A. 研究现状与存在问题
目前国内外学者对“三下”采煤（建筑物下、铁路下、水体下采煤）引起的岩层移动、地表沉陷以及对其引起的上方地表建（构）筑物的破坏方面已经做了大量的研究工作，取得了丰硕的研究成果，但对老采空区的稳定性及活化规律的研究较少。采空区的活化与稳定性与各种地质因素及非地质因素有关，其稳定性研究是一个十分复杂的系统工程问题。比较传统的研究方法是从岩体的力学特性以及应力分布入手，研究塌陷的分带性、地表移动变形计算、移动速度和移动过程的持续时间、观测网的设置、岩移的观测方法、原则以及破坏机理等，对于后期的位移预测多是采取探讨的计算方法。以前对于采空区的移动变形预计，较常用的是定性分析的方法，主要分为采空区顶板稳定性分析和采空区上方地基稳定性分析。对于煤矿采空区的治理，可分为采煤过程中的治理和采煤后的治理。目前针对采空区的治理研究，一般指的是对采煤后的老采空区。因为在有建筑物存在的煤炭储层区域，开采过程中一般都要求有相应的防护措施，直接迸行处理的不多；而在煤层采出之后，由于地面沉降或者人类活动，并需要在其上部修建必要的建筑物或构筑物时，比如高速公路、铁路等，采空区所处地基不可避绕，或者采取避绕法时不够经济，因此，不符合工程稳定性要求的采空区就需要迸行处理。
采空区迸行地基处理，是为了预防和控制地表残余沉降变形，保证上部建筑物的安全。根据采空区治理规模及实用情况，目前国内外的研究处理手段可总结为4 种[5～27]：全部注浆充填采空区支撑覆岩，以彻底消除地基沉陷隐患，采用注浆充填、水力充填和风力充填等。如孙忠弟等[5]对采空区迸行了系统性的研究，并编写一部有关采空区治理的专着。张志沛[7]对山西省很多采空区迸行了治理试验，取得了关于采空区勘察设计、施工等诸方面的宝贵经验，随后迸行了山西省平定县寿阳—西郊段冶西联营煤矿采空区的注浆充填治理工程，为今后类似工程起着积极的借鉴作用；局部支撑覆岩或地面构筑物，减小采空区空间跨度，防止顶板的垮落。常用的方法有注浆柱、井下砌墩柱和大直径钻孔桩柱或直接采用桩基法等；注浆加固和强化采空区围岩结构，充填采动覆岩断裂带和弯曲带岩土体离层、裂缝，使之形成一个刚度大、整体性好的岩板结构，有效抵抗老采空区塌陷的向上发展，使地表只产生相对均衡的沉陷，以保证地表构筑物的安全；采取措施释放老采空区的沉降潜力法，在采空区地表未利用前，采取强制措施加速老采空区活化和覆岩沉陷过程，消除对地表安全有较大威胁的地下空洞，在沉陷基本稳定后再开发利用该地基，常用方法有堆载预压法、高能级强夯法和水诱导沉降法等。
关于采空区变形破坏及治理，杜甫志[28]、邓绪云[29]等介绍了采空区稳定性治理在工程上的应用。罗一忠[30]等从安全角度对采空区围岩失稳的事故致因机理迸行了探讨，将人工智能中的神经网络技术用于大面积采空区失稳辨识研究；来兴平等[31]研究了采空区稳定性非线性监测监控技术问题，将非线性稳定性理论应用在采空区围岩失稳的预测，并迸行了采空区非线性动力失稳的计算机数值模拟研究；马金荣等[32]提出了煤矿采空区场地建筑适宜性工程地质研究方法；郭广礼[33]等研究了老采空区上方建筑地基变形的预测方法、介绍了地基处理注浆技术等；金太平[34]、杨双安[35]、刘着华[36]等研究了采空区及塌陷区的探测方法；隋旺华[37]对岩体移动变形破坏规律、浅部采空区上岩体内应力分布及它们与工程地质的条件关系迸行了研究；颜荣贵[38]完成了概率积分法完整封闭的体系，把变形预计从地表二维问题推广到三维问题，从地表到岩体内部，从地下开采到地表露天开采，并提出了解决采矿地表大型工业建筑这一课题的研究思路、方法、方案及措施，并应用到具体的工程实例中；姜德义[39]从岩盐溶腔稳定性动力分析中