烧形成的热胀裂隙。构造裂隙是基础，地下采空区塌陷初期沿构造裂隙破裂，中后期沿采空区边缘破裂面切穿构造裂隙，上下竖直状滑动，形成塌陷裂隙群。塌陷裂隙群与采空塌陷伴生，方向位置与采空区一致；采空塌陷型裂隙群贯穿遗煤带与地表大气沟通，通风排烟，形成燃烧裂隙群。
（3）野外抽样检查表明，对裂隙长度10个像元（6m）以上、宽度3个像元（1.0m）的地面裂隙可利用QuickBird全色图像探测出来，探测识别率可达到85%。
（4）采用高分辨率卫星遥感影像⁃地面⁃地下（井上下对照）关联分析方法，通过高分辨率卫星遥感影像与煤矿地下采掘工程、采煤工艺相结合，建立了乌达火区不同类型燃烧中心、裂隙、系统和采煤工作面燃烧信息提取标志，可对4种燃烧中心、4种燃烧裂隙、5种燃烧系统和2种工作面形成煤火的信息进行有效的识别，为地下煤层供氧通道的探测和灭火治理提供了可靠的信息。

地表燃烧裂隙信息反映了地下煤层自燃的供氧通道位置、范围、分布和走向等信息，是灭火治理的一个关键因素。地表燃烧裂隙信息的提取，是进一步确定供氧通道参数的基础和依据，对灭火工程的开展具有指导作用。
（一）裂隙信息自动提取方法
利用高分辨率QuickBird遥感影像，采用计算机边缘检测方法可以实现对地表裂隙信息的自动提取。主要关键技术包括边缘检测算子选择、线性要素自动提取和裂隙信息的调查与评价。
1.边缘检测算子选择
边缘检测算法分4个步骤：滤波、增强、检测和定位。使用多尺度滤波模板并在滤波器的不同尺度上分析边缘特性是边缘检测的基本思想，即通过使用大尺度滤波模板产生鲁棒边缘和小尺度滤波模板产生精确定位边缘的特性，来检测出图像的最优边缘。
高斯滤波和拉普拉斯算子有比较好的边缘检测效果。因此，为了实现煤火区比较精细的地表裂隙等线性特征的自动识别和提取，使用高斯滤波和拉普拉斯两种滤波和边缘检测方式，进行不同顺序、不同尺度空间的组合试验。实验的结果比较见图3⁃3⁃2。由于煤矿开采活动和地下煤火所导致的地表裂隙宽度一般不大（≤3m），在QuickBird遥感影像上不大于5个像元。因此，在去除图像噪声干扰时，所选用的平滑滤波窗口不宜太大。如果太大，本来就很微弱的裂隙信息就会损失殆尽，达不到应有的增强效果。同样，在进行边缘检测时，所用的拉普拉斯边缘检测算子的滑动窗口也不能太大，过大会把不是裂隙的信息全部包括进去，将分散的裂隙连接起来，从而产生人为的干扰（图3⁃3⁃2（e））。图3⁃3⁃3是两种不同边缘检测结果灰度拉伸后的图像比较，可以看出虽然两种方法采用的都是3×3高斯平滑滤波和3×3拉普拉斯边缘检测算子，但是由于它们采用了不同的平滑滤波和边缘检测的顺序，导致了不同结果。通过比较分析，发现先进行拉普拉斯边缘检测，再进行高斯平滑滤波的效果较好，可以更多地保留细微的边缘信息，见图3⁃3⁃3（b）。
2.线性要素自动提取
线性要素自动提取的主要步骤如下：
（1）3×3拉普拉斯边缘检测；
（2）3×3高斯平滑滤波；
（3）图像灰度拉伸；
（4）栅格转为矢量；
（5）地物干扰（如沙漠、建筑物、街道等）去除。
其中，图像灰度的线性拉伸非常重要。如果不线性拉伸，直接进行栅格转为矢量的操作，将得到令人费解的矢量图像，见图3⁃3⁃4、图3⁃3⁃5。
3.假裂隙信息的剔除
对于沙丘阴影、道路、建筑物和岩石地层煤层等产生的假裂隙信息，应予以剔除。其方法有两种。
（1）对周边的沙漠、城区等非煤火区进行掩膜处理，在线性要素提取之前予以去除。
（2）先不进行掩膜处理，而是在提取出的结果图上对照遥感影像进行矢量操作，予以去除假裂隙信息。
4.断裂、裂隙调查与分析
采用上述方法，对整个乌达煤田进行地面断裂和裂隙的自动提取，获得了裂隙分布的概况信息；对提取裂隙进行野外的实地验证，发现吻合度很好。图3⁃3⁃6所表示的是东西向大断裂及其周边裂隙的分布情况和野外照片。该裂隙地处黄百茨井田和五虎山井田的交界处，裂隙分为平行的南北两条。裂隙中间部位是矿区的边界，下面为没有开采的保安煤柱。由于两边的采空区发生塌陷，从而形成了在QuickBird遥感影像中标志明显的大裂隙带，提取出来的裂隙与之吻合很好。
图3⁃3⁃7反映火区地表的主导裂隙大致呈东北—西南走向，中间为采空塌陷区，故而还发育了与主导断裂近乎垂直的西北—东南走向的次一级断裂。图幅的左下方为活动的火区，有明显的地表裂隙发育。
图3⁃3⁃8中部黑色区域是生产矿山，采矿活动频繁，故而导致其周边的砂岩顶面发生了严重的断裂塌陷。断裂塌陷主要集中在4个部位，在这些部位裂隙密度明显要高于其他地方。经过实地验证，发现裂隙密度较高处的下方对应着一些正在开采的或废弃的矿井（照片右），煤火主要是采空塌陷区煤层自燃所致。

