面向掘進(jìn)工作面爆破質(zhì)量評(píng)價(jià)的移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人技術(shù)研究

宋國棟

(應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029)

爆破作業(yè)是煤礦掘進(jìn)過程中掘進(jìn)工作的重要環(huán)節(jié)，其爆破后的巷道成形質(zhì)量直接影響到巷道安全和后續(xù)的支護(hù)作業(yè)[1-3]。雖然在作業(yè)前對(duì)爆破任務(wù)有工藝設(shè)計(jì)和安全檢測(cè)，作業(yè)后有詳細(xì)的安全檢測(cè)規(guī)范，但是作業(yè)后可能存在的拒爆、殘爆、頂板脫落等現(xiàn)象依然是對(duì)安全員構(gòu)成威脅的重大隱患[4]。同時(shí)，爆破后巷道的成形效果是否能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)很難通過人工檢測(cè)達(dá)到精準(zhǔn)的測(cè)量和評(píng)價(jià)。

掘進(jìn)爆破后安全員一般采用便攜檢測(cè)設(shè)備與裸眼經(jīng)驗(yàn)判斷的傳統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方式，常用的檢測(cè)設(shè)備有全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、鋼尺，將測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行對(duì)照，以便評(píng)價(jià)爆破質(zhì)量[5-8]。上述評(píng)價(jià)方法存在著諸多問題：①爆破作業(yè)后局部粉塵過大，影響測(cè)量精度和測(cè)量安全；②爆破后存在頂板不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅安全員人身安全；③爆破后環(huán)境氣體成分復(fù)雜，單一便攜設(shè)備難以滿足測(cè)量有毒有害氣體濃度等參數(shù)的需要；④傳統(tǒng)的目測(cè)方法難以精準(zhǔn)評(píng)價(jià)對(duì)出礦進(jìn)路頂板圍巖穩(wěn)定性的影響；⑤頂板離層儀定期檢測(cè)數(shù)據(jù)為非連續(xù)性測(cè)量，難以精準(zhǔn)和全面的表征巷道穩(wěn)定性。

隨著特種機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，適用于礦山井下特定區(qū)域、執(zhí)行特定任務(wù)的機(jī)器人成為了礦山智能化的發(fā)展方向，也是解決掘進(jìn)爆破后安全和質(zhì)量評(píng)價(jià)問題的重要途徑，本文基于履帶式移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人提出一種用于評(píng)價(jià)掘進(jìn)工作面爆破質(zhì)量的方法。

1 移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人總體架構(gòu)

掘進(jìn)工作面完成爆破作業(yè)后，一般由安全員進(jìn)入掘進(jìn)工作面利用煙氣傳感器等進(jìn)行爆破區(qū)域的有害氣體檢測(cè)，利用全站儀等設(shè)備進(jìn)行爆破后巷道成形質(zhì)量的測(cè)量[9-12]。使用移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人目的在爆破作業(yè)后初期替代安全員的上述工作，移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示，因此機(jī)器人應(yīng)具備在掘進(jìn)工作面自主行走的能力，同時(shí)加裝檢測(cè)有害氣體的傳感單元和測(cè)量巷道的掃描裝置。

圖1 移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景

由于移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人主要用于完成掘進(jìn)工作面放炮后的巡檢工作，采集該區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)并上傳至管理平臺(tái)，輔助相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)人員分析回采工作面安全情況，確保安全后安排出礦人員設(shè)備進(jìn)入進(jìn)行出礦作業(yè)。主要實(shí)現(xiàn)的功能包括以下方面：

1)機(jī)器人根據(jù)巡檢任務(wù)的要求，自主規(guī)劃行進(jìn)路徑，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面粉塵濃度、CO氣體濃度、SO2氣體濃度、O2氣體濃度、CO2氣體濃度。

2)機(jī)器人搭載的地質(zhì)雷達(dá)對(duì)回采進(jìn)路端部進(jìn)行掃描，辨識(shí)頂板圍巖穩(wěn)定性。(當(dāng)前采用的方式是巡檢人員裸眼觀測(cè)巖石類型、松散情況等屬性以及頂板出水狀態(tài)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)分析圍巖穩(wěn)定性，作為后續(xù)采用何種支護(hù)方式的依據(jù))。

3)機(jī)器人對(duì)已施工巷道進(jìn)行三維激光掃描，完成井下巷道全景掃描后，將數(shù)據(jù)傳到管控平臺(tái)系統(tǒng)，相關(guān)工作人員對(duì)采集的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，生成井下巷道三維實(shí)體模型，利用該實(shí)體模型與設(shè)計(jì)施工圖進(jìn)行對(duì)比，完成巷道施工質(zhì)量驗(yàn)收工作；同時(shí)對(duì)比多個(gè)時(shí)間段的實(shí)體模型變化情況，輔助分析巷道圍巖穩(wěn)定性。

4)井下環(huán)境惡劣，空間狹小，大型設(shè)備較多，有效視距有限，機(jī)器人運(yùn)行過程中應(yīng)具備自動(dòng)識(shí)別避讓系統(tǒng)。