用突变理论研究岩盐单井溶腔顶板、连通井顶板稳定性及井组间矿柱失稳的临界条件及突变时的突跳和能量释放，以深入了解顶板岩体运动过程和矿柱失稳的发展过程；潘岳[40，41]、李江腾[42]等应用尖点突变理论对矿柱非稳定系统迸行了探讨，导出矿柱变形突跳量和能量释放表达式、失稳的充要条件；郭文兵、邓喀中[43，44]等应用突变理论建立了条带煤柱破坏失稳的尖点突变模型，导出了条带煤柱破坏失稳的充要条件表达式，并考虑了地下水对条带煤柱稳定性的影响，认为地下水的作用会降低条带煤柱的稳定性。
近年来，随着计算机运算速度的提高，数值模拟方法有了很大的迸步，应用越来越广泛，已经成为岩石力学研究和工程计算的一种重要手段。然而，尽管数值计算的方法及理论越来越完善，但也并不能完全适应复杂的工程地质条件，从而使计算机模拟定量结果只能作为定性或定量评价的参考。现在的数值模拟方法主要有离散元法、有限差分法、有限单元法、半解析法、边界元法以及上述各种方法的耦合。国内外已经有许多比较成熟的可用于岩土工程分析的有限元计算软件，如SAP、ADINA、NCAP、FLAC、ANSYS、UDEC等。有限单元法与边界元法类似，目前用于地表沉陷分析的有 S.L.Crouch 等提供的TWODD、TWODI、TWOFS程序及E.Hoek等研究的二维线弹性程序，而且已经有应用边界元法迸行三维非线性分析裂隙及断层、蠕变岩体等研究的报道。离散单元法适用于节理岩体的分析，并能够模拟采动破碎的岩体，其在采矿工程中得到了一定的应用。目前，二维离散单元程序已很成熟，三维问题的研究也迸展很快，FLAC3D是由美国ITASCA公司开发的显式有限差分数值计算程序，近年来应用比较广泛，适用于模拟大变形。封云聪等[45]利用有限元迸行采空区应力分布的计算；成枢[46]对岩层与地表移动数值迸行了分析；郭仓[47]等利用FLAC3D对不同采留宽条带煤柱的竖直应力分布和地表最大下沉值迸行研究；谢和平[48]、李治国[49]等利用FLAC3D对采空区稳定性迸行数值模拟计算与分析，并探讨了在采空区上方迸行建筑的方法以及在工程上应用的实例。
腾永海[50]以建筑物荷载的影响深度、采空区裂隙带发育高度不互相重合来判断采空区地基的稳定性；余学义[51]、童立元[52]、李凤玲[53]、宋金栋[54]、何志攀[55]等着重对采空区剩余变形对高速公路的影响迸行了预计分析，并对高速公路与下伏采空区相互作用分析理论及其采空区处理技术迸行了系统的研究；高文龙[56]对采空区特高压输电杆塔的稳定性迸行了研究；马超[57]等在煤矿开采沉陷理论的基础上，对影响塌陷面积的主要因素迸行了深入分析，导出了塌陷面积和万吨塌陷亩数的计算公式；陈海波等[58]研究了电力勘测中采空区架空送电线路塔基稳定性问题。
美国各主要采煤州都成立了处理采空区沉陷问题的专门机构，并有专门处理采空区地基的岩土公司，主要为对采空区迸行处理并建设建（构）筑物。根据文献[ 59，60] 的分析可知，美国宾夕法尼亚州西部城市园林学院用大容量注浆法处理了几座建筑物下的采空区并控制了其沉降，怀俄明州、西弗吉尼亚州为了控制大面积采空区上方地表沉降，采用了注浆处理的措施；前苏联地质注浆专业公司也曾用过注浆法，处理了瓦赫鲁舍夫矿的下伏采空区。20世纪80年代，英国、德国、波兰等国的一些学者，相继研究了采空区等地下空洞对公路的危害性问题，如Jonee、CJFP[61，62]，Sargand Shand M[63]等，但成果零乱不系统。国外采空区稳定性问题大多数是针对局部开采的废弃矿区，研究方法缺乏较深入系统的理论研究，主要采用调查统计方法。采取的处理措施包括采用灌注浆法、深桩基局部支承覆岩、全部充填采空区支承覆岩、水诱导沉陷法等，处理后的地面主要用于开发建设居民区等。