图3-3-2 不同滤波、窗口组合的边缘检测比较

将上述方法提取出的乌达煤田地表裂隙分布图与地下煤火分布图进行对比，可以看出煤火大多分布在裂隙密度比较大的区域，如Ⅶ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ号火区等。砂岩表面由于受自然风化和本身的物理性质影响，裂隙和节理极为发育，故而提取出的裂隙密度很大，但除去砂岩区西北边缘的Ⅲ⁃1、Ⅳ⁃1、Ⅴ号火区外，其他裂隙密度大的地方大多与地下煤火无关。

图3-3-3 两种边缘检测结果比较图


图3-3-4 不进行拉伸结果比较


图3-3-5 经过拉伸结果比较


图3-3-6 东西向大断裂遥感自动提取结果与实地照片

（二）裂隙识别率分析
利用线性影像增强、检测、自动识别提取的裂隙分布图像，通过人机交互分析方法，把不同宽度和长度的裂隙和构造坐标输入到计算机中，进行裂隙信息自动成图，图3⁃3⁃9是Ⅹ号火区部分地段的裂隙构造信息提取图像。
由于本区裂隙大量发育，很难进行全面调查。根据1：1万QuickBird图像裂隙综合提取结果和火区裂隙稠密程度，通过选取五虎山西南Ⅺ号火区裂隙抽样进行重点煤火地质调查，见图3⁃3⁃10。从图像上提取出解译裂隙的地理坐标，使用GPS定位进行野外检查。从裂隙提取图像上共抽取47条裂隙进行野外检查，发现40条与地表实际裂隙情况吻合，识别率为85%。各观测裂隙的宽度、长度、产状、性质和展布关系等信息见表3⁃3⁃1。

