無人機技術在煤礦巖移監測中的應用

吳海文

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

煤炭資源是我國重要的能源礦產資源，為我國經濟和社會的快速發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，當采空區的面積不斷增加則可能會引發一系列的地質災害[1]。在地面上常常表現為地面沉降、裂縫、滑坡、泥石流等災害，造成嚴重經濟損失的同時還會進一步破壞生態平衡[2]。在礦體沒有開采之前，巖體處于平衡狀態；當礦體開采后，形成的地下空間會破壞巖體原來的應力結構，引發巖體應力的重新分布，并一直延續到巖體內部形成新的平衡為止[3]。在應力重新分布過程中，會使圍巖產生變形、移動、破壞，從而對工作面、巷道以及圍巖產生壓力(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生的作用力[4]。因此及時監測巖移的情況，對礦壓進行實時監控，對于煤炭的安全生產具有重大意義。

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

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

1 無人機巖移監測系統概述

1.1 無人機航測技術原理

無人機航測技術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據生成三維點陣與模型，實現地理信息的快速獲取[8]。無人機監測數據通過處理可以得到帶有精確坐標的三維模型，模型數據導入數據采集軟件進行需求測繪，而后使用相應軟件可采集到模型內任意所需求的坐標數據[9]。

1.2 無人機巖移監測系統

無人機巖移監測系統主要包括硬件和軟件，主要由無人機飛行器、飛行與導航控制系統、地面監控系統、高分辨率CCD相機與相關機載傳感器系統等部件組成。另外，巖移監測系統還需要完整的軟件平臺配合支持，主要包括數據傳輸系統、數據采集處理系統以及數據應用分析系統等。相對于傳統的衛星遙感系統，無人機巖移監測不需要配置專用的數字化處理設備，成本遠遠低于其他遙感系統，其還具備無需專用起降場地、可低空多角度獲取數據等特點以彌補航空遙感陰云和建筑遮擋的問題[10]，另外可根據實際監測面積和數據采集距離選用對應的飛行器，方便靈活。但同時無人機監測同樣有著相幅小、基高比低、飛行姿態不穩定、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、活動半徑大的優勢，垂直起降固定翼無人機常應用于交通監管、油田管道巡檢、大面積測繪、森林巡檢等領域[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 無人機巖移監測實例

布爾臺煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市伊金霍洛旗，神東礦區北部。利用無人機技術對布爾臺煤礦某區域的工作面巖移情況進行監測分析，觀測區域內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′，巖移監測區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 無人機監測線布設方案

觀測線按照設計書中的要求進行布設，走向線開切眼外邊線長度為340 m，內邊線長度為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。觀測線外側共布設有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 無人機巖移監測方案

應用無人機航測技術監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，航測任務結束后利用計算機對數據進行后續的數據處理工作。相對于傳統巖移數據的采集，無人機巖移監測可大大提高數據采集工作效率[13]。無人機由于其低空飛行的特點，搭載相機系統可以獲取厘米級分辨率的數據，滿足后期高精度成像需求[14]。本次無人機監測煤礦巖移的主要工作流程如圖4所示。

圖4 無人機巖移監測工作流程

選取適宜的天氣在布爾臺煤礦某區域執行無人機航測任務，在飛行作業前需要提前做好航線規劃，基于觀測線布置點位，結合前期規劃的航線選擇合適的起降點并對整個航攝區域進行劃分。保證各個飛行區塊之間能夠做到無縫銜接，避免出現漏飛、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實時對無人機的飛行航線以及無人機相機系統的拍攝畫面進行實時調整，完成整個影像數據的采集工作。無人機巖移監測飛行航線如圖5所示。無人機巖移監測影像如圖6所示。

圖5 無人機巖移監測飛行航線

圖6 無人機巖移監測影像

完成巖移數據的采集工作之后，需要利用計算機軟件進一步對采集到的數據進行處理，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據。另外，需要注意的是，由于無人機采集到的數據其精度可以達到厘米級分辨率，因此仿真的數據量較大。整個數據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。經過三維模型仿真計算后輸出的巖移采集區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域的鳥瞰以及局部

三維空間模型建立的完成，預示著整個巖移監測區域的數據已經全部采集完成，后期的工作就是基于采集到的數據對巖移數據進行分析。采煤工作面的礦壓顯現規律與開采后上覆巖層移動規律直接相關，因此工作面巖移監測對于實時礦壓監測，礦壓診斷意義重大。無人機巖移監測可大大提高巖移數據采集的效率，進一步提高采集數據的實時性，為煤礦安全生產奠定基石，滿足智能監測平臺大數據監測分析的要求。

3 巖移監測結果分析

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據整理和校核的基礎上，依據《煤礦測量規程》中的相應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 測點下沉值計算結果 m

3.2 變形曲線分析

根據圖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，監測區域已接近充分采動，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，工作面采動后，受其影響的鄰近工作面采空區基巖力學平衡被打破，并發生了活化，因此靠近工作面一側的采空區地表繼續下沉數公分至十數公分不等。

工作面地表下沉曲線為標準形態，整體趨勢相對平緩，采空區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活化，因此傾向線下沉盆地呈不對稱形態，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傾斜的變化規律，是移動盆地內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曲率的變化規律，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在下沉盆地邊緣，這些區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水平變形分布規律，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，通常應位于拐點附近，負極值為最大壓縮值出現在盆底邊緣，但該工作面水平變形曲線較為平緩，變化規律不典型，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 地表移動持續時間的確定

移動變形階段及延續時間的確定是巖移觀測數據分析中的重要工作之一，不同采礦工藝下的采空區在各移動變形階段持續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，這標志著地表移動變形已經開始。

(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《煤礦測量規程》要求，此期間平均每周對觀測點進行1次四等水準測量，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至移動穩定的階段，在2020年9月7日觀測結果中，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，標志著移動觀測區域地表沉陷全部進入衰退期，在衰退期至工作面穩沉后觀測工作每月進行1次。

(4)穩沉階段。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日起移動觀測區域地表沉陷已基本進入穩沉期(按照《煤礦測量規程》6個月沉陷量小于等于3 cm的要求，結束巖移觀測工作)。

3.4 巖移監測總結

該工作面地表覆蓋層厚度近300 m，在近1年的時間內，完成了從采動到穩沉的過程，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內；下沉系數偏小、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致拐點向采空區方向偏移，當采空區受臨近工作面采動影響時，破壞了巖層的穩定結構，該區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 結語

利用無人機技術實現了對工作面巖移活動進行監測分析，對于日后完成大規模巖移數據采集、搭建大數據分析平臺、實現人工智能監測具有十分重要的意義，通過無人機技術可方便快捷的完成巖移觀測的任務。相較于傳統的觀測站監測的方法，無人機觀測具有靈活性高、數據采集便攜、數據采集量大、實時性高，成本低等諸多優勢，可以方便快速的獲得巖移采集區域較為典型的巖移規律，積累寶貴經驗，為地面災害的評價、防治和治理提供了重要的依據，對煤炭安全生產及可持續發展有著十分重要意義。