山东省采煤沉陷遥感动态监测

王晓红， 荆青青， 周英杰， 姚维岭

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

山东省采煤沉陷遥感动态监测

王晓红， 荆青青， 周英杰， 姚维岭

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

利用2013年第4季度—2015年第4季度高分辨率遥感影像数据，对山东省采煤沉陷灾害进行了连续3 a的动态监测，发现全省采煤塌陷地(坑)面积逐年减少。在对比分析山东省煤矿分布特点、煤炭开采方式及开发历史等工作基础上，建立了采煤沉陷遥感动态监测技术流程。根据所提取的塌陷地(坑)、搬迁的村庄、地质灾害恢复治理等信息，圈定全省特大型沉陷区12个、大型沉陷区8个、中型沉陷区50个、小型沉陷区12个； 通过上述信息的近3 a变化情况的分析，确定全省沉陷程度变好区30个、稳定区31个、变重区21个，掌握了沉陷变化趋势。同时，分析了煤矿沉陷灾害发生的影响因素，探讨了治理时机，提出了对策建议。

煤矿； 沉陷； 遥感； 动态监测

0 引言

煤矿采空区地表沉陷(简称采煤沉陷)是地下采煤活动破坏了煤层围岩的应力平衡，在应力重布达到新的平衡过程中地面变形所形成的塌陷盆地、漏斗状塌陷坑和台阶状断裂[1]。采煤沉陷的危害主要表现为损毁土地、破坏建筑物和破坏水利、交通、输电等基础设施[1-2]。

山东省是我国煤炭资源大省之一[3]，煤炭开发历史悠久，全省所有煤矿均采用地下开采方式，长期大规模的开采致使采煤沉陷成为全省矿山地质灾害中危害范围最广、危害程度最大的工程灾害[4-6]。利用遥感手段，对沉陷灾害进行动态监测，快速地为灾害的治理确定准确目标，已成为一项迫在眉睫的工作。基于中国地质调查局地质调查项目，研究者对山东省的矿产资源开发状况、矿山地质环境等进行了遥感监测[7-8]。其中，对采煤沉陷区的扩展情况、受影响居民点及其治理情况等进行了持续的动态监测。本文以此为依据，介绍了全省煤矿沉陷区的分布、变化及治理情况，预测了沉陷区的发展趋势，并分析了煤矿沉陷灾害发生的影响因素，冀望能抛砖引玉，为后期治理提供可靠依据。

1 采煤沉陷区遥感监测工作方法

山东省煤矿分布于济宁、枣庄、菏泽等12个市，由于成煤条件和开采方式的差异，采煤沉陷发育程度各不相同。根据遥感手段的技术特点，除了沉陷初期的地表起伏不平、轻微的地裂缝、墙体开裂等无法监测外，其余在遥感影像有一定表现的均在监测之列。监测目标主要有如下3个： ①采煤塌陷地(坑)的分布及变化情况； ②采煤沉陷区土地、建筑物等的毁损及变化情况； ③沉陷区的恢复治理现状及变化情况。根据上述目标，制定技术流程如图1所示。

1.1 数据源

根据相关技术要求[7]，监测所用数据源空间分辨率应优于2.5 m。由于监测区域过大，几乎使用了2013—2015年间所有符合条件的光学卫星遥感数据，每个年度的数据获取时间均为9—12月(第4季度)。其中进口数据有P1，WorldView，QuickBird，GeoEye，IKONOS及SPOT-6等，国产的有遥感2号、遥感5号、遥感8号、遥感14号、遥感24号、遥感26号、天绘1号、实践9号、资源1号02C、资源3号、高分1及高分2号等数据。GeoEye和IKONOS等进口数据的数据质量一般较好，可解译程度高； 所使用的国产数据源质量则参差不齐，如遥感14号、遥感5号全色数据数据质量普遍尚好，层次相对丰富，但在全分辨率解译时，细节较同为全色的WorldView-1模糊，对小型塌陷地(坑)边界显示也不甚清晰； 资源3号卫星数据纹理清晰，色彩层次较丰富，部分数据可解译程度略高于SPOT5。对于数据质量不尽如人意的区域，加强了实地调查，以调查结果补充、修改解译结果。为了发现历史沉陷区域，工作中也使用了2009年度第4季度获取的QuickBird和IKONOS等高分辨率遥感数据。本文中各年度统计数据均指截止至该年度第4季度的统计结果，年际变化数据也特指第一年第4季度至第二年第4季度间的变化情况，特此说明。

