基于无人机红外遥感和边缘检测技术的采动地裂缝辨识

西部矿区煤层赋存条件好,开采强度高,上覆岩层破坏严重,易诱发采空塌陷和地裂缝等灾害,造成地表生态损伤,甚至诱发遗煤自燃,威胁煤矿安全生产。为快速、及时、准确地识别地裂缝,提出了基于无人机红外遥感及图像边缘检测技术的地裂缝识别方法。以神东矿区上湾煤矿12401工作面为工程背景,对工作面上方地裂缝发育观测区域进行全天候监测,获取了不同时刻的红外图像,并对不同时刻红外图像中裂缝、沙子、植被的温度信息以及裂缝长度进行了统计和分析。运用多种边缘检测方法及提出的改进边缘检测算法,对采集的典型红外图像进行地裂缝检测,评价了不同边缘检测方法的裂缝检测效果。对比分析了不同时刻地裂缝检测结果,给出了针对研究条件下无人机红外遥感技术识别地裂缝的最佳时间窗口。研究结果表明:基于无人机搭载红外相机及边缘检测技术可有效识别采矿导致的地裂缝;夜间相比于白天,地裂缝更易被识别,特别是3:00～5:00,地裂缝的识别效果最佳。提出的改进边缘检测算法的Pratt品质因数(PFoM)值为0.571,检测性能优于文中其他边缘检测方法;1:00～5:00和19:00～23:00,地裂缝边缘检测结果优于其他时间,检测结果中噪声较少,裂缝边缘清晰突出;其中尤以3:00,5:00时的地裂缝检测效果最好。     

浅埋高强度开采地表及覆岩破坏特征--以神东矿区为例

采用现场实测与理论分析的方法对神东矿区地表非连续变形及地表移动持续时间进行了研究。阐释了高强度开采的内涵,并提出以地表最大下沉速度、采动损害程度及工作面来压强度作为判断指标。总结了神东矿区基岩全厚切落式和基岩部分破坏式2种岩层移动类型。分析总结了神东矿区地表移动以伴随非连续变形为主要特征的高强度开采规律:地表最大下沉速度达700mm/d,非连续变形以裂缝与台阶为主;采动裂缝以裂缝带形式发育,主裂缝间距与工作面周期来压步距基本一致,最前裂缝带内主裂缝滞后角约79.8°,地表最宽裂缝滞后角58.2°;裂缝发育条数及宽度与表土性质密切相关,风积沙区裂缝宽度一般小于30mm,黏性表土区一般大于50mm,裂缝宽深近似线性相关。本文可为类似开采条件下采动损害控制、地表环境治理、开采设计提供参考。     

羊场湾煤矿采动地裂缝发育特征及规律研究?

采煤诱发的地裂缝是煤矿区最为常见的一种土地破坏形式，也是矿区土地复垦、生态环境修复所直面的一种灾害类型。准确掌握其发育规律、特征并对其进行预测是采煤沉陷治理的基础。以羊场湾煤矿为研究区，采用无人机航拍、野外调查和理论分析的方法对地表裂缝发育规律、特征及其与采矿地质条件的关系进行了归纳分析。结果表明：裂缝发育程度会随着开采深度的增加逐渐减弱，当开采深度大于350 m时平行开切眼裂缝几乎不再发育。平行巷道裂缝则以“环带”的形式发育，当开采深度大于550 m时，裂缝发育特征不再明显。地表裂缝发育范围可以简化为2个半椭圆和1个矩形的组合形状，并能通过地表移动变形参数和煤层埋深计算出地表裂缝发育范围。地表裂缝最大发育宽度随着采深采厚比的增加呈负指数形态减小。经拟合处理，得到了地表裂缝最大发育宽度预测公式。     