无论国内外，上述研究均基于“三下”（建筑物下、水体下、铁路下）采煤或煤炭采出后采空区围岩仅受岩移作用前提下迸行的，而地下煤炭采出后经过一段时间采空区上覆岩层形成相对稳定的结构，并处于相对平衡状态，但采空区常常会充满大量积水，这些水对上覆岩层及附近煤柱的力学特性均产生不同程度的影响，并诱发已经处于相对稳定的上覆岩层及地表再次发生不同程度的冒落与塌陷，而对于浅埋煤层的老采空区，在大气降水或地下水影响条件下及地表列车荷载共同作用下浅伏采空区变形破坏问题的系统性研究较少。
因此，本研究以穿越内蒙古鄂尔多斯市东胜矿区某铁路为背景，通过理论分析、室内的实验研究及相似材料模拟试验、数值模拟等方法，对水及列车荷载作用下浅伏采空区变形破坏迸行深入系统的探讨。
B. 图像处理与分类方法
(一)图像处理方法
全景钻孔摄像系统实现视频图像数字化的基础是用C++语言编制而成的采集软件和分析软件。采集软件使探测到的钻孔视频图像数字化,再通过分析软件对其中的信息图像进行识别,完成对数字图像和重要信息的存储和维护。
采集软件(图9-17)的主要功能如下:
1)捕获图像。通过新建gra格式的文件捕获视频数据,并形成数字图像。在进行图像捕获之前需设定视频数据的工作环境(钻孔孔径、探头直径等),以满足数据转换的要求。
2)实时显示。在进行图像捕获的同时将处理后的直观图像快速地显示出来,便于实时监控数据处理过程。
3)图像存储。将捕获后的数字图像以gra文件的格式存储于计算机硬盘中。
4)图像识别。对某帧或某些帧图像中的有用信息进行计算分析,从中获得具体数据,主要包括:识别罗盘图像并计算罗盘方位,识别深度数据。
5)深度修正。对视频图像中的深度数据与真实的深度进行修正。
图9-17 数据采集软件(BHImgCapt)
数据分析软件(图9-18)的主要功能如下:
1)形成三维图像。三维图像就是三维钻孔岩心图,它是通过钻孔孔壁图模拟出来的,也称为“虚拟”钻孔岩心图,形成的三维图像便于更直观地观测孔壁。
2)计算分析。计算分析的功能包括计算结构面产状和隙宽、建立结构面数据库、备注结构面的几何形态等,为进一步对结构面进行统计分析创造条件。
3)打印输出。统计分析形成的任何图像都可以彩色打印输出。
图9-18 数据分析软件(BHImgCapt)
(二)统计分类方法
为了更直观地展现经数据采集与分析软件获得的孔内结构面数据(结构面产状、深度、张开度及裂隙填充情况等)分布特征,首先借助 Microsoft Excel的数据统计功能将结构面数据按倾角和张开度大小进行分类汇总(表9-4和表9-5),然后用统计分析软件Origin和DIPS绘制裂隙的倾向玫瑰花图和产状极点密度图(图9-19和图9-20)。
表9-4 按倾角大小的分类汇总
表9-5 按隙宽大小的分类汇总
图9-19 Origin软件界面及倾向玫瑰花图
图9-20 Dips软件界面及产状极点密度图
C. 如何探测地下有煤炭和它的储存量
2.1 磁探测法〔1，2〕
磁探测法的实质是，煤层上覆岩石中一般含有大量的菱铁矿及黄铁矿结核，煤层自燃时，上覆岩石受到高温烘烤，其中铁质成分发生物理化学变化，形成磁性物质，并且保留有较强的磁性。烘烤后的上覆岩石的磁性随自燃温度升高而增强。早在60年代我国西北各省就用磁法结合电法勘探煤田火区，取得了一定成果。印度也利用此法确定Jharia煤田的自燃火灾区域范围，得到了十分满意的效果。俄罗斯、乌克兰也曾用此法确定煤田自燃火区范围。从这一方法的实质和目前应用的情况看，磁探测法主要用于煤田火区，而对于生产矿井自燃高温的探测应用较少，这主要是因为：①当自燃火源温度小于400℃时和烘烤时间短时，上覆岩石或煤层中就不能形成较高的磁性；且对于生产矿井而言，要处理的是煤自燃高温区域，自燃煤温较低和烘烤时间短，这样用磁法探测的效果并不理想；②对于生产矿井，井下高温区域周围铁性物质多,磁探测法则无法有效使用。③煤层顶底板和煤中分布的铁质结核不均匀，给磁测法探测自燃火区带来一定困难。
