解廷堃

（中煤平朔集團(tuán)有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036000）

煤矸石是指煤礦采掘過程中或原煤經(jīng)篩選、洗煤、加工過程后排放的廢棄固體產(chǎn)物，主要由低變質(zhì)程度煤、黏土、砂巖等礦物組成，是我國排放量最大的工業(yè)廢料之一[1]。有資料顯示，目前國有重點(diǎn)煤礦堆積的1 500 多座矸石山中，有389 座長期處于自燃狀態(tài)[2]。煤矸石燃燒釋放的大量有毒有害氣體和熱量不僅導(dǎo)致了空氣污染、植被退化、地下水污染[3-5]，還嚴(yán)重威脅著礦區(qū)作業(yè)人員的生命安全，對礦山安全生產(chǎn)方針的貫徹落實(shí)提出了挑戰(zhàn)，成為安全生產(chǎn)主抓的突出問題之一。然而，由于煤矸石山自燃火源位置具有不確定性，在無法準(zhǔn)確判斷燃燒程度及定位高溫區(qū)范圍的情況下，控制和撲滅火災(zāi)異常困難。

目前，針對煤矸石山火災(zāi)的探測主要采用鉆探法、地球物理探測法和遙感法[6-9]。鉆探法需要布設(shè)大量鉆孔、鉆進(jìn)工程量大、人力成本高、耗時(shí)長；地球物理探測方法需要人工在火區(qū)地表布設(shè)測線和測點(diǎn)，在未掌握現(xiàn)場火區(qū)范圍及燃燒程度的情況下，派遣人員貿(mào)然開展探測工作存在安全隱患；遙感技術(shù)可以獲得豐富的多光譜和熱紅外數(shù)據(jù)，其中熱紅外數(shù)據(jù)因能直接反映火災(zāi)溫度變化趨勢而被研究人員用于火災(zāi)的探測。近年來，由于無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)了航空攝影測量與熱紅外成像技術(shù)在煤矸石山火災(zāi)探測領(lǐng)域的交叉應(yīng)用，國內(nèi)外研究和現(xiàn)場應(yīng)用表明，采用無人機(jī)平臺搭載熱紅外成像裝備是確定火區(qū)發(fā)展最有效的遙感方法[10-12]。

為此，針對山西安家?guī)X露天礦內(nèi)排土場煤矸石自燃區(qū)域，采用無人機(jī)熱紅外遙感探測技術(shù)，將無人機(jī)攝影測量和熱紅外成像技術(shù)的優(yōu)勢完美結(jié)合，充分發(fā)揮無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性、高效性，以及熱紅外成像技術(shù)對溫度差異的敏感性，重構(gòu)了內(nèi)排土場自燃火區(qū)溫度場，實(shí)現(xiàn)了高溫區(qū)的準(zhǔn)確圈定。

1 安家?guī)X露天礦內(nèi)排土場概況

安家?guī)X露天礦位于朔州市平魯區(qū)晉北煤田，礦田南北長6 556 m，東西寬7 842 m，面積約28.88 km2，核定能力2 000 萬t/a。礦區(qū)主采太原組4＃、9＃和11＃煤層，其中，4＃與9＃煤層屬自燃煤層，礦坑下存在4＃與9＃煤層小煤窯采空區(qū)自然發(fā)火。

安家?guī)X礦建設(shè)初期，按照初步設(shè)計(jì)方案，將表層剝離物排棄至開采范圍外的外排土場，隨著首采區(qū)工作面不斷向東推進(jìn)，再將后續(xù)的剝離物運(yùn)送至開采范圍西部已開采區(qū)域進(jìn)行回填，逐步形成內(nèi)排土場。隨著采場不斷向東推進(jìn)，內(nèi)排土場以30 m 臺階高度不斷向東追蹤排棄，逐步形成了X1300、X1330、X1360、X1390、X1420 內(nèi)排土場。近年來，受蘆子溝背斜影響和首采區(qū)向二采區(qū)轉(zhuǎn)向影響，X1300 上部排土場空間嚴(yán)重不足，通過開展“安家?guī)X露天礦背斜傾角較大區(qū)域傾斜底板排土方案”研究，釋放了背斜區(qū)域的排土場空間，逐漸形成了X1210、X1240、X1270 背斜內(nèi)排土場。

