無人機在煤礦地表隱蔽災(zāi)害排查中的應(yīng)用

吳敏杰

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710054）

為了保證煤礦安全生產(chǎn)，煤礦企業(yè)必須定期開展地表的隱蔽災(zāi)害巡查工作。目前，大多數(shù)煤礦依舊采用傳統(tǒng)的煤礦工作人員地表踏勘巡查方式，進(jìn)行地表隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素排查，傳統(tǒng)排查方法存在成本高、人力耗費大、周期長、不能全區(qū)覆蓋、排查區(qū)域受地形影響、可能給巡邏人員造成人身安全隱患等問題，使得排查結(jié)果不能及時有效的指導(dǎo)煤礦井下安全生產(chǎn)，是煤礦企業(yè)急需解決和改善的問題之一。

目前，雖然衛(wèi)星遙感技術(shù)已很成熟，但由于研究區(qū)大多數(shù)煤礦礦權(quán)范圍不大，如采用衛(wèi)星遙感技術(shù)則存在耗資大、周期長獲取不及時、圖像分辨率不足等問題，而無人機搭載專業(yè)攝像頭后，其低空遙感技術(shù)可實現(xiàn)在小范圍、踏勘困難區(qū)域可快速獲取高分辨率影像，具有成本低、機動性強、數(shù)據(jù)采集靈活、時效性強等優(yōu)勢[1]。據(jù)Roosevelt[2]在土耳其西部的區(qū)域地形測量實踐表明，無人機低空遙感測量效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出傳統(tǒng)人工測量的1 個數(shù)量級，數(shù)據(jù)密度至少高出2 個數(shù)量級。無人機遙感技術(shù)在煤礦行業(yè)具備廣闊應(yīng)用前景，將在智慧礦山建設(shè)承擔(dān)重要任務(wù)。目前我國學(xué)者對無人機在煤礦地面沉陷監(jiān)測、礦山環(huán)境測量、礦山邊坡巖體結(jié)構(gòu)編錄、大范圍自然地質(zhì)災(zāi)害等有一些研究成果[3-8]，但是無人機在地表隱蔽致災(zāi)排查中應(yīng)用鮮見報道，無人機遙感技術(shù)當(dāng)前在煤礦行業(yè)應(yīng)用并不多見，為此，以陜北侏羅紀(jì)煤田神北礦區(qū)淺埋煤層生產(chǎn)煤礦為例，采用無人機的可見光+紅外熱成像低空遙感技術(shù)，進(jìn)行煤礦地表隱蔽災(zāi)害的快速掃面排查。

1 無人機簡介與操作

1.1 Mavic 2 大疆無人機簡介

本次地表排查采用Mavic 2 大疆無人機，其配備先進(jìn)的多方位視覺系統(tǒng)及紅外傳感系統(tǒng)，可在室內(nèi)外穩(wěn)定懸停、飛行，具備自動返航、障礙物感知以及輔助飛行功能。使用1/2.3 inch CMOS 圖像傳感器，可穩(wěn)定拍攝4K 超高清視頻與1 200 萬像素照片，搭載FLIR 長波紅外非制冷熱成像相機機芯與可見光相機，可同時拍攝熱成像與可見光影像，并支持兩者融合顯示。遙控器采用OCUSYNCTM 2.0高清圖傳技術(shù)，在無干擾無遮擋環(huán)境，控制范圍達(dá)10 km，可通過DJI Pilot App 在移動設(shè)備實時顯示高清畫面。最長工作時間約為135 min，最大飛行速度為72 km/h，單次最長飛行時間約31 min。