漳村煤矿开采对浅表含水层影响研究

在分析漳村煤矿地质采矿条件的基础上,利用理论分析和数值模拟计算的方法,综合分析了采动导水裂缝带的发育高度,并通过现场勘查,分析了地表沉陷裂缝发育特征。研究结果表明：工农业用水量大、奥灰含水层水位下降和小煤矿的浅层开采是造成矿区浅表含水层水位下降、水量减少的主要原因,而非漳村煤矿采动产生的导水裂隙及地表裂隙导通浅表含水层失水所致。     

地表采动裂缝发育与开采条件的关系数值模拟

采用离散元数值计算方法,模拟不同采厚、松散层厚度和采动程度等开采条件下地表裂缝的形成及分布规律.结果表明,煤层采深与采厚之比是地表裂缝产生与否的主要因素;松散层越厚地表产生裂缝可能性越小;开采充分性主要影响地表裂缝的分布位置;采动裂缝往往以裂缝带的形式存在,具有分级特性.研究结论对于地表建筑物保护和土地整治具有一定的参考价值.     

矿山采动地表裂缝智能识别的YOLOv7模型改进研究

矿山开采引起的地表裂缝对煤矿安全生产造成严重影响,利用无人机影像识别采煤沉陷区裂缝发育特征具有实用价值。提出了一种改进的YOLOv7采动裂缝智能化识别模型,通过在模型主干网络中添加GAM全局注意力机制,减少图像卷积过程中特征信息的丢失;同时,引入深度可分离卷积代替主干网络中的普通卷积,使得图像特征图尺寸减半,而卷积过程中并不会造成特征缺失;进一步采用GIOU＿Loss对网络边界框损失函数进行改进,提升了模型的小目标识别能力;使用Label Img图像标注软件制作包含2 143张5 472×3 648 pixels的采动裂缝识别训练数据集,对沉陷区无人机影像进行初处理构建DOM后,使用640×640的滑动窗口裁剪DOM,对裁剪后的DOM进行特征识别。结果表明：改进后的YOLOv7模型对于密集、细小、植被覆盖3类裂缝图像的识别效果和漏检情况得到明显改善,平均准确度(mAP)达到0.84。     

中埋深煤层综采地表裂缝发育规律研究

为揭示陕北侏罗纪煤田中埋深工作面高强度开采诱发的地表裂缝发育规律、空间形态及深度特征,以小保当煤矿首采工作面为研究区,采用地表裂缝填图、裂缝宽度变化动态观测和裂缝示踪开挖观测等方法开展了风沙滩地区中埋深煤层高强度开采地表裂缝静态、动态演化规律及空间形态的研究.研究表明:112201工作面地表裂缝主要有边界裂缝和面内裂缝两类,前者沿平巷、切眼发育,后者于面内平行切眼发育.边界裂缝和面内裂缝宽度小于1.0 cm占73％,宽度大于5.0 cm仅占3％;裂缝整体发育程度较弱;面内裂缝宽度一般小于2.0 cm,两侧无落差,滞后回采位置发育,平均滞后距30.14 m,滞后角84.1°;面内裂缝宽度随时间呈单峰型变化即表现为先开裂、后闭合(半闭合)型动态变化特征,平均活动时间约为7.8 d且缝宽增大和减小的时间基本相等,结合地表移动观测资料给出了裂缝活动时间T的计算公式;平行平巷边界裂缝呈"带状"分布在工作面平巷内侧56 m、外侧18 m的范围内,裂缝宽度则呈现开裂-增大直至稳定的变化特征;工作面地表裂缝空间形态分为楔形,梭形和分叉形3类,沙土层内发育深度不超过2.5 m.宽度小于5 cm的裂缝在采后2个月内被风积沙自然掩埋而难觅踪迹,宽度大于5 cm的裂缝在采后6个月内大多被风积沙自然掩埋.这一研究结果对风沙滩地区生态环境治理和水资源保护具有重要参考价值.     