图3-3-7 苏海图Ⅲ-2火区裂隙图像与实地照片

（照片所示为红箭头处）

图3-3-8 Ⅺ号火区西南部地表裂隙图及地面部分裂隙分布


图3-3-9 乌达Ⅹ号火区构造裂隙提取与解译图


图3-3-10 裂隙野外检查图

（三）燃烧裂隙信息提取
燃烧裂隙是指地下煤层沿裂隙燃烧而形成的具有串珠状燃烧中心或热流、煤烟流喷出的裂隙。它是乌达煤火区地下煤层燃烧后喷出的主要形态。小型裂隙长数十米，地下热流、烟流沿裂隙连续喷出；大型的燃烧裂隙长数百米到数千米。由多个裂隙燃烧组成裂隙群，呈不连续的分段燃烧。
1.燃烧中心遥感影像特征
（1）Ⅰ类燃烧中心。燃烧中心形成初期，属煤火区地质模型Ⅲ、Ⅳ时期。喷出口受热变形、水分蒸发，因喷出烟尘的理化作用，地表逐渐变色、变白，生成燃烧中心特有的微地貌景观，构成QuickBird卫星影像中白色或浅色调的直径在3～5m 之间的圆斑。又因煤层燃烧初期的热解作用，黑色煤焦油析出；煤焦油析出地面后，燃烧中心的喷出口受到黑色污染，形成黑白两色相间或深灰-灰白色的晕渲影像，见图3⁃3⁃11。这个时期燃烧在煤层上部进行，燃烧范围小。
（2）Ⅱ类燃烧中心。处于燃烧中期，属煤火区地质模型Ⅴ—Ⅵ期。地表沿喷出口发生向上、向外的胀裂，形成以喷出口为中心的浅色调圆形影像。该阶段煤层顶底板之间的煤全部燃烧，煤层燃烧点在空气动力系统的支持下迅速扩大，燃烧面积成倍增大，见图3⁃3⁃12。
（3）Ⅲ类燃烧中心。燃烧最强烈期，属煤火区地质模型Ⅶ—Ⅷ期。地面可见明火，因为温度高，煤中灰分融化，呈微滴状随热流喷出，落地凝结后在喷出口形成椭圆形的白色薄膜。又因地下煤层烧空，喷出口塌陷。在QuickBird卫星影像上显示由塌陷切开的白色椭圆状影像，见图3⁃3⁃13。
（4）Ⅳ类燃烧中心。处于煤层燃烧后期，属煤火区地质模型Ⅺ期。该阶段煤层逐步燃烬熄灭；煤层烧空，地表形成大面积燃烧塌陷；地下温度逐步下降；煤中燃烧所余的灰分呈细粉状喷出地面，喷出后的灰白色粉末以喷出口为中心堆积成圆锥体，形成灰白色圆锥形影像，见图3⁃3⁃14。
2.燃烧裂隙遥感影像特征分析
（1）煤柱型燃烧裂隙。该裂隙是采空塌陷型燃烧裂隙的一种，煤层地下采空后，产生地面沉降，上覆地层沿采空区遗留煤柱产生竖直裂隙，直达地表。煤火沿煤柱燃烧，燃烧后产生的煤烟流沿竖直裂隙喷出，形成煤柱型燃烧裂隙。图3⁃3⁃15为乌达煤田井田边界东段特大煤柱燃烧裂隙群。

表3-3-1 野外裂隙调查信息表


续表


续表


图3-3-11 Ⅰ类中心


图3-3-12 Ⅱ类中心


图3-3-13 Ⅲ类中心


图3-3-14 Ⅳ类中心


图3-3-15 特大煤柱型燃烧裂隙

（2）多煤层开采台阶式压密型裂隙群。如见图3⁃3⁃16。裂隙群在QuickBird卫星图像中显示为集束状细丝影像，共11条细线组成一束，南北长约600m，束宽30～80m，细线中分布有白色斑点（燃烧点）。获取多煤层台阶型压密型裂隙燃烧段的信息最难，需要辅以地面热红外成图。

图3-3-16 多煤层开采台阶式压密型燃烧裂隙

（3）节理型燃烧裂隙。煤层地下燃烧后，热流、烟流沿岩石节理喷出，一般发生在顶板为砂岩的地段。节理地表部位发生向上、向外膨胀，裂隙缝扩大，长数十米，数百米，宽5～50 ㎝，深度十几米。从地表贯通煤层，见图3⁃3⁃17。
（4）采空塌陷型燃烧裂隙。煤层地下采空后形成的地面塌陷，采空区遗留煤沿着塌陷裂隙燃烧，形成采空区燃烧的塌陷裂隙。这是乌达煤田的主要燃烧形式，约占总量的80%以上。例如苏海图煤矿5429采区东缘裂隙。在QuickBird影像上呈笔直的一条黑线，南北长800m，北部影像呈“V”谷，中部影像呈“麻花状”，南部影像呈锯齿状，沿黑线有浅灰色圆斑（燃烧点），见图3⁃3⁃18。
3.燃烧裂隙信息自动提取
（1）燃烧中心自动识别与提取。在QuickBird图像上，燃烧中心的反射蓝光较强。通过统计分析，建立自动识别的基本光谱模型为：B1·r+B4＞B2+B3，其中r为B1波段的加权系数。在乌达煤田取r =1.5为最佳。依照基本光谱模型识别燃烧中心，将自动识别的燃烧中心按坐标输入地下煤火三维信息系统中，实现煤火信息的自动提取，见图3⁃3⁃19。
（2）燃烧裂隙自动信息提取。地表的燃烧裂隙或采空塌陷裂隙，是向深部切穿煤层的竖直状裂隙，深数十米。在地表与地下采煤工作面分布一致，近南北向或近东西向平直延展，是张性裂隙，裂隙宽0.2～2m。
燃烧裂隙与非燃烧裂隙的区别是：燃烧裂隙线上及其两侧有燃烧中心分布，非燃烧裂隙没有燃烧中心分布。