與傳統(tǒng)的煤礦工作人員地表巡查相比，搭載FLIR 長波紅外熱成像相機機芯與可見光相機的無人機航拍技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢：①具有較高的排查效率：以地表較為簡單的榆神礦區(qū)為例，面積大約5 km2的煤礦，需安排至少2 人進(jìn)行日常巡山工作，地表隱蔽災(zāi)害每個點巡查到位，至少需要緊密工作2 d 時間，而無人機僅2 h 航拍+3 h 室內(nèi)視頻回放，便可實現(xiàn)對煤礦地表的快速巡查，效率較高；②具有更低的成本：在地表巡查中只需要配置無人機和1名操作人員，便可替代多名工作人員的日常巡山工作；③具有較高的安全性：避免了巡查人員直接進(jìn)入潛在的危險區(qū)域，如地面的突發(fā)性塌陷、突然的山體滑坡、溝谷處突然的落石、路面泥濘造成的車輛傾倒等偶然性危險，降低了作業(yè)人員實地測量的危險性；④具有綜合探查能力：可見光+紅外熱成像技術(shù)可一次性完成煤礦地表各種災(zāi)害和隱伏的高溫異常災(zāi)害的探查工作；⑤可做到礦區(qū)全礦區(qū)覆蓋排查：較傳統(tǒng)工作人員點式的踏勘測量覆蓋范圍廣；⑥無人機影像技術(shù)可進(jìn)行多模式拍攝：煤礦地表日常排查可選擇建圖航拍進(jìn)行掃面航拍，裂縫和塌陷的連續(xù)觀測可進(jìn)行航點飛行模式，河流、溝谷、斷層等可選擇連貫地航帶式飛行進(jìn)行追蹤拍攝，較多飛行模式可以讓工作人員更好的掌握和了解地表災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展情況[9]；⑦操作簡單：只需要進(jìn)行簡單的培訓(xùn)，就能讓工作人員了解無人機的操作技巧。

1.2 無人機的巡航設(shè)置

依據(jù)煤礦現(xiàn)場排查經(jīng)驗，煤礦礦權(quán)范圍坐標(biāo)點均為平面坐標(biāo)，因此需先將礦權(quán)坐標(biāo)點轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)，并將坐標(biāo)整理成通用格式：“點編號—Y（經(jīng)度）—X（緯度）（*.txt）”。

以奧維互動地圖（ovital）為例，系統(tǒng)→導(dǎo)入對象→將整理好的txt 文件導(dǎo)入，右擊添加軌跡后導(dǎo)出對象，導(dǎo)出文件格式選擇kml，復(fù)制該kml 文件中的點位信息后，建立原始kml 文件，將復(fù)制的點信息，粘貼到飛行kml 文件中，將煤礦名稱改為本次預(yù)飛行煤礦，無人機飛行文件制作完成。

無人機App 建圖模式和航帶飛行模式如圖1。打開手機中大疆無人機“DJI Piolt”App，找到飛行kml 文件，選擇航線飛行→KML 導(dǎo)入→煤礦范圍內(nèi)掃面飛行選擇建圖航拍模式，斷層或、溝谷、河流等選擇航帶飛行模式→加載kml 文件→App 中進(jìn)行飛控參數(shù)設(shè)置：飛行高度依據(jù)周圍環(huán)境設(shè)置一般在煤礦較高點起飛，飛行高度設(shè)置100 m 左右；飛行方位設(shè)置與煤礦工作面布置方位一致，這樣可以很直觀的觀察地下開采與地表裂縫形態(tài)發(fā)育關(guān)系；影像重疊率設(shè)置依據(jù)需求定，一般≥10%；手持機視圖選擇可見光和紅外光融合模式進(jìn)行→啟動無人機→手機連接到無人機遙控器→開始執(zhí)行飛行命令。

圖1 無人機App 建圖模式和航帶飛行模式Fig.1 UAV App mapping mode and flight mode

2 無人機煤礦快速排查應(yīng)用

神北礦區(qū)處于毛烏素沙地向黃土高原丘陵溝壑區(qū)的過渡地帶，區(qū)內(nèi)地貌以黃土丘陵為主，伴有土石山地、壕地、壩地及風(fēng)沙地貌，沖溝較發(fā)育，溝道密度約為3～5 km/km2，地面割裂度約25%～50%，溝谷常見覆蓋沙質(zhì)黃土、紅土，地形坡度一般大于15°，部分谷底見基巖裸露，地表大型植被少，煤礦地表遮擋較少。與傳統(tǒng)地表踏勘排查相比，無人機可快速進(jìn)行地表低空全覆蓋掃描航拍，依據(jù)高清影像地質(zhì)人員可快速識別、確定煤礦地表隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素的類型、分布范圍，判斷預(yù)測其危害程度，對解釋的不確定異常區(qū)可進(jìn)行逐項逐點現(xiàn)場踏勘排查，及時為煤礦防災(zāi)減災(zāi)提出建議措施，輔助煤礦安全生產(chǎn)。