根據(jù)移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人的功能定位，機(jī)器人應(yīng)由移動(dòng)平臺(tái)和業(yè)務(wù)應(yīng)用兩個(gè)部分組成，其中業(yè)務(wù)應(yīng)用包括SLAM掃描、環(huán)境氣體檢測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)三方面內(nèi)容，檢測(cè)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾砥脚_(tái)進(jìn)行綜合處理和分析，在PC端/移動(dòng)端提供質(zhì)量評(píng)價(jià)、三維可視化、輔助決策等方面的應(yīng)用，機(jī)器人總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人總體架構(gòu)

2 移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)方案

2.1 移動(dòng)平臺(tái)

移動(dòng)平臺(tái)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的載體。掘進(jìn)工作面形成初期，巷道地面平整度不高，輪式移動(dòng)平臺(tái)難以滿足在巷道穩(wěn)定行走的要求，因此移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人選用履帶式移動(dòng)平臺(tái)作為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)載體。移動(dòng)平臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 移動(dòng)平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 SLAM掃描

即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)是機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一[13-17]，相對(duì)于地面，通過SLAM掃描構(gòu)建礦井巷道自然數(shù)字模型存在著諸多挑戰(zhàn)：黑暗潮濕、空間狹窄、無GNSS信號(hào)、地面凸凹不平等。

SLAM掃描技術(shù)能夠?qū)σ曈X信息和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖構(gòu)建和三維重現(xiàn)，所構(gòu)建的地圖和三維模型在巷道形體評(píng)價(jià)中具有重要意義。

通過在移動(dòng)平臺(tái)上搭載SLAM掃描裝置，利用SLAM裝置重量輕、體積小的特點(diǎn)，對(duì)井下巷道進(jìn)行全面的快速測(cè)量。獲取礦山地下三維空間數(shù)據(jù)，用于巷道質(zhì)量評(píng)價(jià)。SLAM的主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 SLAM掃描主要技術(shù)指標(biāo)

通過打開SLAM設(shè)備讓其沿著巷道進(jìn)行作業(yè)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道的三維數(shù)據(jù)采集，在采集過程中設(shè)備內(nèi)部采用SLAM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)拼接和處理，簡(jiǎn)化處理流程。

1)點(diǎn)云配準(zhǔn)。每一組數(shù)據(jù)都是對(duì)巷道尺寸的精確描述，對(duì)于多組巷道數(shù)據(jù)，使用點(diǎn)云自動(dòng)配準(zhǔn)的方法，對(duì)掃描的結(jié)果進(jìn)行抽稀、降噪、剪切、平剖等處理后，再將多次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行拼接，將SLAM多個(gè)工程數(shù)據(jù)統(tǒng)一配準(zhǔn)整合一起，得到地下礦山整體空間三維數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 SLAM掃描點(diǎn)云自動(dòng)配準(zhǔn)

2)巷道空間體數(shù)字孿生。對(duì)巷道的點(diǎn)云進(jìn)行建模，可自動(dòng)生成巷道模型，通過對(duì)巷道模型的拼接，形成井下巷道的模型更新和延伸趨勢(shì)，如圖4所示。將巷道內(nèi)布置重大設(shè)備模型及運(yùn)行數(shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)礦山井下生產(chǎn)情況的數(shù)字孿生，為礦山智能化建設(shè)提供模型基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖4 巷道空間體數(shù)字孿生

3)目標(biāo)提取及重點(diǎn)部位分析。對(duì)于重點(diǎn)部分，利用裁剪盒工具提取目標(biāo)所在位置。對(duì)多期的掘進(jìn)工作面巷道數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析巷道的形變，可精準(zhǔn)定潛在的安全隱患，協(xié)助礦山相關(guān)部門做出判斷，進(jìn)行支護(hù)方面的處置有效避免相關(guān)災(zāi)害的發(fā)生。

綜上所述，利用SLAM掃描進(jìn)行的三維重建和地圖構(gòu)建能夠?qū)ο锏罍y(cè)量和GIS應(yīng)用提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐，相較于傳統(tǒng)的巷道測(cè)量，SLAM掃描具有以下特點(diǎn)：①減小安全員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的工作強(qiáng)度，數(shù)據(jù)處理成圖的時(shí)間縮短；②掃描數(shù)據(jù)能清晰的反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)，一目了然，可以更合理的布設(shè)生產(chǎn)的重大設(shè)備等；③平面位置和高程位置精度能夠達(dá)到厘米級(jí)；④在爆破初期進(jìn)入安全隱患不明確的區(qū)域，有效規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)；⑤數(shù)據(jù)獲取速度快，機(jī)器人自主完成，自動(dòng)構(gòu)圖，快速構(gòu)建三維模型。

2.3 環(huán)境氣體檢測(cè)

掘進(jìn)工作面爆破作業(yè)后，巷道內(nèi)粉塵濃度高、有害氣體類型較多[18]，通過機(jī)器人搭載環(huán)境氣體檢測(cè)裝置能夠有效避免人工檢測(cè)方式給安全員帶來的健康影響。