1.2 沉陷区典型地物遥感影像特征

在煤矿开采区内，随着沉陷严重程度的不同，地表塌陷呈现小型倒锥状(直径小于3 m)、大型倒锥状(直径3～6 m)、小型椭圆形盆状(长边6～15 m)、大型椭圆形盆状(长边大于15 m)等多种地表形态； 地表的建筑物会出现墙体开裂、沉陷、坍塌现象，以至完全废弃。近年来，国家加大了矿山环境恢复治理工作，最常用的治理方法是将积水塌陷坑治理为鱼塘或湿地旅游区，或将塌陷地复垦为耕地[9]。在难以治理的地区，则采用覆盖的方式，如将光伏电站等承重相对轻的基础设施直接建于塌陷地上。根据土地破坏及村镇搬迁情况，本文将沉陷区划分为轻度、中度和重度3个等级： ①轻度沉陷区，土地破坏仅以裂缝、裂隙为主，经过治理后不再有积水塌陷坑存在，无村镇搬迁发生； ②中度沉陷区，多椭圆形塌陷盆地、外缘具缓台阶状，地表有积水，有村镇搬迁发生； ③重度沉陷区，土地严重积水沼泽化，有多个村镇整体搬迁发生[6、10]。

兖州煤田(图2(a))是山东省最为严重的采煤沉陷多发区之一[11]。不同地段由于开采程度的差异，采煤沉陷呈现出了各种不同的特征。以该区为典型实例，将采煤沉陷区内的轻度沉陷区、中轻度沉陷区、中度沉陷区、重度沉陷区、恢复成鱼塘及湿地旅游区的原采煤沉陷区、正在治理的采煤沉陷区、已建光伏电站的采煤沉陷区以及被搬迁的村庄等遥感影像特征汇总如图2和表1所示，并以此为解译标志，对山东全省的采煤沉陷区进行了遥感解译。兖州煤田开采区2015年度使用国产卫星数据遥感24号，遥感影像由多光谱3(R)，2(G)，1(B)模拟真彩色合成后与全色波段融合而成。

(b) 中轻度沉陷区 (c) 中度沉陷区 (a) 兖州煤田开采区遥感影像 (d) 重度沉陷区(e) 恢复成鱼塘等的原采煤沉陷区

(f) 正在治理的沉陷区 (g) 已建成光伏电站的采煤沉陷区(h) 被搬迁的村庄

图2煤矿沉陷区典型地物遥感影像特征(遥感24号，2015年)

Fig.2Remotesensingimagefeaturesoftypicalsurfaceobjectsincoalminingsubsidencearea(RS24,2015)

表1 采煤沉陷区遥感影像特征一览表

1.3 沉陷区现状监测及变化趋势评价方法

利用2013—2015年3 a的卫星遥感数据，结合采矿权等相关资料，对山东省采煤沉陷区、因沉陷而搬迁的村庄开展遥感动态监测。参照DZ 0238—2004 地质灾害分类分级(试行)划分方案，将采煤沉陷区划分为4种规模： 特大型≥20 km2、大型[10,20) km2、中型[1,10) km2、小型<1 km2[12]。

为了确定沉陷区边界，利用2009年的卫星遥感数据对已经被治理的历史塌陷地(坑)进行了调查； 根据采矿权、塌陷地(坑)、搬迁村庄、恢复治理后土地(曾经的塌陷地(坑))等的分布情况，间接地对采煤沉陷区的边界进行了推测。

