無人機技術(shù)在煤礦巖移監(jiān)測中的應(yīng)用

吳海文

(國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司布爾臺煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017209)

煤炭資源是我國重要的能源礦產(chǎn)資源，為我國經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展提供了重要的支撐力。然而，隨著煤炭資源的不斷開采，煤礦地下逐漸形成了采空區(qū)，當(dāng)采空區(qū)的面積不斷增加則可能會引發(fā)一系列的地質(zhì)災(zāi)害[1]。在地面上常常表現(xiàn)為地面沉降、裂縫、滑坡、泥石流等災(zāi)害，造成嚴重經(jīng)濟損失的同時還會進一步破壞生態(tài)平衡[2]。在礦體沒有開采之前，巖體處于平衡狀態(tài)；當(dāng)?shù)V體開采后，形成的地下空間會破壞巖體原來的應(yīng)力結(jié)構(gòu)，引發(fā)巖體應(yīng)力的重新分布，并一直延續(xù)到巖體內(nèi)部形成新的平衡為止[3]。在應(yīng)力重新分布過程中，會使圍巖產(chǎn)生變形、移動、破壞，從而對工作面、巷道以及圍巖產(chǎn)生壓力(即礦壓)，礦壓是由開采過程而引起的巖移運動對支架圍巖所產(chǎn)生的作用力[4]。因此及時監(jiān)測巖移的情況，對礦壓進行實時監(jiān)控，對于煤炭的安全生產(chǎn)具有重大意義。

傳統(tǒng)的巖移觀測是通過建立巖移工作站實現(xiàn)的，這種方式無論是在數(shù)據(jù)采集效率還是巖移監(jiān)測的便捷性、實時性上都難以滿足現(xiàn)在大數(shù)據(jù)監(jiān)測分析的需求[5]。自無人機技術(shù)從軍用領(lǐng)域進入民用領(lǐng)域以來，其發(fā)展十分迅猛，應(yīng)用也已十分廣泛。無人機在航拍、農(nóng)業(yè)、快遞運輸、災(zāi)難救援、航空測繪、新聞報道、電力巡檢、搶險救災(zāi)、影視拍攝等多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[6]?；跓o人機技術(shù)的快速發(fā)展以及無人機測量精度的大幅提高，利用無人機技術(shù)來監(jiān)測煤礦巖移活動可以幫助實現(xiàn)智能監(jiān)測平臺的建立，進一步實現(xiàn)綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、大數(shù)據(jù)分析以及人工智能安全預(yù)警等作用，對于煤礦工作的實時監(jiān)測和安全生產(chǎn)具有重要意義[7]。

針對無人機技術(shù)在布爾臺煤礦巖移監(jiān)測中的應(yīng)用，利用無人機航測技術(shù)采集分析煤礦工作面巖移數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)高效便捷的巖移監(jiān)測，為人工智能分析、礦壓實時監(jiān)測、智能云監(jiān)測平臺提供大量的數(shù)據(jù)支持，幫助智能監(jiān)測平臺的建立。

1 無人機巖移監(jiān)測系統(tǒng)概述

1.1 無人機航測技術(shù)原理

無人機航測技術(shù)的原理主要是通過無人機低空拍攝掃描獲取高清晰的影像數(shù)據(jù)生成三維點陣與模型，實現(xiàn)地理信息的快速獲取[8]。無人機監(jiān)測數(shù)據(jù)通過處理可以得到帶有精確坐標(biāo)的三維模型，模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)采集軟件進行需求測繪，而后使用相應(yīng)軟件可采集到模型內(nèi)任意所需求的坐標(biāo)數(shù)據(jù)[9]。

1.2 無人機巖移監(jiān)測系統(tǒng)

無人機巖移監(jiān)測系統(tǒng)主要包括硬件和軟件，主要由無人機飛行器、飛行與導(dǎo)航控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、高分辨率CCD相機與相關(guān)機載傳感器系統(tǒng)等部件組成。另外，巖移監(jiān)測系統(tǒng)還需要完整的軟件平臺配合支持，主要包括數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)應(yīng)用分析系統(tǒng)等。相對于傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感系統(tǒng)，無人機巖移監(jiān)測不需要配置專用的數(shù)字化處理設(shè)備，成本遠遠低于其他遙感系統(tǒng)，其還具備無需專用起降場地、可低空多角度獲取數(shù)據(jù)等特點以彌補航空遙感陰云和建筑遮擋的問題[10]，另外可根據(jù)實際監(jiān)測面積和數(shù)據(jù)采集距離選用對應(yīng)的飛行器，方便靈活。但同時無人機監(jiān)測同樣有著相幅小、基高比低、飛行姿態(tài)不穩(wěn)定、像點位移等缺點，因此在同樣重疊度的情況下，需要更多的控制點[11]。