薄基岩浅埋煤层工作面地表动态移动规律研究

为了有效控制和治理采动薄基岩浅埋深煤层地表动态移动,以神府东胜矿区上湾煤矿51101工作面为例,通过为期6个月的现场地表移动监测,深入研究了薄基岩浅埋深煤层下开采地表动态移动特征,对开采引起的地表裂缝形态及闭合的原因进行了分析,得出起动距、超前影响角、地表最大下沉速度及最大下沉速度滞后角等岩层移动参数。研究结果表明:薄基岩浅埋深煤层下综放开采具有地表移动剧烈、持续时间短、地表下沉速度大、起动距偏大等特点,且地表动态移动表现出初始期、活跃期短而衰退期较长等特点,地表裂缝发育的平面几何形态呈椭圆形,采空区外受开采影响的范围约60 m。     

基于颗粒流的浅埋双煤层斜交开采地表裂缝发育特征

陕北浅埋煤层开采引起地面塌陷严重影响了矿区生态环境，与浅埋单煤层开采相比，浅埋双煤层开采所导致的覆岩破坏、裂缝发育更为复杂。以柠条塔煤矿N1206和N1114典型工作面为研究对象，采用颗粒流方法对浅埋双煤层斜交开采的过程及其所致地表裂缝发育特征进行了模拟研究。研究结果表明：浅埋双煤层斜交开采煤柱所在区域的上行和下行裂隙密集发育；各工作面采毕地表下沉曲线呈现宽缓的“W”型；1-2煤采毕与2-2煤采毕裂缝发育速率比值为13～12，地表最大下沉量比值为17；开切眼及终采线位置附近裂缝密集且会导通至地表；地表最大下沉量位于工作面开切眼位置附近，地表最大水平正向位移位于工作面开切眼位置附近，左侧工作面采毕最大负向位移位于工作面终采线位置，右侧工作面采毕最大负向位移位于1-2煤右侧工作面靠近终采线位置。研究结果可为浅埋双煤层开采的相关研究与工程实践提供理论参考与实际借鉴。     

重复采动地表移动变形规律分析

淮南矿区某矿 11123 工作面位于高潜水位矿区，因重复采动影响地表形成了大面积沉陷水域，给地表 移动变形观测站的建立造成较大困难，并且地表移动变形较初采工作面复杂。综合分析了 11123 工作面地表水文 环境和地质采矿条件，建立了重复采动条件下工作面地表移动变形观测站。通过全面观测建立了观测站与矿区的 相对控制网系统，准确获取了观测站控制点的高程和平面坐标，为后期进行日常观测提供了精准的点位三维信息 平差基准。根据日常观测中每一期观测站数据计算了 11123 工作面观测站 3 号倾向观测线的倾斜变形和曲率变 形，从而根据两种变形曲线的特征点获取不同时期的拐点位置。并对日常观测中发现的地表采动裂缝进行了 3 个 阶段的实测，采用钢尺量距法测量裂缝长度和宽度，通过改进前人采用的石灰浆作为追踪剂，采用石灰喷雾作为追 踪剂开挖实测裂缝深度。利用拐点位置动态移动规律验证了地表实际调查裂缝的动态发育规律。研究表明：采用 石灰喷雾作为追踪剂实测裂缝深度，可以防止开挖中石灰浆发生渗透造成测量误差大的问题；根据 3 号倾向观测 线拐点从最初位于 MS59 点附近逐渐转移到 MS56 点，可知 MS56~MS59 点之间的拉伸变形区逐渐变为压缩变形区， 位于先拉伸后压缩变形区间的裂缝也呈现出由产生到发育再到闭合的动态演变过程。     

