0 引言

新疆是我国煤田火灾最为严重的省区之一，第5次煤田火区普查结果显示，截至2019年底，新疆未治理的在燃火区40处，包括《新疆煤田火区治理规划(修编)2016-2025年》中提到的22处已有火区和18处燃烧点，火区总面积477.73万m2；易发煤火风险区域共28处，面积575.44万m2[1]。煤田燃烧产生大量的二氧化碳、硫化物等有害气体，平均每年排放量可达到10亿t，持续的高温燃烧破坏土壤结构，造成地面沉降、地裂缝等地质灾害，严重破坏生态环境[2]。

在煤田灭火治理过程中，由于钻孔注入的浆体流向难以控制，无法沿裂隙准确到达燃烧点，也为煤火复燃埋下了隐患[3]。在经过雨水淋滤、自然风化或人为因素的影响下，破坏了地表覆土的密封状态，在地表和地下形成垂直火风压，增大了透气率，并通过裂隙再次形成煤氧结合条件，使得地下高温点经历潜伏期、自热期、燃烧期，最终导致煤火复燃[4]。煤炭属于易燃物，发火期短，自然发火初期规模小且很难被发现，预防难度较大[5]。

利用热红外遥感数据反演地表温度，建立火区温度场，在煤田火区监测中发挥了重要作用。20世纪70年代，ELLYETT等研究人员[6]利用机载热红外传感器对煤田火区的地表温度进行监测；霍彦光等研究人员[7]通过图像增强处理对煤田火区进行识别；张建民等研究人员[8]采用多源遥感和GPS技术获取煤田火区的表象信息；HUO等研究人员[9]利用TM6影像反演了1999-2006年间的煤田火区地表温度，用于预测煤火走势；庄伟等研究人员[10]采用MNF变换、多阈值密度分割、差值法提取煤火高温火点与热异常信息。

以上研究均是围绕煤田火区进行地表热信息识别，而对煤火治理区地表热场研究较少，尤其是煤自燃处于潜伏期和自热期，地表热场很微弱，用某一期数据识别难度较大，热异常提取效果不理想。笔者获取多期冬至时段(测量年11月-次年1月)陆地卫星(Landsat)系列的热红外数据，尽可能减少地表来自太阳辐射热量，通过单窗算法反演形成地表温度时间序列数据，计算方差反映地表温度的离散程度，当离散度越低时，煤自燃产生的“恒温作用”越明显，从而提取煤田火区热异常信息，分析火区和燃烧中心分布、迁移演化过程，为煤田灭火治理区复燃风险预警提供依据。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

硫磺沟煤田火区位于新疆维吾尔自治区昌吉市，地处天山北坡，主要含煤地层是侏罗纪西山窑组，呈北东-南西-南展布，地层总厚度为232～543 m，平均厚度为354 m，含煤系数12.6%，火区中最深的燃烧层达到了215 m，燃点最高温度达到了1 290 ℃，治理难度较大。2000-2004年，新疆煤田灭火工程局对硫磺沟煤田火区进行了详细勘查，将硫磺沟煤火治理区分为万家窑﹑浅水河和卡拉扎3个块段，分为18个火区，总面积931.53万m2，通过剥离平整、打钻、注水、注浆、黄土覆盖等工程将处于煤自燃潜伏期煤火扑灭。随着煤炭市场好转，该区的非法小煤窑屡次违规操作，偷采盗采现象时有发生，造成煤火复燃和次生地质灾害。2019年，昌吉市对硫磺沟矿区小煤矿、粘土矿进行整顿，对复燃区开展灭火工程治理，对历史遗留的采坑进行回填，并对地表植被进行修复，由于煤田自燃的易发性和隐蔽性，依然存在着复燃风险。硫磺沟煤田火区概况如图1所示。

1.2 数据获取

在硫磺沟煤火区开展了2次灭火工程和矿山环境恢复治理，将监测期限分为2000年前煤火燃烧期、2005-2018年煤火复燃风险期、2020年至今煤火治理现状期3个阶段，其中煤火复燃风险期分为前、后2部分。研究区Landsat系列数据成像时间在冬至时段(测量年1月-次年1月)附近，此时云体覆盖率低于10%，硫磺沟煤火区各阶段Landsat系列数据获取情况见表1。