2.1 地裂縫和塌陷識別

神北地區(qū)煤層一般埋深較淺，煤層厚度大且穩(wěn)定，煤礦開采時由于采空區(qū)上覆巖層受重力影響，地表普遍存在地裂縫和地面塌陷等地表地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重破壞了區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境[10]，包括地表建筑、道路、耕地等，破壞地下水影響地表植被[11]，神北地區(qū)煤礦自燃發(fā)火期較短，地裂縫往往成為漏風(fēng)通道，造成采空區(qū)隱蔽火災(zāi)[9，12]。地裂縫引起的地表破壞和地表植被破壞圖如圖2。

圖2 地裂縫引起的地表破壞和地表植被破壞圖Fig.2 Surface damage and vegetation damage caused by ground fissures

通過無人機視頻影像可直接觀察到煤礦開采引起的地裂縫和地面塌陷展布形式，確定可能對井下開采有影響的裂縫和塌陷具體位置。如圖2（a）神北某礦地勢低洼的匯水地段，煤礦傳統(tǒng)排查方式往往忽略此處，未發(fā)現(xiàn)其匯水危害，使用無人機后，地質(zhì)人員分析該處為雨季匯水區(qū)域，煤礦及時加密監(jiān)測裂縫發(fā)展?fàn)顩r，及時處理貫通性裂縫，防止了汛期匯水直接潰入井下采空區(qū)，減輕了采空區(qū)積水對相鄰回采工作面和對下層煤的回采影響；如圖2（b）某大采高煤礦地表裂縫在較為陡峭的邊坡發(fā)育，傳統(tǒng)踏勘排查無法靠近，很容易造成煤礦的忽視和發(fā)現(xiàn)時間延遲，但該處裂縫落差大、開啟程度大，與井下采空區(qū)聯(lián)通，空氣持續(xù)輸入，如未及時處理勢必造成采空區(qū)的自然發(fā)火。通過無人機快速捕捉到該煤礦隱蔽的地表大裂縫位置后，及時反饋煤礦，煤礦工作人員及時采取填埋、夯實、平整等處理措施，阻止繼續(xù)向采空區(qū)漏風(fēng)，預(yù)防了采空區(qū)的自然發(fā)火災(zāi)害；地質(zhì)人員通過無人機影像分析預(yù)測出一些開采裂縫、塌陷的發(fā)育趨勢，判斷其對附近的居民住宅、高壓電線桿、廟宇、墳地等可能的后續(xù)影響，及時與井下開采溝通，采取留足夠保護(hù)煤柱，避免了地表建筑的倒塌、誤傷人等一些可能危害；如圖2（c）研究區(qū)某礦傳統(tǒng)的地表排查時不易被發(fā)現(xiàn)，但是該礦區(qū)的無人機影像可較為直觀的看到裂縫和塌陷區(qū)的地表植被明顯的枯萎現(xiàn)象，分析塌陷區(qū)局部水土環(huán)境被破壞造成，情況反饋煤礦后，工作人員及時依據(jù)裂縫、塌陷發(fā)育的規(guī)律，采取了填埋、地表小范圍灌溉等方式及時開展了地表植被的補救工作。

2.2 地表水體識別

影響煤礦井下開采的地表水體一般包括河流、水庫、溝流、池塘、泉水等。無人機航拍地表人工池塘和河流圖如圖3。

圖3 無人機航拍地表人工池塘和河流圖Fig.3 Aerial photography of artificial ponds and rivers on the surface of drones