浅埋高强度开采矿区生态损伤特征与减损实践

为解决浅埋高强度开采损害与生态保护间的矛盾问题，基于神东矿区地质开采条件、生态本底特征，总结了高强度开采的损伤特征。神东矿区采用大工作面快速推进降低非均匀沉降面积、开采初期工作面注浆减沉、建造地下水库保水及生态利用、填埋地表裂缝持水保墒、植物接菌微生物抗逆性提升、驯化筛选适生植物等技术，有效降低了煤炭开采引起的生态损伤。遥感监测表明，神东矿区2011—2015年技术应用初期，植被覆盖度50%左右，处在中高植被覆盖度级别，2018年植被覆盖度提高到62.4%，达到了高覆盖度水平。结合开采实践与理论研究，提出从开采源头设计着手、传导过程调控、末端修复治理采动损伤的全过程控制技术。     

西部黄土高原矿区采煤沉陷多源遥感监测技术进展与展望

西部黄土覆盖区是我国重要的煤炭生产基地,地貌及地质采矿条件复杂,黄土层厚度巨大,开采沉陷具有不同于其它矿区的特殊性,地表下沉速度大,起动距偏小,采动裂缝等非连续破坏更为严重,地表沉陷盆地形状和沉陷变形分布特征更为复杂多变。在当前技术条件下开展地表沉陷的高效监测和定量评价仍面临一定困难。近年来,合成孔径雷达干涉测量(InSAR)、无人机摄影测量(UAV photogrammetry)、激光雷达(LiDAR)等多源遥感技术迅速发展,其具备的非接触式观测、大范围覆盖、高时空分辨率等特点,能够实现地表沉陷连续性、动态性和全面性监测,通过多源观测数据的融合处理,可为西部矿区开采沉陷高效监测提供新的技术途径。综述了多源遥感技术在矿区沉陷监测中的应用进展;通过现场试验探索了InSAR、UAV photogrammetry、LiDAR用于黄土高原矿区沉陷监测的实际效果,发现在地貌复杂、地形起伏和植被覆盖及地表大梯度形变条件下,InSAR干涉失相关和大气延迟等各种误差过大;无人机航测影像构建的三维模型受植被和地形影响导致地面模型的高程精度不足;无人机激光扫描受地形坡度、点云密度和地表点水平移动的综合影响...     

薄基岩厚风积沙浅埋煤层导水裂隙带高度预计

神东矿区是我国重要的煤炭产地,矿区覆岩结构具有浅埋深、薄基岩、厚风积沙的特点,且矿区地处干旱半干旱地区,水资源匮乏,因此实行绿色开采(保水采煤)具有重要意义。本文从不同岩性岩层破坏特征出发,结合岩层承载能力、变形能力分析,以及采动过程中覆岩相关物理量变化的分析,给出了一种预计导水裂隙带高度的力学模型,并分析了大柳塔12610工作面导水裂隙带高度。覆岩裂隙动态发育模拟结果和现场观测结果表明,该力学模型是可取的。     

半干旱矿区采动地裂缝发育对幼苗库及其建植因子影响

半干旱矿区煤炭井工开采引起的地表塌陷,造成水土流失强度增加以及植被生境损害等一系列生态干扰,其中采动地裂缝发育对坡面幼苗库特征及建植的影响仍有待深入研究。本文首先探明了榆神府矿区距采动地裂缝不同距离（0～1 m、1～2 m和2～5 m）幼苗库密度、组成和多样性特征,再结合土壤因子、地上植被群落及枯落物特征揭示裂缝发育造成影响幼苗建植的环境因子在空间上的差异性,最后采用物种相似性模型探究了裂缝发育区幼苗库对地上植被自然更新的影响。结果表明：(1)在未有裂缝发育的对照区,幼苗库组成以多年生草本为主（占比57%）,裂缝发育后距地裂缝0～1 m和1～2 m范围,多年生草本比例分别下降至30%和35%,但一年生草本占比较对照区分别增加了28%和25%;与对照区相比0～1 m和1～2 m幼苗密度分别显著增加了92%和68%,幼苗库Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数分别增加了42%和24%、62%和40%、33%和18%,但Pielou均匀度相较于对照区分别降低了55%和38%;而距裂缝2～5 m范围,幼苗库生活型组成、密度和多样性与对照区已...     