2 研究方法

2.1 地表温度反演

目前热红外遥感技术在反演地表温度方面较为成熟，具有代表性的算法有Jiménez-Munoz等研究人员的单通道算法[11]、覃志豪等研究人员的单窗算法[12]、Rozenstein等研究人员的劈窗算法[13]。单窗算法能够将大气和地表的影响直接包括在演算公式内，与辐射传输方程法、单通道算法相比简单易行，应用方便[14]。因此，笔者采用单窗算法进行地表温度反演，计算公式见式(1)～(3)：

式中：Ts——地表温度，K；

a、b——常数；

C、D——中间变量；

ε——地表比辐射率；

τ——大气透过率；

Ta——大气平均作用温度，K；

Tb——亮度温度，K。

2.2 离散度计算

将各阶段多期地表温度反演数据进行叠加，形成时间序列数据，逐像元计算方差，统计每期数据相对均值的偏离情况，使用平方再进行求和取平均，避免正负数的相互抵消，得到研究区地表温度离散程度数据。当方差越小，表明数据越聚集，离散度越低；方差越大，表明数据越离散，离散度越高。某阶段地表温度的方差见式(4)：

(4)

式中：S2——某阶段地表温度的方差；

x1，x2，……xn——像元对应的某一期反演的地表温度，℃；

M——像元对应某阶段多期数据地表温度的平均值，℃；

n——期数。

2.3 异常分割及滤波处理

根据地统计学原理，地表温度离散度数据符合正态分布，根据经验分割的阈值见式(5)：

Y=gm+1.5σg

(5)

式中：Y—— 阈值；

gm——离散度数据均值；

σg——离散度数据标准差。

将小于这一阈值作为地热异常信息，分割后通过数学形态学算法消除孤立图斑，确保热异常图斑具有较好的连续性和规律性。

3 结果与分析

3.1 地表热异常识别

笔者采用多期时相接近的遥感数据，具有相似的大气、太阳辐射等背景环境，在不同的气温下，地表热异常的识别与地表温度变化有关，对单景地表温度反演的精度依赖低，降低植被、山体阴影的干扰影响。硫磺沟煤火治理区热异常情况变化如图2所示。

分别计算硫磺沟煤火区煤火燃烧期、煤火复燃风险期、煤火治理现状期地表温度离散度，如图2(a)、(c)、(e)和(g)所示；通过阈值切割提取地表热异常信息，如图2(b)、(d)、(f)和(h)所示。将图1与图2(b)对比可以看出，18处煤火燃烧点均存在不同程度的地表热异常。调查发现，由于煤田在燃烧过程中，所含的铁受到氧化作用，发生赤铁矿化，在地表形成烧变岩，颜色以橙色、红色为主，相较于周边的浅色地层，烧变岩的反射率较低，具有吸收太阳辐射较多、吸热快的特点，成为地表热异常的主要干扰地物，需结合实地调查进行排除。

3.2 研究区火灾动态变化分析

为分析硫磺沟煤火治理区热异常变化情况，将万家窑、浅水河和卡拉扎3个火区块段按照煤火燃烧期、煤火复燃风险期和煤火治理现状期进行统计和分析，硫磺沟煤火治理区热异常演变情况见表2。

由表2可以看出，3个块段在每个时期存在不同规模的热异常，受火区地质构造、矿山开采、治理工程等影响，呈现不同的演变特征。

(1)万家窑火区块段煤矿均为地下开采，受北东向深大断裂控制，火区与之平行。1996-1999年，该区热异常面积为5.38 万m2；2000-2004年，新疆煤田灭火工程局开始重点对1号、2号燃烧点进行灭火工程治理，2005-2009年，热异常面积减少至1.36万m2 ；2014-2018年，由于违规开采，煤火复燃并向南部扩张，面积扩大至14.53 万m2，如图2(f)所示；2019年，经过地质环境治理和生态修复，该区热异常范围大幅减少，面积缩小至0.96 万m2。