傳統(tǒng)的地表踏勘排查僅能查看煤礦地表水體的局部，但無法縱觀全區(qū)，通過煤礦充水性圖查看地表水體也存在不直觀，信息更新不及時等問題。但是通過查看無人機地質(zhì)人員可實時直觀的看出河流、水庫、池塘、溝流等地表水體總體趨勢。地表泉眼相對較隱蔽，可通過溝谷中的植物覆蓋率判斷，如圖3（a）溝谷中比圖3（b）周圍溝谷植物或者樹木覆蓋率大，則該溝谷有泉水補給，對可能有地表泉水的溝谷，結(jié)合地表踏勘可準(zhǔn)確獲得泉水涌出位置。根據(jù)拼接的無人機航拍全礦圖像，可較為方便快捷的協(xié)助煤礦工作人員分析地表含水體對井下開采的影響，及時預(yù)測雨季煤礦地表匯水趨勢，加強了匯水點井下相應(yīng)地區(qū)的涌水量觀測。如無人機影像中發(fā)現(xiàn)計劃回采或者正在回采工作面附近，存在圖3（c）、圖3（d）的河流、人為水庫或者大池塘，可及時與井下回采人員溝通，采取帷幕截水、提前停采、增加保護(hù)煤柱寬度等方法，消除井下突水隱患。

2.3 隱蔽火區(qū)及隱伏高溫區(qū)排查

神北礦區(qū)煤層自然傾向性等級均屬I 類容易自燃煤層，1～5 號煤層最短發(fā)火期均在30 d 左右，大部分煤礦1-2、2-2、5-2號煤層厚度大，采高大，露天開采淺埋厚煤層時，易造成煤層自然發(fā)火。無人機可見光+紅外光融合模式下的煤礦火區(qū)及隱伏高溫區(qū)圖如圖4。

圖4 無人機可見光+紅外光融合模式下的煤礦火區(qū)及隱伏高溫區(qū)圖Fig.4 Coal mine fire zone and hidden high temperature zone in UAV visible light+infrared light fusion mode

如圖4（a）某礦露天開采存在火區(qū)，局部采用黃土掩埋方式進(jìn)行滅火，預(yù)進(jìn)行滅火效果評價，如采用傳統(tǒng)排查方法，人員靠近該區(qū)域存在較大的安全隱患，也不能及時反饋滅火效果和火勢蔓延情況。本次采用無人機的可見光+紅外光融合模式很好的解決了煤礦困擾，利用可見光影像直接觀察露天煤層發(fā)火情況，依據(jù)紅外熱成像影像捕捉無人機視野范圍內(nèi)的地表最高溫度，及時獲取了黃土掩蓋處的地表溫度，通過無人機影像圈定了蔓延火區(qū)的位置、規(guī)模、燃燒程度等傳統(tǒng)地表踏勘不能獲得的信息，及時準(zhǔn)確的為煤礦確定了隱伏發(fā)火點的位置，幫助煤礦快速制定合理方案處理火區(qū)，防止火區(qū)進(jìn)一步蔓延，也減少了大氣污染和煤礦的經(jīng)濟(jì)損失。

神北礦區(qū)普遍存在房采采空區(qū)，由于當(dāng)時的采煤工藝導(dǎo)致原房采采空區(qū)遺留煤柱較多、巷道遺留煤塵較厚，如下部煤層開采引起的地裂縫導(dǎo)通地表和房采區(qū)，形成漏風(fēng)通道，如圖4（c）當(dāng)溫度和氧氣濃度達(dá)到條件時造成房采采空區(qū)的自然發(fā)火災(zāi)害，形成隱伏的地表高溫點；如圖4（b）為矸石堆處理堆積不當(dāng)而引起的矸石堆自然發(fā)火。傳統(tǒng)地表隱蔽災(zāi)害排查時由于受地形和設(shè)備限制，無法排查出這些隱蔽的火區(qū)，往往等到造成一定災(zāi)害時，才能被發(fā)現(xiàn)，如采用無人機可見光+紅外光融合模式可快速、準(zhǔn)確找到地表隱伏高溫點，協(xié)助煤礦及時處理隱伏高溫點或者隱伏火區(qū)，可有效防止采空區(qū)或矸石堆的火區(qū)蔓延，防止了隱蔽火區(qū)造成的地表塌陷、植被枯死、有毒有害氣體涌入井下等一系列的災(zāi)害，較大的減輕了煤礦損失。實踐表明，無人機熱紅外遙感煤火探測方法的精度可靠，技術(shù)可行[13]。