2.2 电阻率探测法〔2〕
正常情况下，埋藏于地下的煤层，沿走向（或其它方向）因其结构状态和含水性变化不大，电阻率基本保持不变。但当煤炭自然发火后，煤层的结构状态和含水性发生较大变化，从而引起煤层和周围岩石电阻率的变化。在自燃的初期，电阻率会下降；在自燃后期，由于煤较充分燃烧，其结构状态发生较大变化，水分基本蒸发掉，表现为较高的电阻率。因此，可根据观测结果比较未自燃区和自燃区的变化情况，判断自燃区域的位置，这就是电阻率法探测自燃发火区域位置的原理。由于煤在自燃的初期，煤电阻率的变化不明显，致使电阻率探测法的探测精度受限；加之井下杂散电流多，用于井下高温区域的探测比较困难，目前国内外多用于露天开采和煤层露头自燃火源的探测。
2.3 气体探测法
煤自燃在不同的温度，其产生的气体种类和浓度是不同的；故根据气体种类和浓度，依次判断煤的自燃温度，并据气体浓度梯度大致确定高温区域的范围。气体确定高温区域范围可在井下或地面进行。
2.3.1 井下气体探测法
通常称为气体分析法，是目前国内外广泛应用的煤炭自燃的预测预报方法。对某矿当煤质一定时，其煤自燃生成的气体组分与温度有一定规律，用仪器或束管监测系统检测煤自燃释放的气体，以确定煤的氧化温度和煤炭自燃区域的可能范围，但它无法知道煤炭自燃的位置和发展变化速度，并且易受井下通风因素的影响。
2.3.2 地面气体探测法
由于煤炭自燃火源区域与地面存在一定的压差和分子扩散，使自燃火源向地面有着气体流动，而在地表层中产生一些有代表性气体是从煤炭自燃点垂直方向放射的，据此在地面可布置测点测量，来判断火源点大致位置。这种方法对于煤层埋藏较深，气体不能扩散至地面，且气体向上运移发生物理化学变化时，就无法使用。
2.4 氡气探测法
氡气探测是一种放射性探测方法，它兼有物探和化探的特点。它的原理是煤层自燃后，随煤温升高，氡气浓度上升，在地面布置观测点，应用α卡法、210Po法等，收集并测量氡气浓度，依此判断火区位置。国内山西矿业学院用此法在地面探测煤矿地下火源，并在古交北沟矿、潞安矿务局石圪节矿进行了成功应用，从应用情况来看，这种方法目前只在地面使用，自燃温度一般超过200 ℃；且用氡气量值也无法判断自燃的燃烧程度及其温度。
2.5 煤炭自燃温度探测法
2.5.1 测温仪表与测温传感器联合测温法
这是目前国内外最为广泛应用的一种方法，兖州矿区东滩煤矿也采用此法测量煤温。据探测地点不同分为地面探测和井下探测。
（1）地面探测法〔3〕。在自燃火区的上部利用仪器探测热流量或利用布置在测温钻孔内的传感器测定温度，根据测取的温度场用温度反演法来确定自燃火区火源的位置。这种方法常用于火源埋藏深度浅、火源温度高，已燃烧较长时间的火区。波兰、俄罗斯曾应用此法探测煤层露头的自燃火区范围，探测深度在30～50 m。
（2） 井下探测法〔4〕。此种方法是把测温传感器预埋或通过钻孔布置在易自燃发火区域(采空区和煤层内)，根据传感器的温度变化来确定高温点的位置、发展变化速度，这种方法受外界干扰少，测定准确，煤温只要升高，传感器位置合适，就能有效探测。这是目前井下准确的探测方法。山东矿业学院已成功地开发了适于井下应用的MKT-Ⅰ，MKT-Ⅱ和MKT-Ⅲ（自动监控）电脑型测温仪，此仪器的最大特点是测定准确，和测定距离长度无关。东滩煤矿应用此法在井下进行了成功的探测。由于测温及时、准确，为高温点的消除起到了积极的作用。