山西黄土丘陵采煤沉陷区生态环境破坏与修复研究

山西省煤炭开采大都处于黄土沟壑和丘陵山区,其采煤沉陷及地表破坏具有和平地不同的破坏特点,产生的多种形式和不同大小的地表裂缝、槽形塌陷及采动滑坡,使地形地貌及景观产生较大的破坏,水土流失加重等。因此,研究适宜山西地貌和气候特征,以及山西采煤沉陷损伤规律的土地复垦与生态重建技术,构建山西省黄土丘陵采煤沉陷地复垦技术模式显得尤为重要。分析了黄土丘陵采煤沉陷区的地表破坏的类型、形成机理及影响因素,结合黄土丘陵地貌分析研究了开采对地表水资源分布及沉陷区土地及植被的影响和破坏。地下采煤形成的覆岩及地表裂缝为水资源运移和流失提供了通道,采排矿井水对土地造成了污染,采动土地破坏及地表水土流失的加剧,是造成地面生态植被破坏的主要原因。对于采动生态环境破坏,采煤岩土体损害是根本,水资源和植被的破坏为开采损害的延续性影响,而单一类型的损害修复方法无法达到良好的修复状态,因此提出了以地形修复、水资源保护、植被重建等相结合的黄土丘陵沉陷区生态修复技术。通过山西某矿区黄土丘陵地表的土地复垦实践,证明了黄土丘陵沉陷区结合地形条件和生态环境的土地复垦技术的有效性及适宜性,研究成果对山西黄土丘陵矿区的地下开采与生态环境的恢复具有重要的指导意义。     

厚松散层薄基岩下采动裂隙发育规律及应用

为研究厚松散含水层薄基岩下厚煤层综放开采的安全性,从黏土采动隔水性和近第四系底部导水裂缝带发育特征两个方面进行了讨论。以潞安矿区三元煤矿为例,通过对开采区域第四系松散层的不同深度进行取样和实验室试验分析,得到了特定地质条件下黏土的物理力学特性和水理特性。通过选取合理的黏土隔水层采动失稳判据,评价分析了第四系底部厚黏土隔水层综放高强度开采后隔水性能的变化状态。采用数值模拟和现场实测方法研究了厚松散层薄基岩条件下近第四系底部覆岩破坏和采动裂缝发育规律。研究表明:①三采区第四系松散层黏土随着埋深增大,其力学性能呈增大趋势,埋深超过130 m时,黏土的液性指数甚至降至0以下,深埋黏土具有良好的原生隔水性能;②黏土采动隔水性评价结果表明,区内第四系底部黏土采动后仍然具有良好的隔水能力,能很好地抑制导水裂缝带上行扩展;③近第四系底部开采导水裂缝带高度仅发育至第四系底部黏土。实例分析表明:三元煤矿3301工作面在顶板基岩厚度仅为36～55 m、煤层厚度7 m的情况下,实现了地表水体和第四系松散含水层水体下的综放安全开采,为类似水体下采煤实践提供了有益参考。     

生态脆弱矿区含(隔)水层特征及保水开采分区研究

研究发现,沙漠区植被对地下水水位埋深具有很强的依赖性,揭示了陕北榆神府矿区内合理生态地下水位埋深为1.5~5.0 m,煤层开采的导水裂隙导致地下水位下降,表生生态退化,控制地下水水位是生态脆弱矿区科学开采的核心。室内模拟实验和开采实践表明,当煤层上覆隔水岩组厚度≥33~35倍采高时,煤层开采不会导致地下水位下降;煤层上覆隔水岩组厚度≤18倍采高时,煤层开采会破坏隔水层,导致水位下降;18~35倍采高时,可采取"限制采高"等措施实现保水开采。剖析了煤层、含水层的空间关系,划分了保水开采条件分区,提出了区域采煤方法规划方案,指出以控制地下水水位为目标,以采动隔水层稳定性分区为基础,以采煤方法规划为手段的开采方法是生态脆弱矿区煤炭资源科学开采的有效途径。     