本文采用的無人機屬于固定翼垂直起降無人機，具有大航程、大載重的優(yōu)勢，同時兼具良好的起降性能。由于其具有飛行距離長、活動半徑大的優(yōu)勢，垂直起降固定翼無人機常應(yīng)用于交通監(jiān)管、油田管道巡檢、大面積測繪、森林巡檢等領(lǐng)域[12]。固定翼垂直起降無人機如圖1所示。

圖1 固定翼垂直起降無人機

2 無人機巖移監(jiān)測實例

布爾臺煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗，神東礦區(qū)北部。利用無人機技術(shù)對布爾臺煤礦某區(qū)域的工作面巖移情況進行監(jiān)測分析，觀測區(qū)域內(nèi)的平均巖層厚度約為440 m，松散層厚度約為30 m，平均煤層厚度約為6.1 m，實際平均采高為6.1 m，開切眼處煤層的傾角為1°，傾向線處煤層的傾角則為1°48′，巖移監(jiān)測區(qū)域煤層總體為近水平煤層。工作面巖層與松散層厚度等值線如圖2所示。

圖2 工作面巖層與松散層厚度等值線

2.1 無人機監(jiān)測線布設(shè)方案

觀測線按照設(shè)計書中的要求進行布設(shè)，走向線開切眼外邊線長度為340 m，內(nèi)邊線長度為520 m，共44個觀測點，點號以K開頭；傾向線上山段及下山段各500 m，共51個觀測點，點號以L開頭，傾向線與走向線相交于距開切眼480 m的位置(H0為平均采深295 m，在圖3中工作面覆蓋層厚度等值線從260～350 m，取平均值295 m)，觀測樁間距為20 m。觀測線外側(cè)共布設(shè)有3組共6個控制點，每組間距50 m。觀測線布置示意如圖3所示。

圖3 觀測線布置示意

2.2 無人機巖移監(jiān)測方案

應(yīng)用無人機航測技術(shù)監(jiān)測巖移可以大大減少野外的工作量和工作難度。無人機航測只需要配備1～2人即可完成飛行采集工作，航測任務(wù)結(jié)束后利用計算機對數(shù)據(jù)進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。相對于傳統(tǒng)巖移數(shù)據(jù)的采集，無人機巖移監(jiān)測可大大提高數(shù)據(jù)采集工作效率[13]。無人機由于其低空飛行的特點，搭載相機系統(tǒng)可以獲取厘米級分辨率的數(shù)據(jù)，滿足后期高精度成像需求[14]。本次無人機監(jiān)測煤礦巖移的主要工作流程如圖4所示。

圖4 無人機巖移監(jiān)測工作流程

選取適宜的天氣在布爾臺煤礦某區(qū)域執(zhí)行無人機航測任務(wù)，在飛行作業(yè)前需要提前做好航線規(guī)劃，基于觀測線布置點位，結(jié)合前期規(guī)劃的航線選擇合適的起降點并對整個航攝區(qū)域進行劃分。保證各個飛行區(qū)塊之間能夠做到無縫銜接，避免出現(xiàn)漏飛、重飛等情況，提高飛行工作效率。

在到達實際起降點后控制無人機起飛，在飛行的過程中可通過無人機控制系統(tǒng)實時對無人機的飛行航線以及無人機相機系統(tǒng)的拍攝畫面進行實時調(diào)整，完成整個影像數(shù)據(jù)的采集工作。無人機巖移監(jiān)測飛行航線如圖5所示。無人機巖移監(jiān)測影像如圖6所示。

圖5 無人機巖移監(jiān)測飛行航線

圖6 無人機巖移監(jiān)測影像

完成巖移數(shù)據(jù)的采集工作之后，需要利用計算機軟件進一步對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，通過建模仿真建立三維空間模型，從而獲得完整清晰的地面巖移數(shù)據(jù)。另外，需要注意的是，由于無人機采集到的數(shù)據(jù)其精度可以達到厘米級分辨率，因此仿真的數(shù)據(jù)量較大。整個數(shù)據(jù)的處理過程以及三維空間模型的搭建需要較大的算力支持，對于計算機的性能有一定的要求。經(jīng)過三維模型仿真計算后輸出的巖移采集區(qū)域的鳥瞰以及局部如圖7所示。