（3） 测温仪表与测温传感器联合测温法的缺陷。尽管此种探测法测定准确、可靠，弥补了上述一些探测方法的不足，但它本身也存在一些问题值得研究：①传感器的布置是探测自燃高温区域的关键，数量、位置准确，就能有效控制自然区域高温点；但这些布置参数受煤体温度场传导速度的限制，由于煤的导温系数较小，要想测取煤体温度，控制自燃位置，就要布置一定数量的传感器；②测温钻孔：要测取煤体温度，就必须在煤体内布置测温传感器，因而就需要测温钻孔，增加了工作量。
2.5.2 红外探测法〔5，6〕
在国内外这一方法已较广泛用于地面煤堆自燃和井下煤炭自燃火源的探测。探测仪器有红外测温仪和红外热成像仪，应用最多的是红外测温仪。俄罗斯采用红外测温仪，美国采用红外测温仪和热成像仪探测煤壁和煤柱自燃温度；国内兖州、开滦、徐州等矿区采用红外测温仪测定井下煤壁温度。红外测温仪是测取点温，红外成像仪是扫描成像测取温度。在国内，红外热成像仪井下没见应用，而在煤田地质调查、地震预报、地下水探测、岩突、岩爆等方面得到了应用。隧道和巷道内由岩石的应力引起的表面0.2 ℃左右的温度变化就可被测到，从而可分析引起灾害的程度。
红外探测法的实质是自然界的任何物体只要处于绝对零度(0 K)之上，都会自行向外发射红外线。其发射能量如下式
E=εαT4 (1)
式中 ε——辐射系数，其值为0＜ε＜1，岩石和煤体一般为0.7～0.98，辐射系数受物体化学组 分、表面状态、内部结构、含水量、孔隙度等影响；
α——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-12 cm2.K4；
T——物体的绝对温度，K。
从式(1)可看出，物体的温度越高，辐射能量就越大，红外测温仪器接受辐射量而转换的辐射温度就越高，因此就可利用红外测温仪器对温度的高分辨率来探测井下巷道自燃位置。
在通常情况下，自然界的红外辐射区域是362K(89℃)至207K(-66℃)，即波长在8～14 μm的大气窗口区域内。 红外技术是探测物体表面的红外辐射温度，它不同于物理温度，物体表面的红外辐射温度取决于物体表面物理温度及其物体的物质成分、含水量、表面粗糙度、颗粒大小、孔隙度、热惯量(比热、热传导率、比重)等诸多因素；这些因素的任一项微小变化，都会引起红外辐射温度的变化。因此，在排除干扰因素后，提取同种物质的温度变化异常信息是至关重要的。
红外热成像仪类似于摄像机,它将镜头视场内景物的红外辐射温度场(25°×20°的景物)，通过锗透镜聚焦到红外敏感原件上(单点扫描式、线阵或面阵排列),转换成电信号，经电路放大、模/数转换、记录并显示，当然还得有一套复杂的处理软件，其结果通常将其视为景物的温度图像，现以TVS-600热像仪为例，在热像仪距景物2 m时，摄得景物面积为：2×tan25.8°=0.97 m(水平方向), 2×tan19.5°=0.71 m(垂直方向)，在0.97 m×0.71 m内又有320×240个像点，每个像点的面积为2.8 mm×2.8 mm，就是说只要有7.84 mm2面积的热异常(大于0.15℃)就能被发现。而煤壁总有一些微裂隙，微气孔的热传导、热对流和热扩散，使表面局部产生温度变化，从而观测到红外辐射温度异常，故利用红外热成像仪准确探测自燃高温区域成为可能。关键在于如何通过温度异常来诊断自燃高温点。
另外，非致冷的面阵探测器(红外敏感元件)是当今红外科学发展的新贡献，它给行业使用带来了方便，就不需要如液氮等致冷液体、气体或压缩机(小型循环致冷)，同时减少了噪声、耗电量和重量。
D. 煤炭能源开发与地质环境互馈效应调控研究思路及方法
一、研究目标
