基于DEM的煤火自燃温度反演算法研究

为了研究乌达煤矿煤火特征的分布及变化,采用3种不同的遥感反演温度算法(单窗算法、单通道算法、Artis算法),并通过阈值分割法提取2005年的乌达煤田火区温度,与叠加的实测煤火矢量图进行对比分析。结果表明,提取的温度异常区域与直接采用星上亮度温度图提取区域基本相同,其中Artis算法重叠度最低,单窗算法和单通道算法重叠度相同,而直接用星上亮度温度重叠度最高。通过比对分析该地区的地表覆盖类型和数字高程模型(DEM),发现乌达煤矿出现的北部高温异常和中部低温异常与地表覆盖类型和地形变化相关,在南部受干扰较小的区域与实测区重叠度达60%以上。选择该地区11号煤火区为研究区域,对比2005—2012年的煤火时空变化,结果表明2005—2010年的煤火温度异常的范围表现为波动的变化,2010年后的煤火范围缩小,煤火得到一定控制,未发生明显反复。

乌达煤田雾冰藜汞的初步调查

50多年前内蒙古乌海市乌达煤田随着工业采煤出现了煤层自燃亦称地下煤火,历经曲折的一轮又一轮治理,目前仍有火点分布。笔者等在深入煤田腹地调查基础上采用Lumex RA-915M/PYRO-915+汞分析仪检测了298件当地的戈壁草本植物雾冰藜(Bassia dasyphylla)的叶和茎样品。结果是:火点附近雾冰藜的叶汞含量总均值达到903ng/g,茎汞328ng/g;远离火点的煤田公路沿线雾冰藜的叶汞为131ng/g,茎汞62ng/g。表明:乌达煤田存在空气汞污染;污染源是区内煤层自燃;污染水平介于典型汞矿区与垃圾焚烧厂附近环境之间。建议:一年生草本雾冰藜有潜力成为空气汞污染的生物指示;它作为荒漠先锋植物很可能适于中国北方地下煤火的环境地球化学研究和调查。

遥感技术在乌达煤田火灾监测中的应用

文章利用2001、2003、2007、2010年Landsat热红外数据对内蒙古乌达煤田的地表温度进行反演,分析了煤田火区的空间分布格局、空间演变态势与变化趋势,并监测了矿区十年的植被覆盖变化。结果表明:高温异常区范围明显,反演出的煤火区符合实际煤火区分布;12、13、14号火区面积减少,其他火区继续蔓延,并形成了新的煤火区;十年来矿区的归一化植被指数(NDVI)从0.0926减少到-0.0378,植被覆盖度逐年减少。

基于DS-InSAR的乌达煤田火区长时序地表形变监测与分析

煤火燃烧不仅浪费了大量煤炭资源,而且严重破坏了火区生态环境,而传统监测方法存在范围小、频率低、成本高、危险大等问题。为此,研究了一种基于分布式目标合成孔径雷达干涉测量(distributed scatterer interferometric synthetic aperture Radar,DS-InSAR)技术的煤田火区监测方法。该方法通过快速同质点识别算法(fast statistically homogeneous pixels selection,FaSHPS)选取同质点,然后利用特征值分解方法对这些同质点进行相位优化,并根据时间相干性获取最终的分布式目标,最后结合短基线集(small baseline subsets,SBAS)InSAR处理步骤解算时序地表形变。以2017年3月—2019年4月63景Sentinel-1A影像为数据源,利用本文方法获取了乌达煤田时序地表沉降,并与临时相干点合成孔径雷达干涉测量(temporarily coherent point interferometric synthetic aperture Radar,TCP-InSAR)技术监测结果进行了可靠性验证,结果表明:两者间的相关系数为0.84,监测点位密度比TCP-InSAR提高1.24倍;乌达煤田存在严重的地表形变现象,研究区域内最大形变速率为-215 mm/a;煤火区在秋冬季节地表形变变化相对较快,且具有多个形变延伸方向及发育程度不同的沉降中心。

内蒙古乌达煤田煤火治理效果的遥感监测与评估

为了评估内蒙古乌达煤田煤火治理的效果,采用2008年治理前、2011和2013年治理中以及2015年治理后期的Landsat 5/8热红外波段影像,利用单窗算法反演4个年度的乌达煤田地表温度;采用自适应梯度阈值(selfadaptive gradient-based thresholding,SAGBT)法圈定该煤田煤火区,分析煤火空间分布格局演变动态,并对探测结果进行了实地验证。结果表明,所识别煤火区的准确率为75%;煤火区面积由2008年的1.194 km^2演变到2015年的0.873 km^2,呈显著下降趋势。总的来说,煤火治理取得了初步成效,实现了煤火区面积26.88%的减量;但仍有73.12%的存量,说明今后仍须加大煤火治理力度。

乌达煤田煤层自燃动态变化和产生原因

通过对乌达煤田煤火燃烧历史和燃烧面积的动态变化分析,划分出了煤火产生和治理的四个阶段:1961～1980年,煤炭开采遗留煤井下自燃为主阶段;1980～2006年,小煤窑滥采和忽视煤火治理导致煤火蔓延阶段;2006～2009年,煤火不恰当治理导致再生煤火,煤火更加扩张阶段,和2009年至目前的再次煤火治理取得突破性进展的阶段。在此基础上,探讨了煤火产生的四大原因:开采遗留煤和煤柱煤自然氧化,瓦斯爆炸着火,小煤窑开采引发煤火和煤火治理期发生再生煤火。这一研究对乌达煤田的煤火治理及其对其他矿区的火灾治理提供了参考或借鉴。

