馬國超，王立娟，唐 堯，賈軍虎，靳 曉，唐梓洋

(1.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610045； 2.重大危險源測控四川省重點實驗室，四川 成都 610045)

0 引 言

礦產(chǎn)資源的開發(fā)與生產(chǎn)，一方面是國家工業(yè)建設(shè)的重要保障，能增加社會財富，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展；另一方面，由于開采生產(chǎn)工藝制約，它不得不造就尾礦庫、采場等具有高危險特性的工作場所，即礦山危險源。由于在礦山生產(chǎn)過程中普遍存在安全技術(shù)落后、裝備水平較低、作業(yè)秩序混亂等問題，在上述礦山生產(chǎn)場所中時常發(fā)生邊坡坍塌、冒頂片幫、地面塌陷以及壩體潰決等一系列災(zāi)害性的安全事故[1]，給企業(yè)國有資產(chǎn)、礦山工作人員和當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷娜松戆踩珟砹司薮蟮耐{。我國是世界礦業(yè)大國，安全生產(chǎn)環(huán)境較差的中小型非煤礦山眾多，據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局文件，每年因礦山事故死亡人數(shù)均成百上千人(圖1)。近年來，雖然我國政府對礦山安全生產(chǎn)問題一直保持高度的重視，但非煤礦山安全事故依然時有發(fā)生，如2016年8月8日，洛陽市新安縣鐵門鎮(zhèn)香江萬基鋁業(yè)有限公司大溝河尾礦庫發(fā)生潰壩，泥流下泄對下游村莊大量居民房屋造成了淤埋；2015年12月25日，山東省臨沂市平邑縣玉榮石膏礦發(fā)生重大坍塌事故，致使1人遇難，13人下落不明，井下作業(yè)工程及設(shè)備癱瘓；2014年5月19日，張家界市慈利縣金坪鄉(xiāng)汪本元方解石礦采用“天坑”作業(yè)模式致使山體滑坡坍塌事故，共造成4人死亡。嚴(yán)峻的安全形勢需要我們勇?lián)?zé)任，探究新型安全監(jiān)測技術(shù)，遏制礦山隱患不良發(fā)展成為當(dāng)前安監(jiān)工作的重要內(nèi)容。

圖1 非煤礦山安全事故統(tǒng)計圖

高分辨率遙感泛指通過專業(yè)傳感器設(shè)施獲取目標(biāo)物高分辨率(包含空間、時間和光譜)數(shù)據(jù)的技術(shù)手段，成果數(shù)據(jù)多以影像形式展現(xiàn)，常用平臺有衛(wèi)星、航遙飛機和無人機等[2]。近年來，隨著國產(chǎn)高分辨率系列衛(wèi)星的成功發(fā)射，我國衛(wèi)星遙感已經(jīng)進(jìn)入亞米級時代，其衛(wèi)星影像容納地物的紋理、形狀以及光譜的信息得以極大的豐富，并被快速運用于地質(zhì)調(diào)查、土壤分析以及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域的科學(xué)研究[3-5]。另外，具有成本低、時效高、輕小便捷等優(yōu)勢的無人機航空遙感呈爆發(fā)式地快速崛起，其在提升數(shù)據(jù)分辨率的同時，也提供了快速構(gòu)建地表三維模型的新捷徑，在一定程度上對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)形成補充甚至替代[6-7]。順應(yīng)時代趨勢，大量學(xué)者利用高分辨率的衛(wèi)星和無人機遙感數(shù)據(jù)在礦山領(lǐng)域做了諸多應(yīng)用實踐和科研工作[8-12]，如楊顯華等[8]采用高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對礦山環(huán)境綜合治理進(jìn)行了應(yīng)用探索，提出了基于遙感數(shù)據(jù)的礦山環(huán)境綜合治理技術(shù)流程；李萬倫等[9]借助遙感數(shù)據(jù)的高光譜特性在礦山次生礦物識別、重金屬濃度反演、pH值定量估算、污染植被信息提取等方面進(jìn)行了應(yīng)用嘗試，并取得了良好的環(huán)境監(jiān)測效果；趙星濤等[10]采用低空無人機遙感實現(xiàn)了對礦山地質(zhì)災(zāi)害類型、規(guī)模、損失及危害等信息的精細(xì)化提取；楊青山等[11]則借助無人機遙感探索了礦山儲量動態(tài)監(jiān)測方法，成功對目標(biāo)礦山實現(xiàn)了動用儲量評估?？傮w而言，基于高分辨遙感技術(shù)的礦山應(yīng)用及研究大多偏向于資源開發(fā)監(jiān)測和生態(tài)環(huán)境評價方向，鮮有從礦山安全生產(chǎn)監(jiān)管的角度實施應(yīng)用分析與適用評價。在此背景下，筆者圍繞非煤礦山危險源實施基于高分辨率遙感的安全監(jiān)測應(yīng)用分析，以求探索出一套行之有效的礦山安全監(jiān)管技術(shù)方案，提高礦山監(jiān)管效率，遏制安全事故風(fēng)險的發(fā)生。