煤矿区无人机影像采动地裂缝提取方法研究

为及时、准确地识别出煤矿区采动地裂缝,避免次生地质灾害发生和恢复煤矿区土地生态环境,以陕西省榆林市神木县西北部柠条塔煤矿采煤工作面裂缝发育区为研究区,基于低空无人机遥感影像,结合实地查勘,构建面向对象监督分类模型方法,开展地表采动裂缝提取方法研究。首先,借助ESP(Estimation of Scale Parameter)最优尺度评价工具得到候选分割参数,结合目视解译快速确定最优分割参数,得到裂缝、植被等影像对象;利用特征空间优化工具从24个初始特征集中确定15个优化特征参数构建优化特征集;在此基础上结合支持向量机(SVM, Support Vector Machine)、K最近邻(KNN, K Nearest Neighbor)、随机森林(RF, Radom Forest)、朴素贝叶斯(NB, Naive Bayes)多种机器学习分类器模型,试验分析得出：地物的分类效果和分类精度具有一致性,SVM分类方法总体效果最好,在4个易错分区域中表现最好,误分小斑块数量最少,总体分类精度达到88.97%,Kappa系数到达0.849,裂缝提取精度F1值达到87.87%,Kappa系数达到0....     

大倾角煤层采动裂隙演化规律

通过离散元UDEC数值模拟计算,分析了大倾角煤层开采过程中,扰动岩体裂隙的演化规律,同时采用相似材料模拟实验结果验证了数值计算结果的可靠性。大倾角煤层采动岩体裂隙发展初期以平行于工作面倾向的离层裂隙为主,后期离层裂隙的高度基本恒定,竖向裂隙扩展加速,直至延伸到地表,形成错断式裂缝和塌陷坑。在此基础上,建立了大倾角煤层采动裂隙分形维数D和采深的关系式,以及逾渗概率p和采深的关系式,实现了定量描述裂隙的演化规律。通过拟合分形维数D和逾渗概率p的关系式,可求得分形维数的峰值,进而可求得对应的采深,此采深即为破碎覆岩压密沿倾斜方向重新形成稳定结构所需的采深。计算结果可用于预先估算大倾角煤层开采埋深范围内是否可形成基本顶稳定结构,进而可采取不同的措施指导工作面的安全开采以及巷道的合理支护。     

东部煤粮复合区采煤沉陷地边采边复时机

东部高潜水位煤粮复合区采煤沉陷导致连片耕地积水，加剧了区内煤炭保供和粮食生产之间的矛盾。为了协调耕地保护与地下采煤的关系，采用边采边复技术，可以实现地面复垦技术与井下采煤技术的耦合，在高潜水位矿区可显著提高复垦率。复垦时机的选择是边采边复的关键，直接决定复垦工程的成败。梳理了影响边采边复时机选择的自然因素和人为因素，提出了2种边采边复时机类型：(1)采动地表临界积水下的理论复垦时机；(2)采动地表浅积水(积水深度0～3 m)下的实际复垦时机。以单一煤层开采为例，研究了采动地表积水与地下开采的时空关系，提出了采动地表临界积水启动距及积水边界角，揭示了工作面推进速度与理论复垦时机的时空关系。提出以采动地表临界积水下沉值为约束的井下减沉的耕地源头保护措施，构建了采区尺度下的跳采全采工作面临界宽度模型和浅积水下的实际复垦时机模型。案例研究表明：以顾桥煤矿北一采区临界积水下沉值1.00 m为约束，所优化的跳采全采工作面宽度可将复垦时机延迟到全采阶段，即推迟复垦时间和延长耕地使用寿命12.5 a。模拟了龙固煤矿不同采动积水深度下的复垦耕地面积变化，构建了复垦时机与复垦率之间的定量模型，以此预测了不...