圖7 三維模型仿真計算后輸出的巖移采集區(qū)域的鳥瞰以及局部

三維空間模型建立的完成，預(yù)示著整個巖移監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)已經(jīng)全部采集完成，后期的工作就是基于采集到的數(shù)據(jù)對巖移數(shù)據(jù)進行分析。采煤工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與開采后上覆巖層移動規(guī)律直接相關(guān)，因此工作面巖移監(jiān)測對于實時礦壓監(jiān)測，礦壓診斷意義重大。無人機巖移監(jiān)測可大大提高巖移數(shù)據(jù)采集的效率，進一步提高采集數(shù)據(jù)的實時性，為煤礦安全生產(chǎn)奠定基石，滿足智能監(jiān)測平臺大數(shù)據(jù)監(jiān)測分析的要求。

3 巖移監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 地表移動變形計算以及變形曲線繪制

在無人機航拍對地表點樁的實測數(shù)據(jù)整理和校核的基礎(chǔ)上，依據(jù)《煤礦測量規(guī)程》中的相應(yīng)公式分別計算了走向線和傾向線在不同觀測時段，即測點和測點間的移動變形，即各測點的下沉和水平移動，相鄰兩測點間的傾斜和水平變形。各測點下沉值計算結(jié)果見表1，走向線下沉曲線如圖8所示，傾向線下沉曲線如轉(zhuǎn)圖9所示。

圖8 走向線下沉曲線

圖9 傾向線下沉曲線

表1 測點下沉值計算結(jié)果 m

3.2 變形曲線分析

根據(jù)圖8和圖9下沉曲線特點可知，目前施工工作面走向線下沉盆地存在明顯的底部，可以判斷在2020年12月16日，監(jiān)測區(qū)域已接近充分采動，而后隨著工作面的不斷推進，觀測線各觀測點的下沉量都沒有太大變化，曲線整體形態(tài)保持不變；傾向線下沉曲線呈底部平緩的非對稱碗型，底部平緩是充分采動的主要特征，傾向線下沉曲線上山部分與下山方向相比坡度小，影響范圍更大是由于上山方向為鄰近的采空區(qū)，工作面采動后，受其影響的鄰近工作面采空區(qū)基巖力學(xué)平衡被打破，并發(fā)生了活化，因此靠近工作面一側(cè)的采空區(qū)地表繼續(xù)下沉數(shù)公分至十?dāng)?shù)公分不等。

工作面地表下沉曲線為標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)，整體趨勢相對平緩，采空區(qū)邊界距盆底邊緣距離較大，坡度較小，這是采深塌陷盆地的典型特征之一。K42點為走向線最大下沉點，距開切眼480 m，總下沉量2.208 m(采高約3.6 m)，盆底次低位下沉點為K41。傾向線距開切眼480 m，交點為K42/L26，下沉曲線總體呈碗型，有一個明顯的底部，是充分采動的典型特征，由于工作面不是該盤區(qū)首采工作面，上山方向毗鄰工作面于2019年回采，受采動疊加影響使得鄰近采空區(qū)活化，因此傾向線下沉盆地呈不對稱形態(tài)，上山方向坡度明顯小于下山方向，因為是充分采動，所以最大下沉點L26仍處于工作面中心位置，其總下沉量2.208 m(采高約3.6 m)。傾斜變形曲線如圖10所示，曲率曲線如圖11所示，水平變形曲線如圖12所示。

圖10 傾斜變形曲線

圖11 曲率曲線

圖12 水平變形曲線

(1)傾斜曲線表示地表移動盆地內(nèi)傾斜的變化規(guī)律，是移動盆地內(nèi)相鄰兩觀測點的下沉高差與兩點間長度之比。i越大表明對應(yīng)的下沉曲線坡度越陡，由圖10可以看出，在最大下沉觀測點K42/L26前進方向i趨近于0，在拐點(下沉曲線凹凸變化處)處(K21、L21、L30)傾斜最大，L線為完整的下沉曲線，有2個方向相反的最大傾斜值。

(2)曲率曲線為兩相鄰線段的傾斜差與兩線段中間點的水平距離的比值，表示地表移動盆地內(nèi)曲率的變化規(guī)律，從曲線圖可以看出下沉盆地的曲率變形值較大的位置出現(xiàn)在下沉盆地邊緣，這些區(qū)域雖然下沉量較小但往往受到的曲率變形作用卻是最大的。

(3)水平變形曲線表示地表移動盆地內(nèi)水平變形分布規(guī)律，是移動盆地一線段兩端點的水平移動差與此線段長度之比。正極值為最大拉伸值，通常應(yīng)位于拐點附近，負極值為最大壓縮值出現(xiàn)在盆底邊緣，但該工作面水平變形曲線較為平緩，變化規(guī)律不典型，表明上覆巖層斷裂后水平擠壓作用在平面方向上較小。