根据近3 a的采煤沉陷区、搬迁村庄的变化情况，将采煤沉陷区分为稳定区、变好区和变重区3类： ①稳定区，无新增塌陷地(坑)，无新增搬迁村庄，原有塌陷地(坑)范围无或少有变化； ②变好区，经过治理后塌陷地(坑)明显减少，或范围明显缩小； ③变重区，塌陷地从无到有，原有塌陷地(坑)范围变大，有新增村镇搬迁发生，沼泽化较以前严重。

2 采煤沉陷区分布特征分析

2.1 沉陷区内塌陷地(坑)的分布现状及变化情况

2015年山东省全省采煤塌陷地(坑)总面积为15 707.37 hm2，比上年减少1.47%，主要分布于8市23个县(市、区)，比2014年同期减少1市2县； 2014年山东省全省采煤塌陷地(坑)总面积为15 941.24 hm2，比上年同期减少5.05%，主要分布于9市25个县(市、区)，仅比2013年减少1个县； 2013年全省采煤塌陷地(坑)总面积16 789.01 hm2，分布于9市26个县(市、区)。2013—2015年间，全省采煤塌陷地(坑)面积及分布范围在逐年减少，各地级行政区近3 a采煤沉陷区遥感动态监测结果见表2。

表22013—2015年间山东省各地市塌陷地(坑)面积

Tab.2 Subsidence area in Shandong Province from 2013 to 2015(hm2)

2015年全省采煤沉陷区集中在济宁市微山县中部、枣庄市滕州市西侧与微山县交界处的滕县煤田开采区。这3个区采煤沉陷区面积约占全省采煤沉陷区总面积的43%； 其次为济宁市的兖州、曲阜、邹城3市交界处的兖州煤田开采区，沉陷面积约占全省采煤沉陷区总面积的16%； 再次为济宁市任城区南部与微山县交界处的济宁煤田南部开采区，沉陷面积约占全省采煤沉陷区总面积的14%。

2.2 沉陷区的村镇搬迁

采煤沉陷区也是村镇搬迁集中区域。比对相关地图的地名资料，截止2015年，全省采煤沉陷区内共搬迁村庄272个(不排除含因新农村建设、棚户区改造等原因搬迁的村庄)，各年度村庄搬迁情况见表3。

表3 采煤沉陷区内搬迁村庄数量

从表3可知，济宁市的搬迁村庄达140个，占全省总数的半数以上； 泰安、菏泽和枣庄等地级行政区的搬迁村庄数量均在25个以上。在全部272处搬迁村庄中，有39个已消失于各采煤沉陷区腹地或已改造成了坑塘水面，无迹可寻； 其他村庄在搬迁后，其土地已复垦，或恢复治理成了其他地类。

3 采煤沉陷区变化特征分析

3.1 沉陷区划分及变化趋势

根据煤矿采矿权分布情况、塌陷地(坑)分布情况、搬迁村庄以及采煤沉陷区恢复治理情况，2015年全省共圈定迹象明显的采煤沉陷区82处，总面积901.95 km2； 分布于9市25个县(市、区), 除淄博、聊城和莱芜3市尚未出现明显下沉迹象外，其余各市采煤区均发生了不同程度的沉陷。各市采煤沉陷区面积变化统计结果如图3及表4所示。

图3 山东省煤矿沉陷灾害分布示意图

表4 2015年山东省各市沉陷灾害统计(单位： 数量(处)/面积(km2))

续表

按沉陷区的规模划分，山东省全省有特大型沉陷区12个，总面积604.74 km2； 大型沉陷区8个，总面积103.62 km2； 中型沉陷区50个，总面积186.49 km2； 小型沉陷区12个,总面积7.09 km2。按沉陷严重程度划分，全省有重度沉陷区20个，总面积585.23 km2； 中度沉陷区39个，总面积259.43 km2； 轻度沉陷区23个，总面积57.29 km2。按沉陷区变化趋势划分，2013年至2015年，全省有沉陷程度变好区30个，总面积279.61 km2； 稳定区31个，总面积294.44 km2； 变重区21个，总面积327.90 km2。