图3-3-17 节理型燃烧裂隙

利用QuickBird图像，采用裂隙与燃烧中心交互分析可实现燃烧裂隙信息自动提取，见图3⁃3⁃20。

“采煤工作面”是现代化采煤工艺的基本单元。“火区”是煤火的最大单位。火区包括正在燃烧系统、已经熄灭的燃烧系统和将要燃烧的地段，是同一个燃烧煤层或同一个燃烧煤组由不同成因所形成的燃烧区段。

采煤工作面回采后形成煤田火区是当代采煤的最大后患。目前，国内外尚未开展采煤工作面煤火的探测研究。

图3-3-18 采空塌陷型燃烧裂隙

图3-3-19 Ⅹ号火区北部燃烧中心自动识别图

图3-3-20 燃烧裂隙自动提取图像

图3-3-21 燃烧系统信息提取

1.一个采煤工作面形成的火区

以Ⅱ⁃1号火区QuickBird影像为例，见图3⁃3⁃22。

地面上呈椭圆形采空塌陷坑，下宽上尖，南北长100m，东西宽80m，塌陷深1～3m。地下为苏海图煤矿12^＃煤层，1201采煤工作面，1985年回采。工作面呈梯形，南北长110m，北端宽60m，南端宽100m。

燃烧状态。2002年经煤火区详查确定为Ⅱ⁃1号火区，2005年1月调查火区北部正在燃烧，分布有燃烧中心和高温冒气点。Ⅱ⁃1号火区范围与1201采煤工作面采空后形成的地面塌陷区基本一致。

QuickBird卫星影像特征。椭圆形黑色弧线圈定的深灰色图像，上尖，下宽。黑线外为灰白色，椭圆体轮廓清晰，部分呈锯齿状；椭圆体南北长100m，东西轴最宽处60m，分布范围与1201采煤工作面地面塌陷区基本一致。

2.多个采煤工作面燃烧贯通的火区

以Ⅲ1火区QuickBird影像为例，见图3⁃3⁃23。

图3-3-22 一个采煤工作面形成的火区

图3-3-23 多个采煤工作面燃烧贯通火区

地质特征。处于9^＃煤、10^＃煤的浅部，缓倾斜。9^＃煤（厚2.06m）与10^＃煤（厚2.19m）之间的间距4.61m，煤质属高硫煤；上覆岩石为砂岩、砂质页岩互层，夹薄层橘红色石灰岩，煤层垂深12～50m。

井下开采。地下为苏海图煤矿9^＃煤层，0961采煤工作面，1976年回采；0965采煤工作面，1975年回采。苏海图煤矿10^＃煤层，1061采煤工作面，1065采煤工作面，1988～1992年回采。

9^＃、10^＃两层煤采煤工作面范围上下基本一致。苏海图煤矿采用“走向长臂⁃垮落法”采煤工艺，0961工作面走向长440m，宽130m；0963 工作面走向长500m，倾向宽100m，回采工作采用前进式由南向北推进。另有苏海图煤矿201 主要运输大巷从火区通过。

地面特征。0961、0963 两采煤工作面采空后产生两个长条形大塌陷坑，地面塌陷范围与采煤工作面一致，地面塌陷深度3～5m。塌陷边界是由回采巷道（二巷、两线）遗留煤柱产生的竖直裂隙形成的，裂隙宽0.3～0.5m，长度与回采巷道相同，深度从地表直达煤层。采空塌陷区内，因顶板每次放顶垮落形成地表北高南低的垮落带（前进式采煤由南向北），在两次垮落之间形成次一级的塌陷埂，塌陷埂在采空塌陷区内与工作面长壁边垂直，而且互相平行，等间距。

另外，地面上沿着201大巷上方，地面布设3排电杆、配电房、抽水泵房，泵房抽水沿0961工作面地面塌陷西缘流入北端，形成充水凹地。

燃烧状态。9^＃煤和10^＃煤组成高硫燃烧组，1975年回采后从1980年开始自燃，2002年乌达煤田详查时发展为Ⅲ⁃1火区。火区范围与0961采煤工作面和0965采煤工作面地面范围基本一致。2005年1月局部调查，该火区西部正在燃烧。

QuickBird卫星影像特征。两个相互平行的黑灰色长条形木梳状图案，中部有橘红色条带（C₃t，石灰岩）与浅蓝色条带（水体）相间。其范围与0961 采煤工作面+0963 采煤工作面相同。两侧有两束黑色条纹与长条形木梳状图案平行（2005年1月燃烧裂隙）。另外，有三排杆状短线。中间的一排是苏海图煤矿201主要运输大巷的地面投影线。

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