(2)浅水河块段紧邻头屯河东岸，煤层较浅，由露天开采转为地下开采。1996-1999年，该区热异常区面积为9.87 万m2；2000-2004年，新疆煤田灭火工程局开始重点对3号、4号燃烧点进行灭火工程治理，2005-2009年，热异常面积减少至6.32 万m2；2014-2018年，该区热异常面积变化不明显；2019年经过地质环境治理和生态修复后，3号、4号燃烧点仍然存在热异常，如图2(h)所示。经实地调查，3号燃烧点彻底扑灭，治理坑中的水体为干扰异常；4号燃烧点存在燃烧现象，地表呈现白色钙化物质，地裂缝存在明显的高温异常。浅水河块段实地调查如图3所示。

(3)卡拉扎块段是煤火燃烧最严重的区域，含煤地层位于背斜两翼，热异常沿含煤地层呈不连续环状分布。1996-1999年，提取的火区热异常面积与新疆煤田灭火局治理前调查的14处燃烧点基本一致，热异常面积为452.57 万m2；经过灭火工程治理后，2005-2009年，该区热异常面积大幅减少至21.66万m2，煤火得到有效遏制；2014-2018年，该区小煤窑和泥砂岩矿乱采滥挖较为严重，导致治理工程封闭的覆土被剥离，通过裂隙增大了透气率，形成煤氧结合条件，使得地下高温点发生复燃，并逐渐扩大，热异常范围增大到692.08万m2，呈现四周向中心连片聚拢的趋势，形势较为严峻，如图2(f)所示。2019年，昌吉市开始对该区进行地质环境治理与生态修复工程，治理后从图2(h)可以看到，仅有零星热异常分布，火区热异常范围减少至10.86万m2，经实地调查，热异常均为烧变岩引起的干扰。

4 结论

(1)采用多期冬至前后时段的Landsat系列遥感数据，尽可能减少太阳辐射对地表温度的影响，通过方差反映多期地表温度的离散度，当离散度越小，煤火燃烧产生的“恒温作用”越明显，从而提取地表热异常。通过验证认为，排除干扰异常的影响，该方法能够满足宏观尺度煤火治理区热场监测与动态分析的要求。

(2)将硫磺沟煤火治理区分为3个块段，按照煤火燃烧期、煤火复燃风险期、煤火治理现状期3个阶段进行火区热异常信息提取，结果表明：2000年以前，煤火燃烧期3个块段的热异常面积为467.82万m2；2000-2004年，经过第一轮灭火工程治理后，火区热异常面积大幅减少至29.34万m2；随后由于矿山违规开采，2018年，面积增加至712.74万m2；2019年，经过第二轮灭火工程治理后热异常面积减少至16.57万m2。经野外调查，浅水河火区块段4号燃烧点仍然存在燃烧现象，卡拉扎、万家窑块段的煤火燃烧现象基本消除。总体来说，经过新一轮的煤田火区环境治理，昌吉硫磺沟煤火燃烧得到有效遏制，地表景观和生态环境大幅改善。

煤火自燃是一个缓慢、隐蔽的过程，煤田灭火治理后，受自然或人为因素的影响，外界环境发生变化，治理区极易产生复燃。利用遥感技术对硫磺沟煤田火区进行动态监测，分析火区和燃烧中心分布、迁移演化过程，掌握火区动态变化，可为煤田灭火工程治理及后续复燃风险预警提供支撑。基于此建议对该区加大矿山开采管控力度，做好防护措施，重点对治理前热异常点进行热红外遥感监测，掌握地表热异常的动态变化，在高风险区安装预警装置，防止煤火再次复燃的发生。

参考文献：

[1] 包兴东,新疆第五次煤田火区普查成果分析[J]. 能源与环保,2021,43(2):1-4.

[2] 雍明超.新疆硫磺沟煤矿火区治理浅析[J].内蒙古煤炭经济,2020,12(7):113-114.

[3] 徐永亮,王兰云,褚廷湘,等.煤田火区扩散机理与煤岩裂隙发育规律研究进展[J]. 河南理工大学学报,2013,32(6):668-672.