乌达煤田地表汞交换通量研究

地表汞释放被认为是大气汞的主要来源之一。我国拥有世界上总面积最大的煤矿区,但对煤矿区地表汞释放的研究鲜有报道。采用通量箱与RA-915+测汞仪联用法对具煤火发育的乌达煤矿区地表汞交换通量进行了测试。测试结果显示:背景区地表汞交换通量值为4~29ng/(m^2·h),均值为19ng/(m^2·h);无火区地表汞交换通量值为14~62ng/(m^2·h),均值为32ng/(m^2·h);火区地表汞交换通量值为80~318ng/(m^2·h),均值为177ng/(m^2·h)。煤矿区地表汞交换通量值显著高于背景区,并且部分汞可能直接来源于地下煤火,地表汞释放可作为认识地下煤火发育状况的有效途径。通过分析地表汞交换通量与自然条件相关性,发现汞交换通量与光照强度、地表温度存在显著正相关性。矿区白天大气汞含量受地表汞释放影响。

利用Landsat热红外影像探测地下煤火区范围——以乌达煤田为例

以Landsat系列热红外影像为主要数据源,采用阈值分析技术,提取了乌达煤田2002年、2007年和2013年地下煤火燃烧范围。结果表明,大规模的煤田开采活动导致2007年火区面积比2002年增加将近一倍,但随着2010年大范围灭火工作的展开,到2013年火区灾情得到了有效遏制。与地面实测数据相比较,遥感估算的火区面积误差为5%~10%,但白天太阳辐射导致地表温度反演精度低于夜间,煤火区虚检率偏高。Landsat系列数据以其空间分辨率高、重访周期短、覆盖范围大等优势,在煤田火区动态监测方面具有突出的应用潜力。

内蒙古乌达煤火海绵体的硫酸盐表征

内蒙古乌达煤火区地表存在高酸性煤火海绵体(CFS).为了表征CFS,本文运用了飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)分析方法,结果显示CFS富含HSO^-4、SO^-4、F^-、S^+、Ca^+、Fe^+、FeO^+、FeSO^+、Cd^+等特征正负离子.离子成像分析进一步表明,CFS中的硫酸盐成分主要为石膏(CaSO4)、绿矾(Fe2(SO4)3)、硫酸镉(CdSO4)和硫酸氢铵(NH4HSO4)等.由此可见,研究区地表已存在酸的污染,亦显示TOF-SIMS在表征污染物化学组成方面能够发挥作用.

中国乌达煤炭基地地表土汞分布特征

在内蒙古乌海市乌达区采集了覆盖200 km^2的地表土样232件,利用Lumex RA-915汞分析仪测定其汞含量,结果表明:煤矿区、工业园、城区、农场及外围区地表土汞含量均值分别为210 ng/g、200 ng/g、76 ng/g、62 ng/g和42 ng/g;与乌达区地表土和中国潮土汞背景值相比,煤矿区和工业园地表土汞含量明显富集。煤矿区地表土汞富集成因以地下煤层及地表矸石自燃为主;西北部沙漠对矿区地表土汞浓度具有稀释作用,且稀释强度沿风向增强;煤电、氯碱产业等工业点源大气汞排放是影响工业园区地表土汞分布的主控因素;城区、农场地表土汞偏高区域,多集中在与矿区、工业园交接地带。运用Muller地积指数进行污染评价,结果显示,乌达区煤矿区19%区域达到中度及以上污染程度,偏重污染占比2%;工业园中度及以上污染占比18%,偏重污染占比7%,重污染占比2%;城区、农场和外围区域污染较少。

内蒙古乌达煤炭基地地表灰尘水溶离子污染特征

内蒙古乌达煤田煤火已持续燃烧50余年,不仅烧毁大量煤炭资源、危及矿井生产安全,而且会释放有毒有害物质,威胁生态环境。为探究乌达矿区及其周边区域地表灰尘污染特征,该研究在乌达区约220 km^(2)范围内采集地表灰尘224件,对其中9种无机水溶离子进行了分析。结果显示,乌达区及其周边区域地表灰尘中F^(-)、Cl^(-)、NO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)、K^(+)、NH_(4)^(+)、Na^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)总均值分别为13.42、1592、615、5981、533、258、708、6072和534μg/g,均高于背景区乌海湖小岛地表灰尘水溶离子背景值,SO_(4)^(2-)、Cl^(-)、NO_(3)^(-)、Na^(+)相对背景值提升倍数分别高达11.08、6.84、4.45、3.73。地表灰尘总水溶离子含量表现出工业园>煤矿区>城区>农场>外围,各区域中均以Ca^(2+)、SO_(4)_(2-)、Cl^(-)3种离子对灰尘中无机离子组分贡献较大。SO_(4)^(2-)、Cl^(-)、NO_(3)^(-)、Na^(+)在不同区域存在较大差异,为当地地表灰尘的显著污染因子。采样期间地表灰尘整体呈弱碱性,而工业园和煤矿区呈弱酸性;SO_(4)^(2-)主要以CaSO_(4)和(NH_(4))_(2)SO_(4)形式存在;NO_(3)^(-)存在形式可能为NH_(4)NO_(3);Cl^(-)主要以NH_(4)Cl和NaCl形式存在。主成分分析结果表明,乌达区地表灰尘水溶离子主要来自地下煤火、煤矸石自燃、工业活动、机动车运输、地表煤尘、矸石山尘、地表土壤尘。

乌达煤田18#火区综合探测研究

乌达煤田18#火区是一个典型的煤层自燃区。本文试图通过采用遥感技术、同位素测氡法、地质雷达探测法、地表裂隙勘查法、地表浅层测温法、剥挖断面勘查测温法等综合监测方法,有效探测来自煤自燃过程中产生的热、温场,确定燃烧产生的高温区,判别出燃烧中心的相对分布位置和煤火燃烧扩散趋势,为指导矿区进行灭火工作提供了很好的指导。