當(dāng)前，安家?guī)X礦內(nèi)排土場排棄的煤層頂?shù)装鍔A矸、采空區(qū)火區(qū)高溫雜物等物料中含有殘煤、碳質(zhì)泥巖等高碳可燃物，排棄物粒度分布不均勻，內(nèi)部空間存在大量空隙，經(jīng)氧氣和高碳矸石的氧化反應(yīng)，在野外露天長時(shí)間堆放過程中釋放熱量，內(nèi)部的熱量逐漸積聚，當(dāng)溫度達(dá)到燃點(diǎn)后便發(fā)生自燃，白天可見煙氣從排土場縫隙中排出。

2 火區(qū)探測方案

2.1 探測設(shè)備

探測所采用的無人機(jī)為DJI Matrice 210 RTK V2 四旋翼無人機(jī)，該型號無人機(jī)可垂直起降，能夠進(jìn)行高穩(wěn)定性的不規(guī)則低空飛行，內(nèi)置高性能RTK模塊，通過連接D－RTK2 高精度GNSS 移動(dòng)站，能夠在不設(shè)置地面控制點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的條件下生成厘米級精度的定位數(shù)據(jù)。搭載的成像設(shè)備為DJI Zenmuse XT2雙光相機(jī)，集成了FLIR 高精度熱成像傳感器和4K可見光傳感器，可同時(shí)錄制、傳輸熱紅外與可見光影像?？梢姽忡R頭焦距為8 mm，分辨率4 000×3 000 PPI，像素尺寸1.85 μm，視場角57.12°×42.44°。紅外鏡頭配備FLIR 高端熱成像機(jī)芯Tau 2，能夠精準(zhǔn)捕捉像素級溫度數(shù)據(jù)，焦距為25 mm，分辨率640×512 PPI，像素尺寸17 μm，視場角25°×20°，在高增幅模式下的測溫范圍為－25～135 ℃，在低增幅模式下的測溫范圍為40～550 ℃，測溫誤差約±5 ℃。

2.2 航線規(guī)劃和數(shù)據(jù)采集

航線規(guī)劃由DJI Pilot 軟件完成，飛行高度設(shè)置為100 m，以確保目標(biāo)采集區(qū)域的細(xì)節(jié)完整性和更廣泛的覆蓋范圍，本次規(guī)劃的探測面積為101 122 m2?；趦A斜攝影測量原理，需要對目標(biāo)區(qū)域設(shè)置5 條航線（1 條正射航線、4 條來自不同方向和傾斜角度的航線），水平飛行速度2.7 m/s，雙光相機(jī)傾斜角度為－60°，航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%，5條航線總長度為13 235 m，可見光圖像地面分辨率約為2.31 cm/pixel，熱紅外圖像地面分辨率約為6.8 cm/pixel。XT2 雙光相機(jī)同時(shí)對目標(biāo)物體進(jìn)行拍攝，因此獲取的可見光圖像與紅外圖像數(shù)量對等，分別采集902 張可見光圖像及902 張熱紅外圖像。

2.3 熱紅外圖像處理

在采集完可見光及熱紅外圖像后，對紅外圖像進(jìn)行合適的預(yù)處理是成功重構(gòu)地表溫度場的關(guān)鍵。與常規(guī)可見光圖像的3 通道數(shù)據(jù)（RGB：紅、綠、藍(lán)）相比，紅外圖像的單通道數(shù)據(jù)對比度低、分辨率差，導(dǎo)致機(jī)器算法對其識別能力較低而無法實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)計(jì)算和提取，難以直接進(jìn)行空中三角測量。此外，如何為所有紅外影像選擇1 個(gè)合適的溫度尺度也是一大難題，火區(qū)內(nèi)溫度跨度大，燃燒區(qū)溫度最高值可達(dá)500 ℃以上，而在冬季區(qū)域邊界最低溫度值可為0 ℃甚至更低，相鄰2 張照片中重疊部分，即使實(shí)際溫度值相同，但于紅外影像中顯示出顏色值域并不一致。因此，紅外攝影成像需要在傳統(tǒng)可見光攝影成像步驟的基礎(chǔ)上額外進(jìn)行圖像的預(yù)處理工作，統(tǒng)一所有紅外圖像的溫度閾值和尺度，以確保各張圖像上的同種顏色代表溫度值的一致性，提高影像色彩對比度，使影像中特征點(diǎn)更易被識別。采用熱紅外圖像批量化預(yù)處理軟件對采集的熱紅外圖像進(jìn)行批量化處理，該軟件通過.NET Framework 代碼編程模型開發(fā)工具包，采用文件流和多線程異步更新技術(shù)批量化提高熱紅外圖像的對比度和特征點(diǎn)的可識別度。在對902 張熱紅外圖像的溫度尺度及分布模式進(jìn)行了全局統(tǒng)一后，使圖像的灰度和分辨率得到了提高，有利于后續(xù)的空中三角測量運(yùn)算。