通过广泛收集资料、遥感、野外地质调查、取样测试、野外试验、室内实验等工作手段对整个鄂尔多斯盆地内煤炭开发与地质环境的互馈效应进行调查研究;在此基础上，选择大柳塔矿区、铜川矿区作为两个重点研究区，结合重点区地质环境现状、环境保护现状及国外最新地质环境保护技术对其现有生态环境保护与建设方案进行优化;并根据前期研究找到重点区生态环境建设应解决的关键问题进行技术攻关，为煤矿区生态地质环境建设提供可靠的技术支撑。
二、研究内容
1)“基地”煤炭开发与地质生态环境互馈效应调查研究。
2)典型煤矿区现有生态环境保护与建设优化方案。
3)典型煤矿区关键技术攻关。
三、技术路线
1.在“基地”煤炭开发与地质生态环境互馈效应调查研究方面
采用采样、试验等方法，进一步调查“基地”煤炭开发引起的水-土-环境污染和生态环境破坏现状，对其种类、强度和内在机理进行分析，同时利用遥感解译方法调查“基地”煤炭开发引起的水-土-生态环境变化的面上分布特征和规律性。另外对研究区现在进行的环境保护措施对能源开采的反馈效应进行调查研究。
(1)地面调查
内容包括地下水疏干、矿坑废水排放、地面塌陷与地裂缝、地表植被破坏等。
(2)遥感解译
选择合适精度的遥感影像进行解译，解译内容为煤炭开采前后地质生态环境的变化，以及露天煤矿、尾矿堆分布情况等。
(3)环境保护措施对煤炭开采反馈效应调查研究
调查内容包括洁净煤生产技术应用情况、矿坑废水处理等环境整治措施和各种塌陷地复垦的生态效益和社会、经济效益。
2.在典型煤矿区现有生态环境保护与建设优化方案方面
在典型煤矿区互馈效应调查的基础上，进一步把重点区正在实行的生态环境保护和建设方案与国内外其他能源基地生态环境保护和治理的方法、手段进行对比研究，总结各种生态保护和建设方案的优缺点，根据重点区煤炭开发引起的水-土生态地质环境问题的特点，探讨重点区各种生态建设方案的优化措施，对在重点区具有利用前景的方法进行进一步深入调查研究，制定出具有可行性的优化方案。
3.在典型煤矿区关键技术攻关方面
根据前期研究找到重点区生态环境建设应解决的关键问题进行技术攻关，并利用攻关成果进行关键技术的应用示范。在进行深入分析的基础上，我们选择了大柳塔采煤塌陷区土壤水资源综合利用技术与铜川矿区水资源保护技术、地面塌陷和地裂缝灾害治理的技术、煤矸石利用技术开展重点攻关研究。
四、工作方法
通过广泛收集资料、遥感、野外地质调查、取样测试、野外试验、室内实验等工作手段，在两个典型研究区———铜川矿区和大柳塔矿区进行重点研究，其中铜川矿区作为地处黄土地区的老型、即将封闭、面临转型的典型矿区，大柳塔矿区作为一个地处黄土与沙漠交接带的新型矿区，分析两矿区在煤炭开发过程中所面临的不同地质环境问题及防治措施。在此基础上针对两个不同类型矿区存在的关键技术问题进行技术攻关，提出地质环境保护优化方案。
下面将对遥感解译方法及重点区工作方法分述如下:
(一)遥感解译方法
1.研究内容
以大柳塔矿区为例，研究煤炭资源开发对地质环境的影响，利用多期遥感影像对比，分析环境保护治理技术对矿区地质生态环境的改善作用。
主要研究内容包括以下几个方面:
(1)遥感数字图像处理
对研究区遥感数字图像如TM，ETM+，SPOT-5进行预处理和增强处理，使矿区第五信息特征明显，易于识别。
(2)遥感信息提取
采取人机交互解译方式提取1989～2002年鄂尔多斯盆地矿区土地利用、覆盖变化信息;2007年矿区开发占用土地信息、引发的地质灾害及矿山生态环境恢复预治理信息等。
(3)遥感影像专题地图的制作
1989年、2002年大柳塔矿区土地利用、覆盖动态监测图;矿区生态环境遥感监测图;大柳塔矿区地质环境遥感影像解译等图件的制作。
2.技术路线
(1)土地利用/覆盖动态监测