1 數(shù)據(jù)源及處理

四川省攀西地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，已探明儲有礦產(chǎn)類型達(dá)54種，且為我國第2大鐵礦基地，是我國典型的非煤礦山集中區(qū)。但該區(qū)域以中高山地貌為主，地形險峻起伏，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，宜于人口居住和建設(shè)的空間較為狹小，礦山企業(yè)周邊以及下游區(qū)域多分布有民居駐地，礦山生產(chǎn)安全風(fēng)險突出，具有典型應(yīng)用研究價值。由此，本文應(yīng)用研究對象取自攀西地區(qū)數(shù)個典型非煤礦山企業(yè)。

本文采用的高分辨遙感數(shù)據(jù)源分為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和無人機遙感數(shù)據(jù)兩類，衛(wèi)星數(shù)據(jù)包含GF1號、GF2號衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，無人機數(shù)據(jù)為固定翼/旋翼無人機遙感數(shù)據(jù)，其中應(yīng)用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)均經(jīng)過大氣校正、輻射校正、幾何校正以及影像融合等專業(yè)處理[2]，應(yīng)用無人機遙感數(shù)據(jù)均則經(jīng)過畸變差改正、空中三角測量以及裁剪編輯等工作生成[13]。其中各類遙感數(shù)據(jù)分辨率囊括米級、亞米級和厘米級等多個空間尺度，衛(wèi)星數(shù)據(jù)能覆蓋數(shù)百上千平方千米，分辨率為米級/亞米級，固定翼無人機數(shù)據(jù)能覆蓋礦山企業(yè)及其周邊區(qū)域數(shù)平方千米至數(shù)十平方千米的范圍，分辨率為亞米級；小型旋翼無人機數(shù)據(jù)則能有效覆蓋礦山重大危險源及其周邊環(huán)境，分辨率為厘米級，見表1。

不同空間尺度的遙感數(shù)據(jù)具有不同的安全監(jiān)測應(yīng)用優(yōu)勢，如高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)囊括范圍廣泛，宜用于整體掌控礦山安全格局；而小型旋翼無人機數(shù)據(jù)具高精度優(yōu)勢，宜用于監(jiān)測礦山重大危險源細(xì)部隱患。本文對不同尺度的遙感數(shù)據(jù)實施匹配和融合處理，構(gòu)建多重空間尺度的遙感數(shù)據(jù)集(圖2)，使之能夠適用于礦山生產(chǎn)宏觀與微觀一體化的安全監(jiān)測。

2 案例應(yīng)用分析

基于構(gòu)建的非煤礦山多尺度高分辨率遙感數(shù)據(jù)集，本文從非煤礦山安全監(jiān)管需求的角度探索高分辨率遙感的實際應(yīng)用價值，挖掘技術(shù)應(yīng)用潛能，力求彌補非煤礦山安監(jiān)盲點，提高安全管理效率。結(jié)合技術(shù)優(yōu)勢與安全需求，高分辨率遙感在以下幾個礦山安全分析方面具備應(yīng)用優(yōu)勢。

2.1 礦山安全隱患監(jiān)察

一般而言，礦山企業(yè)的安全隱患監(jiān)察通常是由企業(yè)安全監(jiān)管人員通過定期的現(xiàn)場檢查實施。但鑒于人類觀測視野所限，往往會存在“不識廬山真面目，只緣身在此山中”的視覺缺陷，難以宏觀掌控礦山生產(chǎn)整體安全態(tài)勢，同時人為走動費時費力，也不盡然能夠?qū)⒌孛娴臐撛陔[患一一辨識。而本文構(gòu)建的高分辨率遙感數(shù)據(jù)集合具備兩個基本特征：多尺度的高空間分辨率和廣闊的空對地觀測視野。這類特征天然適用于地表異?；蛱卣鞅O(jiān)測，大至數(shù)平方千米的礦山安全布局，小至數(shù)厘米的安全隱患均能夠通過人工辨識提取，消除人工視野盲點缺陷，且能節(jié)省大量的工作時間，如圖3所示。