環(huán)境氣體檢測(cè)裝置的搭載載體為移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人，其電源供電、數(shù)據(jù)傳輸、位置更新均依賴于機(jī)器人，因此對(duì)檢測(cè)裝置功耗、體積等參數(shù)有著嚴(yán)格的要求，多種參數(shù)的智能傳感器能夠適應(yīng)集成度高的要求，各個(gè)傳感器插槽可任意組合，傳感器可現(xiàn)場(chǎng)任意互換，增強(qiáng)檢測(cè)的靈活性，機(jī)器人搭載的環(huán)境氣體檢測(cè)裝置應(yīng)滿足的技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 環(huán)境氣體檢測(cè)主要技術(shù)指標(biāo)

2.4 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)

地質(zhì)雷達(dá)是一種利用高頻電磁波技術(shù)探測(cè)地下結(jié)構(gòu)體的方法，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)顯示異常區(qū)域，增強(qiáng)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解和數(shù)據(jù)掌握。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)

地質(zhì)雷達(dá)采用現(xiàn)場(chǎng)成像的方式，能夠?qū)ο锏纼?nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，探測(cè)深度可以達(dá)到6～8m，基本能夠滿足掘進(jìn)工作面爆破后初期對(duì)巷道質(zhì)量和危險(xiǎn)源的評(píng)價(jià)。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)裝置重量一般為4～5kg，在巷道檢測(cè)過程中以機(jī)器人為載體，以移動(dòng)平臺(tái)基坐標(biāo)為參考坐標(biāo)系，將探頭位置及探測(cè)位置數(shù)據(jù)與移動(dòng)平臺(tái)位置信息相結(jié)合，增強(qiáng)對(duì)危險(xiǎn)源的評(píng)價(jià)和定位。

2.5 移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人總體構(gòu)成

綜合考慮掘進(jìn)工作面爆破作業(yè)后的工況環(huán)境、評(píng)價(jià)需求、數(shù)據(jù)處理、綜合分析等方面因素，移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人基于移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，平臺(tái)上方搭載SLAM掃描單元、環(huán)境氣體檢測(cè)傳感單元以及地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)單元，總體構(gòu)成如圖6所示。

圖6 移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人總體構(gòu)成

3 巷道質(zhì)量評(píng)價(jià)

在掘進(jìn)工作面巷道中，沿巷道開拓方向進(jìn)行SLAM掃描和地質(zhì)雷達(dá)掃描，能夠獲取巷道空間數(shù)據(jù)和地質(zhì)體內(nèi)部數(shù)據(jù)。首先對(duì)掘進(jìn)工作面爆破作業(yè)后巷道進(jìn)行掃描，確定巷道巖體內(nèi)部異常區(qū)域，如圖7所示。其次，對(duì)異常區(qū)域進(jìn)的不同水平面分別進(jìn)行掃描，得到巷道巖體內(nèi)部水平剖視圖如圖8所示。最后，同理對(duì)該異常區(qū)域不同垂直面進(jìn)行掃描得到巷道巖體內(nèi)部垂直測(cè)量數(shù)據(jù)，通過以上一系列掃描，可在現(xiàn)場(chǎng)快速確定巖體內(nèi)部異?？臻g區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)和異常區(qū)域的詳細(xì)信息。將所得數(shù)據(jù)圖擬合至巷道三維激光掃描圖形數(shù)據(jù)中，對(duì)巷道內(nèi)部巖體的異常結(jié)構(gòu)進(jìn)行判別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道爆破質(zhì)量的評(píng)價(jià)。

圖7 巷道初次掃描數(shù)據(jù)分析異常區(qū)域多水平剖面掃描

圖8 異常區(qū)域多水平剖面數(shù)據(jù)分析

4 結(jié) 語

面向掘進(jìn)工作面爆破作業(yè)后的巷道環(huán)境，通過移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)爆破質(zhì)量評(píng)價(jià)的方式能夠?qū)ο锏莱尚吻闆r和地質(zhì)情況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。山西某煤礦的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，機(jī)器人能夠滿足該階段巷道質(zhì)量的評(píng)價(jià)需求。

機(jī)器人通過搭載地質(zhì)雷達(dá)對(duì)掘進(jìn)工作面前端進(jìn)行掃描，能夠辨識(shí)頂板圍巖穩(wěn)定性。通過井下巷道全景掃描后，將數(shù)據(jù)傳到管控平臺(tái)系統(tǒng)，對(duì)采集的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，生成井下巷道三維實(shí)體模型，利用實(shí)體模型與設(shè)計(jì)施工圖進(jìn)行對(duì)比，完成巷道施工質(zhì)量驗(yàn)收工作。通過對(duì)比多個(gè)時(shí)間段的實(shí)體模型變化情況，輔助分析巷道圍巖穩(wěn)定性。通過機(jī)器人的自主巡檢，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面爆破初期巷道安全及質(zhì)量的快速評(píng)價(jià)，減少了危險(xiǎn)環(huán)境下的作業(yè)人員，提高了掘進(jìn)工作面的智能化水平。