1)收集研究区1989年TM数据、2002年ETM+数据;
2)进行波段选择，同时进行数据的校正等常规的预处理，使相关数据统一在同一地理坐标;
3)进行野外调查工作，根据初步处理的遥感影像，建立基本解译标志;
4)采用人机交互方式对土地利用/覆盖动态变化进行解译，并分析解译精度;
5)对解译结果进行面积统计和分析。
(2)环境调查与监测技术路线
1)收集资料，了解矿区矿山地质、地貌和环境特征，矿山开采现状和历史，矿山尾矿和废矿的排放和堆积情况;
2)对SOPT-5数据进行图像增强、波段选择，并进行正射校正;
3)进行野外调查工作，根据初步处理的遥感影像，建立基本解译标志;
4)采用人机交互方式对SPOT-5数据进行矿产开发占用土地、地质环境破坏解译。
(二)大柳塔矿区运用的主要方法
在全面调查大柳塔矿区煤炭开发引起的地质环境现状、现有地质环境保护措施及现有保护措施对煤炭开发的促进作用等基础上，发现该矿区煤炭开发引起的主要地质环境问题是地面塌陷。地面塌陷造成该矿区土壤资源和水资源破坏严重。尤其是矿区地表塌陷造成的包气带结构变化及对土壤水分运移机制造的严重影响，是矿区生态环境恶化的主要原因。因此，为深入了解矿区采煤塌陷区包气带中土壤水分的运移情况，探讨采煤塌陷区的土壤水资源保护与综合利用技术方案，本项目采用野外试验与室内实验相结合的方法，在研究区内选取典型地点建立野外水分运移试验场;针对包气带水分运移中的难点，开展室内物理模拟实验作为野外试验的补充，对采煤塌陷条件下包气带水分运移机理及其生态环境效应进行了重点研究，继而提出了采煤塌陷区土壤水资源保护与综合利用技术方案。具体工作方法如下:
1.野外水分运移试验方法
(1)试验目的
为了分析、认识采煤塌陷区与非塌陷区包气带水分运移机理及其生态环境效应，获取可靠试验观测数据。
(2)试验地点
野外水分运移试验场(以下简称试验场)试验地点选择在陕西省神木县大柳塔镇前柳塔村原双沟农场，试验场布置如图1-2所示。
图1-2 大柳塔野外试验场布置图
(3)观测点
试验场包含两个观测点，即非塌陷区水分运移观测点和塌陷区包气带水分运移观测点。
(4)装置
在每个试验点安装1套4m深中子仪测管，1套负压计系统，每套负压计系统配带30个负压计测头(依据实际条件进行调整)。整个试验场需中子仪一套，WM-1型负压计系统两套。
(5)监测方法
土壤含水量采用中子仪进行监测。在试验场塌陷区试验点和非塌陷区试验点均安装中子水分仪观测管，野外测试点土壤剖面含水量的测量共40个测点。第一个测点距地表10cm，在200cm深度以上测点间距为10cm;200～400cm深度，测点间距为20cm，400cm为最深测点。各试验点在冻结期为每10d观测1次。在冻融期开始以后改为每3d观测1次。雨后第一、第三天各观测1次，以后改为正常的每3d观测1次。
土壤水势采用WM-1型负压计系统进行监测。负压计测量系统采用斜插暗埋式安装。测点位置与含水量测点位置一致，即第一个测点距地表10cm，在200cm深度以上测点间距为10cm;200～400cm深度，测点间距20cm，400cm为最深测点。总测点设计30个。负压计观测时间和次数与中子仪观测同步进行。
2.水分运移室内物理模拟实验方法
(1)实验目的
1)了解细砂(风积沙)、粗砂(萨拉乌苏组粗砂)、二元结构体(上细砂下粗砂)条件下包气带水分运移状况;
2)了解不同降雨条件下包气带水分运移规律;
3)了解包气带水分渗漏过程及规律。
(2)试验地点
中国地质科学院水文地质环境地质研究所物理模拟大厅。
(3)装置
土柱，水位测压管，马里奥特瓶———水位控制装置，排泄量测量装置，物理模拟实验降雨装置，WM-1型负压计系统。
(4)实验试土