表1 數(shù)據(jù)源參數(shù)表

圖2 多尺度遙感數(shù)據(jù)集

圖3 非煤礦山安全隱患監(jiān)察案例

此外，通過攝影測量技術(shù)還可將無人機遙感影像數(shù)據(jù)加工生產(chǎn)成高精度的三維地表模型，此類山地測繪成果一般能滿足1∶2 000的地形繪制要求[13]。三維可視化的地表模型不僅能更加真實還原礦山生產(chǎn)環(huán)境，提高安全監(jiān)察效率，還有利于部分難以從圖像資料上直接辨別的安全隱患識別(圖4)。

2.2 危險源安全生產(chǎn)紅線規(guī)劃

安全生產(chǎn)紅線是一種生產(chǎn)管理意識，涉及政策、制度、思想以及科學(xué)技術(shù)等多個層面，只要是能夠保障人民群眾生命財產(chǎn)安全底線的任何東西都是紅線。本文利用高分辨率遙感直觀可視性強的優(yōu)勢，探索性將政策規(guī)范、管理經(jīng)驗以及技術(shù)要求上的安全紅線具象化表現(xiàn)出來，如《小型露天采石場安全管理與監(jiān)督檢查規(guī)定》規(guī)定礦山采場周邊300 m內(nèi)不能存在生產(chǎn)生活設(shè)施，如圖5所示；尾礦庫堆排設(shè)計最終的淹沒范圍，在技術(shù)上層面上也不允許人民群眾的長期生產(chǎn)與生活，如圖6所示。

2.3 危險源關(guān)鍵安全指標(biāo)監(jiān)測

圖4 尾礦庫潛在滑坡監(jiān)察

圖5 露天采場安全紅線案例

圖6 尾礦庫安全紅線案例

圖7 尾礦庫最小干灘長度監(jiān)測案列

雖然礦山生產(chǎn)安全是開采、運輸和堆積等一系列生產(chǎn)活動的綜合體現(xiàn)，涉及固有風(fēng)險、設(shè)備設(shè)施、安全管理以及人員素質(zhì)等多方面因素，但尾礦庫、采場等危險源安全關(guān)鍵指標(biāo)失控往往才是引發(fā)安全事故的主要誘因。因此重點關(guān)注危險源，監(jiān)控關(guān)鍵指標(biāo)是合理維護(hù)礦山安全的有效途徑。通過應(yīng)用實踐，本文構(gòu)建的多尺度高分辨率遙感數(shù)據(jù)集可以有效監(jiān)測礦山危險源地表的安全關(guān)鍵指標(biāo)，如觀測采場是否采用自上而下，分臺階開采；監(jiān)察采場是否采用機械鏟裝，機械二次破碎；檢查尾礦庫壩體排洪設(shè)施是否堵塞、破壞；量測采場邊坡是否超高、尾礦庫干灘長度是否不滿足要求等。圖7為某尾礦庫干灘長度指標(biāo)監(jiān)測案例，在監(jiān)測期間，最小干灘長度最小為580 m，最大為715 m，狀態(tài)良好，符合國家要求[14]。