3.2 严重沉陷区现状及变化趋势

目前，山东省沉陷灾害最严重地区有如下几个：

1)微山县中部与滕州市南部交界处，滕县煤田开采区。该区域共有31个煤矿采矿权，覆盖面积730余km2。其中，年设计规模在100万t/a以上的煤矿有6个，最大开采规模300万t/a。该区域集中了6个特大型沉陷区、6个中型沉陷区和4个小型沉陷区，各级沉陷区总面积324.59 km2以滕南煤田的西侧最为严重区，不仅规模特大，而且趋向严重。

2)兖州、曲阜与邹城交界处，兖州煤田开采区。该区有14个煤矿采矿权，覆盖面积400余km2。年设计生产规模在百万吨以上的煤矿有6个，最大开采规模400万t/a。该地区始采时间为1968年，始塌时间为1970年[4]。区内共有6个沉陷区，总面积161.40 km2。其中特大型1个、大型2个。尽管经过多方治理，特大型沉陷区依然趋向严重。

3)济宁市中部任城区和市中区，鱼台县北部，微山县北部济宁煤田开采区。该区域集中了15个煤矿采矿权，矿权覆盖面积800余km2。年设计生产规模在百万吨以上的煤矿有7个，其中2个煤矿的最大开采规模为500万t/a。该地区开发时间约在2000年前后，区域内共有沉陷区21个，含特大型2个、大型3个、中型14个和小型2个，沉陷区总面积198.47 km2。从图2上可以看出，济宁煤田的北部沉陷区以中、轻度为主，且总体往好的方向发展。南部地区相对严重。

4)泰安市北部，肥城煤田开采区。该区域有煤矿采矿权8个，采矿权覆盖面积近90 km2。其中百吨以上的采矿权3个，最大开采规模为120万t/a。该煤田开发始于20世纪60年代初期。目前有沉陷区5个，总面积73.40 km2。其中特大型2个、中型3个。目前西部已基本稳定，而东部趋向严重。

5)烟台市龙田煤田开采区。位于烟台市龙口市北部海边龙口煤田开采区。该区域内有采矿权5个，总覆盖面积150余km2。其中百吨以上的采矿权1个，开采规模为180万t/a。龙口煤田的开发始于20世纪60年代末期。该区域共有沉陷区5个，总面积31.63km2，含大型2个、中型3个。目前，西部沉陷区已基本稳定，中部及东部处于不稳定期，存在治理后再度塌陷现象。

除上述5个地区外，有迹象表明巨野煤田巨野县北部、郓城县南部开采区未来有可能发生严重沉陷。该区域有2个煤矿采矿权，总面积285余km2。其中一个为山东省最大矿井，设计生产规模为600万t/a，另一个为400万t/a。该区域的始采时间为2009年底，目前已有一大一中两个重度沉陷区，且均趋向严重。

3.3 煤矿沉陷灾害影响因素分析

影响煤矿沉陷灾害是否发生及其严重程度的主要有煤田赋存条件、开采持续时间、开采量、治理程度和治理时机的选择等5个因素。

淄博、陶枣和临沂等地市的煤田处于低山丘陵区，煤层薄，上覆第四系厚度均小于100 m，开采深度多在500 m 以下，因而地表只出现小规模地面变形或裂缝； 而兖州、滕州和肥城等地市的煤田多处于山前冲洪积平原或盆地中，第四系覆盖层厚度大，开采煤层厚度大，煤层产状平缓，随着采空面积的逐渐扩大，很容易发生沉陷灾害[5]。尤其是在南四湖流域地区，开采量大，潜水位高，沉陷灾害最为严重。巨野煤田的大量开采，也导致了沉陷灾害的快速发生和发展。除此之外，灾害发生后的治理工作也影响着沉陷灾害的发展趋势。

4 采煤沉陷区土地恢复治理

4.1 塌陷土地的恢复治理

2009—2015年间，全省采煤沉陷区内已经恢复治理土地8 748.88 hm2，年平均治理1 458.15 hm2。其中2009—2013年恢复治理6 264.60 hm2，2013—2014年恢复治理1 865.99 hm2，2014—2015年恢复治理618.29 hm2。恢复治理后的地类主要为耕地、水域(以库塘为多)及水利设施用地。