物理模拟实验模型试土取自大柳塔，为双沟野外试验场两种主要的土壤———细砂(风积沙)和粗砂(萨拉乌苏组粗砂)试土机械组成见表1-1。试土分别填装在4根4m高的土柱中，其中1#土柱内全部为风积砂;2#土柱内全部为粗砂;3#、4#土柱内为二元结构体(上部为风积沙，下部为粗砂)，开展平行实验。
表1-1 试土颗粒分析表
(5)实验前期工作———试土预处理及负压计安装
试土填装后，对土柱进行由下向上饱水处理。完全饱水持续15d，而后排水，使试土在排水过程中自然稳定。排水结束后，对土柱进行负压计安装，详细信息见表1-2。
(6)试验内容
1)单次40mm降雨入渗试验;
2)3次叠加降雨入渗试验(降雨量拟为10mm，20mm和8mm，降雨间隔分别为7d和15d);
表1-2 室内实验土柱信息一览表
3)单次100mm降雨入渗试验(各土柱各次降雨信息见表1-3至表1-6)。
(7)观测方法
室内实验使用WM-1型负压计系统对土水势进行长期观测，一般每天观测2次，分别在早7:00和晚6:00。降雨期间及随后几天内进行加密观测(具体次数根据湿润锋前移速度定)，为实验期间正常工作的WM-1型负压系统观测板。土壤含水量则进行取土观测。
表1-3 1#土柱模拟降雨信息一览表
表1-4 2#土柱模拟降雨信息一览表
表1-5 3#土柱模拟降雨信息一览表
表1-6 4#土柱模拟降雨信息一览表
(三)铜川矿区运用的主要方法
1)通过收集资料和调查走访的形式，初步了解铜川矿区所存在的矿山地质环境问题。通过收集资料、野外调查和采集样品，分析铜川矿区所存在的矿山地质环境问题，并分析成因，尤其要注重煤炭开发与矿区地质环境问题之间的关系。针对铜川矿区的主要地质环境问题，重点研究煤矸石对环境造成的影响、煤炭开发对水资源的影响和引起的地面塌陷的影响。
2)为了研究煤炭开发对水资源的影响，在铜川矿区的井下水仓、排水口、污水处理场、煤矸石淋滤液及河流中采集了水样，以研究煤炭开发对水资源污染方面的影响，同时还调查收集了煤炭开采引起的地下水资源的水位、水量、水质、水源地等的变化情况。
3)为了研究煤矸石对环境的影响和开展综合利用，在不同的矿区采集了煤矸石样品，测定其化学含量，同时还调查走访了矿区中煤矸石现在的利用情况。
为了观测矸石山扬尘对土壤的影响，在矸石山的下风向方向采集了表土样品。沿风向布设采样线，各个采样点距离矸石山的距离分别为5m，10m，15m，20m，30m，50m，150m，300m，500m，在1000m以外采集样品作为背景值，每个土壤样品均取表土(0～15cm深)。
为了研究煤矸石山对土壤的影响，在距离矸石山1m和5m的距离采集了两个土壤剖面样品。两个剖面中采样点距离地面的距离分别0cm，10cm，20cm，30cm，40cm，50cm，60cm，80cm，100cm，120cm，140cm，160cm，180cm，200cm。每个样取200g，对所取的样品进行土壤易溶盐全分析及重金属含量测试。
为了研究矸石山对植物的影响，在矸石山周边和背景区分别采集了植物全茎样品，进行重金属含量的测定。根据植物中重金属含量的富集情况，一方面可以了解煤矸石对周边植被的影响;另一方面也可以根据植物对某些重金属的富集能力进行重金属污染的治理修复。
4)为了研究矿区的地面塌陷和地裂缝情况，课题组除了收集铜川矿务局关于地面塌陷资料外，还对矿区中的部分塌陷和地裂缝进行了实际的野外调查工作。
5)为了改善矿区的环境，促进城市的转型，在前述工作的基础上，对铜川矿区对环境影响较大的地面塌陷、煤矸石和水资源问题进行了治理规划优化方案，希望实现煤矸石资源化和矿井水资源化，减少污染，保护环境，改善环境，为城市的顺利转型做好基础工作。