2.4 生產(chǎn)建設(shè)安全復(fù)核

無論尾礦庫、排土場還是采場，只要礦山在運營生產(chǎn)，這些危險源便都時刻處于變化的狀態(tài)，影響其安全狀態(tài)的邊坡高度、臺階寬度以及壩體坡比等指標(biāo)因素也在改變，其本身安全狀態(tài)也會隨之改變。因此，嚴(yán)格依照礦山生產(chǎn)規(guī)劃設(shè)計進(jìn)行相應(yīng)的資源開采和尾砂堆排工程活動是維系礦山危險源在生產(chǎn)變化過程中安全穩(wěn)定性的重要保障。但鑒于工藝技術(shù)和開發(fā)成本等因素，礦山生產(chǎn)建設(shè)很難保障實際生產(chǎn)建設(shè)參數(shù)與規(guī)劃設(shè)計參數(shù)完美匹配，有些甚至與設(shè)計出入甚大，這樣遺留了嚴(yán)重的安全隱患。通過應(yīng)用實踐，采用高分辨率遙感測繪成果可以有效地提取礦山危險源生產(chǎn)安全建設(shè)參數(shù)，以此與設(shè)計參數(shù)對比可清晰呈現(xiàn)安全建設(shè)過程中的隱患問題。圖8和表2為尾礦庫生產(chǎn)建設(shè)參數(shù)復(fù)核案例，該尾礦庫生產(chǎn)建設(shè)中段高、馬道寬度、壩體坡比等參數(shù)與設(shè)計符合良好，運營正常。

表2 尾礦庫設(shè)計安全復(fù)核表

注：表中壩體切線編號1、編號2、編號3與圖8中的編號一一對應(yīng)。

圖8 尾礦庫設(shè)計安全復(fù)核案例

2.5 安全威脅對象分析

保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全是實施礦山安全監(jiān)測的本質(zhì)目標(biāo)，因此在辨識礦山危險源本身安全屬性的同時，還應(yīng)該重點關(guān)注危險源可能威脅到的承災(zāi)對象。只有既在源頭上控制好安全形勢，又加強安全威脅對象的事故防范與疏離工作，才能夠真正確保礦山企業(yè)生產(chǎn)安全。通過應(yīng)用實踐，高分辨率的遙感影像不僅能夠清晰地呈現(xiàn)礦山周邊居民區(qū)戶數(shù)、分布以及發(fā)展現(xiàn)狀，還能便捷地量測居民區(qū)距離危險源高差、平距等屬性,以最直觀的方式輔助安全威脅對象分析。

圖9和表3為尾礦庫下游居民安全統(tǒng)計分析案例。上游筑壩式尾礦庫下游流域往往具備較高的安全風(fēng)險，歷史上多起尾礦庫潰壩事故均造成下游人民生命財產(chǎn)的重大損失。經(jīng)過遙感統(tǒng)計，該尾礦庫下游1 km范圍內(nèi)存在居民集中區(qū)，有30余戶居民，最遠(yuǎn)的居民區(qū)距離尾礦庫壩底距離為590.5 m，最小垂直高差為14.7 m，是典型的“頭頂庫”，需重點關(guān)注。

圖9 尾礦庫下游居民區(qū)安全統(tǒng)計案例

表3 尾礦庫下游居民區(qū)安全統(tǒng)計表

3 結(jié) 論

1) 對于辨識非煤礦山地表安全隱患，高分辨率遙感技術(shù)具有天然的適用價值，能有效彌補人工監(jiān)察缺陷，極大提高安全監(jiān)管效率。

2) 影像呈現(xiàn)方式有利于非煤礦山安全建設(shè)規(guī)劃的評估和設(shè)計，能具象化表現(xiàn)出政策規(guī)范、管理經(jīng)驗和技術(shù)要求中存在的安全生產(chǎn)紅線。

3) 基于遙感數(shù)據(jù)生產(chǎn)的三維測繪產(chǎn)品不僅能有效輔助潛在隱患的識別，還能實施精準(zhǔn)的建設(shè)參數(shù)量算，與規(guī)劃設(shè)計參數(shù)對比有益于挖掘礦山危險源施建過程中的安全隱患。

4) 雷達(dá)遙感技術(shù)，特別是差分合成孔徑雷達(dá)干涉(D-INSAR)、永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉(PS-INSAR)等新技術(shù)可應(yīng)用于礦山采空區(qū)沉降、尾礦庫壩體變形等安全監(jiān)測應(yīng)用。

5) 高光譜衛(wèi)星技術(shù)可以基于地物元素光譜反射規(guī)律實施礦山周邊區(qū)域環(huán)境污染監(jiān)測應(yīng)用，避免當(dāng)?shù)鼐用褚蛘`用誤食不良土壤水質(zhì)而引發(fā)安全事故。

6) 高分辨率遙感技術(shù)成熟、運用方便，在安全監(jiān)測領(lǐng)域具有良好的推廣應(yīng)用價值，預(yù)期在化工企業(yè)安全、城市公共安全等領(lǐng)域均應(yīng)有良好的市場價值。