2009—2015年间各市土地恢复治理情况如表5所示。由表5可知，济宁市的土地恢复治理面积占全省恢复治理总面积的69.64%。值得注意的是，2014—2015年度，泰安、烟台和菏泽3市的恢复治理面积出现了负增长，究其原因，均为治理后土地再次发生塌陷所致。

表5 2009—2015年采煤沉陷区恢复治理情况统计

4.2 搬迁村庄的土地恢复治理

山东省对搬迁后尚未下沉至水底的村庄进行了土地恢复治理，治理后地类主要为耕地或空闲地，少量为新的农村宅基地。截止至2015年，全省搬迁村庄恢复治理成水浇地的土地面积有1 083.37 hm2，治理成新的农村宅基地的有17.58 hm2，尚为空闲地的有932.53 hm2。

各市搬迁村庄土地治理情况如表6所示。目前治理面积最大的3个市分别为济宁、菏泽和泰安市。这3市搬迁村庄恢复治理的面积占了全省恢复治理总面积的79.85%。

表6 采煤沉陷区内搬迁村庄土地恢复治理情况统计

4.3 沉陷区土地恢复治理时机初探

截至2015年，全省82个采煤沉陷区中有64个得到了治理，其余18个中、小型沉陷区(总面积为52.10 km2)无治理迹象。绝大部分采煤沉陷区内，经过治理后的有效利用土地能保持稳定，如位于济宁市任城区的许厂煤矿开采区，从2009年起，大面积分布的塌陷地逐步得到恢复治理，目前已基本恢复为耕地(图4上行)。与此同时，也有少数地区出现了边治边塌或治后复塌的问题。这种现象在龙口煤田开采区较为典型，该区域2013年有塌陷地(坑)39处，总面积323.58 hm2，2014年同期减少为15处，面积减至60.56 hm2； 2015年同期反弹回24处，总面积又增至239.71 hm2(图4下行)。

(a) 2009年Worldview影像(b) 2013年遥感5号影像(c) 2014年CBERS-02C影像(d) 2015年遥感2号影像

(e) 2009年Worldview影像(f) 2013年Worldview影像(g) 2014年遥感14号影像(h) 2015年高分1号影像

图4采煤沉陷区治理效果对比(上行：效果较好区，下行：效果较差区)

Fig.4Comparisonoftheeffectoflandrestorationinsubsidencearea

通过分析可知，沉陷区治理时机的合理选择是个值得重视的问题。据有关资料，地下采煤塌陷呈动态下沉过程，一般可分为4期, 即初始期、活跃期、衰退期和稳定期[1]。为此，建议采煤塌陷的治理应该选择在地面下沉的衰退期或稳定期，否则极有可能出现边治边塌或治后复塌的现象。

5 结论与建议

1)截至2015年第4季度，山东省共有沉陷区82个，总面积901.95 km2。从沉陷规模看，特大型沉陷区面积占沉陷区总面积的67.05%，大型沉陷区占11.49%，中型占20.68%，小型占0.79%。从严重程度上看，全省重度沉陷区面积占沉陷区总面积的64.88%，中度沉陷区占28.76%，轻度沉陷区占6.35%。由上述结果可见，特大型重度沉陷区的治理成为山东省煤矿沉陷灾害治理的重中之重。

2)山东省为煤矿地质灾害的治理做出了不懈的努力。与历史地理资料比对，全省累计搬迁沉陷区村庄272个； 与2009年遥感资料比对，2009—2015年间，全省采煤沉陷区内已经恢复治理土地8 748.88 hm2，治理搬迁后村庄的土地2 033.48 hm2。3 a来，82个沉陷区中，整体变好沉陷区的面积占总面积31.00%，相对稳定沉陷区的面积占32.64%，整体变差区域面积占36.35%。上述数据显示，煤矿沉陷灾害的治理工作任重而道远。