將902 張經(jīng)過預(yù)處理過的熱紅外圖像導(dǎo)入三維建模軟件，輸入相機(jī)鏡頭尺寸、焦距等參數(shù)以進(jìn)行平差迭代計(jì)算和修正鏡頭畸變誤差。提交軟件自動(dòng)進(jìn)行空中三角測量，過程中分別采用SIFT 算法和RANSAC 算法提取和匹配特征點(diǎn)、修正誤差。軟件應(yīng)用高斯函數(shù)對多視圖影像進(jìn)行卷積降采樣，構(gòu)建影像高斯差分金字塔（尺度空間）?；诙嘁晥D系列影像中集成的POS 數(shù)據(jù)提供外方位元素、相機(jī)安裝位置關(guān)系、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立影像空間拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)而實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)匹配效率的提升?；谧钚《朔ê凸馐▍^(qū)域網(wǎng)平差進(jìn)行通過多視角聯(lián)合誤差解算，實(shí)現(xiàn)稀疏點(diǎn)云的構(gòu)建，稀疏點(diǎn)云經(jīng)多次迭代擴(kuò)散、錯(cuò)誤單元過濾擴(kuò)展成三維尺度的密集點(diǎn)云，軟件對其進(jìn)行三角割分構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）并封裝白模；提取熱紅外圖像中對應(yīng)點(diǎn)位置的紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，最終生成具有精細(xì)紋理細(xì)節(jié)的熱紅外模型，得到測區(qū)地表溫度模型。

3 探測結(jié)果分析

測區(qū)地表溫度場分布如圖1。

圖1 測區(qū)地表溫度場分布

為測區(qū)基于預(yù)處理后的熱紅外圖像直接構(gòu)建出的地表溫度場模型，考慮到紅外相機(jī)傳感器對太陽光照射的敏感性所產(chǎn)生的溫度值誤差范圍，現(xiàn)場大部分區(qū)域溫度在－2 ℃（陰暗面）至15 ℃（受光面）的正常變化范圍內(nèi)，但在中部平臺地區(qū)矸石堆區(qū)域的高溫區(qū)內(nèi)最高溫度值達(dá)到了150 ℃以上，在測區(qū)中部分辨出2 處高溫區(qū)（圖1 中白色虛線框），面積分別為5 577 m2和1 055 m2。對此有理由認(rèn)為該處的排土場內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)陰燃現(xiàn)象，但并未達(dá)到發(fā)展蔓延階段而僅是處于前期熱量積累的自熱階段。由于該高溫區(qū)南側(cè)約200 m 的位置即為礦區(qū)加油站，若任由火區(qū)發(fā)展蔓延，將會(huì)嚴(yán)重威脅加油站地下油罐的安全，導(dǎo)致安全生產(chǎn)事故。

相較于紅外鏡頭640×514 PPI 的分辨率，可見光鏡頭4 000×3 000 PPI 的分辨率使得其視場更大，對測區(qū)的覆蓋率更高，可見光模型的現(xiàn)場覆蓋程度相較于熱紅外模型更大。該區(qū)域作為1 處用于材料堆放處、車輛停放、人員活動(dòng)的區(qū)域，緊鄰供重型運(yùn)輸車輛行駛的道路和加油站，若不及時(shí)采取相應(yīng)的滅火工程可能導(dǎo)致燒空區(qū)的產(chǎn)生，造成平臺垮塌、道路塌陷，乃至嚴(yán)重的油罐爆炸事故。針對當(dāng)前高溫區(qū)情況，可對高溫異常區(qū)采取剝離物料、注漿、地表黃土覆蓋等常規(guī)滅火手段，降低物料溫度、阻斷氧氣運(yùn)移通道、窒息火源從而實(shí)現(xiàn)火區(qū)的控制和撲滅。

4 結(jié)語

通過采用無人機(jī)熱紅外成像技術(shù)，對安家?guī)X露天礦內(nèi)排土場自燃火區(qū)進(jìn)行了探測，對獲得的902張熱紅外圖像進(jìn)行了預(yù)處理，提高空中三角測量運(yùn)算的精度和可靠性。重構(gòu)了地表溫度場模型，圈定了2 處矸石自燃高溫異常區(qū)，為下一步火區(qū)治理方案和治理措施的制定，提供了重要參考。