3.3 地表移動持續(xù)時間的確定

移動變形階段及延續(xù)時間的確定是巖移觀測數(shù)據(jù)分析中的重要工作之一，不同采礦工藝下的采空區(qū)在各移動變形階段持續(xù)時間上有著明顯的差別，是地表移動變形的重要特征之一，研究區(qū)工作面也存在比較明顯的4個移動變形階段。

(1)變形前期。2020年4月28日工作面開始回采，5月10日前為試采期每天進尺3～5 m，試采結(jié)束至2020年7月5日(工作面處于走向線邊界處)前平均每天進尺9 m左右。測量隊在回采后對工作面開切眼附近的觀測點進行巡視測量(根據(jù)井下來壓情況，安排觀測時間，盡量精確捕捉地表移動變形的開始時間)，2020年5月10日，工作面回采推進至68 m時，在走向線上的K21點為最大下沉點，下沉量12 mm，這標(biāo)志著地表移動變形已經(jīng)開始。

(2)移動變形活躍階段。2020年5月10日-2020年9月1日為觀測區(qū)域地表移動變形活躍階段(地表下沉速度大于1.67 mm/d)，5月10日工作面回采推進至68 m，最大下沉點K21點下沉量較5月6日下沉12.3 mm，日平均下沉量達3 mm，該點附近地表移動變形進入活躍期，按照《煤礦測量規(guī)程》要求，此期間平均每周對觀測點進行1次四等水準(zhǔn)測量，并在工作面推進位置處于0.7 倍的采深H0、1.4倍的采深H0(H0為平均采深295 m)處及活躍期結(jié)束時共進行3次的平面觀測。

(3)移動變形衰退階段。指地表下沉速度從小于1.67 mm/d至移動穩(wěn)定的階段，在2020年9月7日觀測結(jié)果中，走向線最后一個觀測點K44，9月7日-9月1日每日平均下沉量為1.18 mm/d，標(biāo)志著移動觀測區(qū)域地表沉陷全部進入衰退期，在衰退期至工作面穩(wěn)沉后觀測工作每月進行1次。

(4)穩(wěn)沉階段。各觀測點位自2020年10月14日～2021年4月19日累計沉降量最大為25 mm，由此判斷至2021年4月19日起移動觀測區(qū)域地表沉陷已基本進入穩(wěn)沉期(按照《煤礦測量規(guī)程》6個月沉陷量小于等于3 cm的要求，結(jié)束巖移觀測工作)。

3.4 巖移監(jiān)測總結(jié)

該工作面地表覆蓋層厚度近300 m，在近1年的時間內(nèi)，完成了從采動到穩(wěn)沉的過程，地表沉降活動總體上比較平和，比之薄煤層開采沒有形成裂溝、塌陷坑及臺階型地貌，細小的裂縫集中分布于其采空區(qū)內(nèi)；下沉系數(shù)偏小、拐點偏移距偏大：觀測線下沉曲線理論上位于開切眼正上方，由于開采邊界附近的頂板巖石不能充分垮落導(dǎo)致拐點向采空區(qū)方向偏移，當(dāng)采空區(qū)受臨近工作面采動影響時，破壞了巖層的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，該區(qū)域還會有一定的殘余下沉；走向線方向上水平變形量比傾斜方向上的大，即走向線方向最大水平變形值為23.5 mm/m，傾向線方向最大水平變形值為6.8 mm/m。

4 結(jié)語

利用無人機技術(shù)實現(xiàn)了對工作面巖移活動進行監(jiān)測分析，對于日后完成大規(guī)模巖移數(shù)據(jù)采集、搭建大數(shù)據(jù)分析平臺、實現(xiàn)人工智能監(jiān)測具有十分重要的意義，通過無人機技術(shù)可方便快捷的完成巖移觀測的任務(wù)。相較于傳統(tǒng)的觀測站監(jiān)測的方法，無人機觀測具有靈活性高、數(shù)據(jù)采集便攜、數(shù)據(jù)采集量大、實時性高，成本低等諸多優(yōu)勢，可以方便快速的獲得巖移采集區(qū)域較為典型的巖移規(guī)律，積累寶貴經(jīng)驗，為地面災(zāi)害的評價、防治和治理提供了重要的依據(jù)，對煤炭安全生產(chǎn)及可持續(xù)發(fā)展有著十分重要意義。