3)山东省沉陷灾害最严重地区主要为滕县煤田、兖州煤田、济宁煤田、肥城煤田和龙田煤田等开采区。随着国家生态文明改革各项决策的逐步实施，优化产业结构，调整产业布局，适当压减产量，将成为全国煤炭开采行业的重要举措。预计在今后很长一段时间内，山东省的采煤沉陷区分布范围及面积不会出现较大的增长。

4)建议进一步加大山东省采煤沉陷区的恢复治理工作力度，因地制宜，科学治理。一方面，可以采取恢复治理率与生产规模挂钩等措施，进一步激发现有采煤企业在矿山环境整治工作中的主动性，有效遏制采煤沉陷区的增量； 另一方面，可以通过降低税负、共享成果等激励措施的落实，鼓励和吸纳社会资金参加采煤区废弃矿山的环境整治工作，并提倡创新治理思路，开辟新的增收产业，努力减少采煤沉陷区的存量。建议采煤塌陷的治理应该选择在地面下沉的衰退期或稳定期。

5)建议持续开展采煤沉陷区的监测和评估，多措并举，做好采煤沉陷区生产和治理的全流程规划工作。首先要权衡利弊，关治结合。山东省所有的煤矿开采区中，南四湖流域是生态环境最敏感地区，也是环境破坏最严重区[13-14]。建议建立南四湖流域禁止开采区，全面关停该地区现有的50个左右的煤矿； 并在关停之后加强治理，恢复绿水青山。其次，要选择恰当时机治理，讲求实效。通过对全省采煤沉陷区的综合评估，圈定优先治理区； 对于处于活跃期的开采区，暂不予治理； 对已经治理过和正在治理的地区要加强保护，防止边治边塌，再治再塌现象的发生，将灾害降到最低程度。再次，要防患于未然。对于巨野煤田等大强度新开发、目前尚未出现大规模沉陷的煤田，则需要以其他煤田的前车之鉴，增强防患意识，提倡和激励采煤技术革新，尽量避免沉陷灾害的发生和发展。

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(责任编辑：李瑜)

RemotesensingdynamicmonitoringofcoalminesubsidencedisasterinShandongProvince

WANG Xiaohong, JING Qingqing, ZHOU Yingjie, YAO Weiling

(ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China)

Using high resolution remote sensing data obtained from 2013 to 2015, the authors monitored the subsidence disaster and its distribution range in the coal mining area of Shandong Province continuously, and it was found that the coal mining subsidence area decreased year by year. Based on the comparative analysis of the distribution characteristics and the mode of the subsidence disaster and the development history of coal mining, the authors established the dynamic monitoring technology of coal mining subsidence. According to the monitoring results, the distribution range, scale, severity and trend of the subsidence area in the province were determined, and 12 superlarge subsidence zones, 8 large subsidence zones, 50 medium-size subsidence zones and 12 small subsidence zones were delineated. The changing trend was predicted on the basis of the analysis of the above information for the past three years. It is found that 30 subsidence zones become better, 31 subsidence zones are stable, and 21 subsidence zones become worse. At the same time, this paper analyzes the influencing factors on coal mine subsidence disaster, discusses the management time, and puts forward some countermeasures and suggestions.

coal mine； subsidence disaster； remote sensing； dynamic monitoring

10.6046/gtzyyg.2017.03.30

王晓红，荆青青，周英杰，等.山东省采煤沉陷遥感动态监测[J].国土资源遥感,2017,29(3):203-210.(Wang X H,Jing Q Q,Zhou Y J,et al.Remote sensing dynamic monitoring of coal mine subsidence disaster in Shandong Province[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(3):203-210.)

2016-04-27；

2016-12-07

中国地质调查局地质调查项目“全国矿产资源开发环境遥感监测”(编号： 121201003000150009)、“山东省矿山环境监测”(编号： 12120111120038，1212011220073)和“山东省矿产资源开发环境遥感监测”(编号： 12120115061501)共同资助。

王晓红(1964-)，女，硕士，教授级高工，主要从事矿山遥感监测工作。Email: 2427364501@qq.com。

TP 79

： A

： 1001-070X(2017)03-0203-08