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[8] 张建民,管海晏,王垚,等. 基于3S技术支持的煤田火区环境遥感监测与治理[J].遥感信息,2000,7(3):23-26.

[9] HUO H Y, NI Z Y, GAO C X, et al. A study of coal fire propagation with remotely sensed thermal infrared data [J]. Remote Sensing, 2015,7(3) :3088 -3113.

[10] 庄伟,陈云浩,余晓敏,等.一种检测煤田地表热异常的新方法[J].中国煤田地质,2007,19(3):132-137.

[11] JUAN C, Jiménez-Munoz, Sobrino.A Generalized Single-channel method for Retrieving Land Surface Temperature from remote sensing data[J].Journal of Geophysical Research,2003.108:1-9.

[12] 覃志豪,ZHANG M H,KARNIELI A,等.用陆地卫星TM6数据演算地表温度[J].地理学报,2001,56(4):456-466.

[13] ROZENSTEIN, QIN Z H, DERIMIAN Y, et al. Derivation of land and surface temperature for landsat-8 TIRS Using a Split Window algorithm[J].Sensors,2014,14(4):5768-5780.

[14] 胡德勇,乔琨,王兴玲,等.单窗算法结合Landsat8热红外数据反演地表温度[J].遥感学报,2015,19(6):964-976.

Research on the remote sensing monitoring of surface thermal anomaly in Liuhuanggou coal fire control area in Xinjiang

YU Hao1, BAO Xingdong2, 3

(1. Information Center of Xinjiang Bureau of Geo-Exploration &Mineral Development, Urumqi, Xinjiang 830000, China;2. Xinjiang Coalfield Fire Extinguishing Engineering Bureau, Urumqi, Xinjiang 830063, China;3. Xinjiang Mine Safety Service Guarantee Center, Urumqi, Xinjiang 830063,China)

Abstract In order to study the thermal field evolution process and control effect of the fire area in Liuhuanggou coalfield in Xinjiang, the thermal infrared remote sensing technology was used for monitoring and studying, and the fire area was divided into three parts: Wanjiayao, Qianshuihe and Kalazha, and the monitoring period was divided into three stages: coal fire combustion period, coal fire reignition risk period and coal fire control status period, the single window algorithm was used to retrieve the multi-period surface temperature at each stage, and the dispersion was used to identify the thermal anomaly in the fire area, and on the basis, the evolution process of the spatial distribution pattern of coal fire was analyzed and the detecting results were verified. The results showed that the area of thermal anomaly of three fire area sections was 4.678 2 million square meters before the treatment in 2000, and reduced to 0.293 4 million square meters after the first round of fire extinguishing engineering management; subsequently, due to illegal mining, the area of thermal anomaly increased to 7.127 4 million square meters in 2018, and reduced to 0.165 7 million square meters after the second round of fire extinguishing engineering management in 2021. According to the field survey, the surface thermal anomaly during the coal fire control status period is consistent with the field situation, there is still spontaneous combustion in the Qianshuihe fire area section, and the spontaneous combustion in the Kalazha and Wanjiayao fire area sections is basically eliminated, the surface landscape and ecological environment of the governance area have improved significantly.

Keywords Liuhuanggou fire area; coal fire control area; coal fire reignition; surface thermal anomaly; thermal infrared remote sensing

中图分类号 TD752.2；TP79

文献标志码 A

引用格式：于浩,包兴东. 新疆硫磺沟煤火治理区地表热异常遥感监测研究[J].中国煤炭,2023,49(7):74-80.DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.07.010YU Hao,BAO Xingdong.Research on the remote sensing monitoring of surface thermal anomaly in Li-uhuanggou coal fire control area in Xinjiang [J]. China Coal, 2023,49(7):74-80. DOI: 10.19880/j.cnki.ccm.2023.07.010

基金项目：新疆地矿局自然资源卫星应用技术分中心建设及应用示范(XGMB202255)，新疆维吾尔自治区青年科学基金项目(2022D1B46)

作者简介：于浩(1979-)，男，安徽临泉县人，硕士，高级工程师，主要从事遥感在地质调查、矿山地质灾害与环境方面的应用研究。E-mail：yhaofly@163.com

(责任编辑 王雅琴)