2.4 燒變巖識別

神北煤礦上部1～3 號煤層間距較小，燒變巖如果發(fā)育在煤層間距小的煤層間，如神北某煤礦上覆的1-2、2-1煤層燒變后，其底板為下層2-2煤的頂板，由于巖層燒變后整體疏松脆弱容易坍塌，因此可能造成井下局部冒頂，因此掌握煤礦燒變巖分布范圍較為重要。神北某煤礦原始燒變巖邊界由于溝谷地勢陡峭排查人員達(dá)不到溝底，因此導(dǎo)致燒變巖邊界劃分不對，而本次利用無人機航帶飛行模式進(jìn)行遙感航拍時，發(fā)現(xiàn)溝谷兩邊的燒變巖露頭，通過讀取拍攝點實時坐標(biāo)位置，輔助煤礦地質(zhì)人員圈定并修改了燒變巖范圍，依據(jù)匯水趨勢，結(jié)合地面塌陷情況，建議煤礦將4208 工作面原設(shè)計切眼附近200 m范圍化為禁采區(qū)，將切眼位置平移到安全開采位置。依據(jù)無人機影像結(jié)合現(xiàn)場踏勘數(shù)據(jù)和水文井?dāng)?shù)據(jù)，可推測分析上覆燒變巖富水情況，為煤礦井下計劃開采工作面預(yù)測涌水位置和涌水量提供依據(jù)。原始燒變巖邊界圖與無人機航拍輔助修改燒變巖邊界圖如圖5。

圖5 原始燒變巖邊界圖與無人機航拍輔助修改燒變巖邊界圖Fig.5 Original burnt rock boundary map and UAV aerial photography assisted modification of burnt rock boundary map

2.5 矸石山排查

煤礦排矸場矸石山堆積河流、溝谷中，會堵塞水流通道，如未及時清理、疏通，可能造成河流、溝流水位抬高，在暴雨季節(jié)可能裹挾矸石形成泥石流，同時大氣降水和溝谷水流長期滲慮會造成下游水和地下水污染。矸石山如采用傳統(tǒng)的人工測量，會存在矸石堆突然垮塌的危險，有些矸石山有隱蔽火區(qū)可能會造成人員燙傷和設(shè)備毀壞等問題。而通過無人機的高清遙感影像可較快速、便捷地獲得矸石山的堆積位置，依據(jù)前述的飛行高度與拍攝寬幅關(guān)系可推算出矸石山規(guī)模，并能及時發(fā)現(xiàn)堆積不合理處，與地面處理矸石人員溝通，還可通過無人機地表排查，較輕松地尋找合適的煤礦地表排矸場。無人機航拍矸石山堵塞河道圖如圖6。

圖6 無人機航拍矸石山堵塞河道圖片F(xiàn)ig.6 AV aerial photography of gangue hill blocking river map

2.6 其他隱蔽災(zāi)害排查

無人機航拍的地面盜洞和有滑坡可能的危險地質(zhì)體如圖7。采用傳統(tǒng)的地表排查可能無法全面排查清楚，而通過無人機可快速、全面的排查出地面私挖亂采的盜洞、小煤窯等可能成為漏風(fēng)、涌水通道的隱蔽致災(zāi)因素，如圖7（a）。有滑坡、泥石流等災(zāi)害危險的肉眼無法分辨的地質(zhì)體也可以從無人機影像上清楚的分析出，如圖7（b）神北某礦新的辦公樓局部建于坡度大于80°的燒變巖破碎山下，有落石和泥石流危險。

圖7 無人機航拍的地面盜洞和有滑坡可能的危險地質(zhì)體Fig.7 Ground stealing holes and dangerous geological bodies with landslide possibility by aerial photography of drones

3 結(jié) 語

1）通過無人機的可見光+紅外熱成像遙感技術(shù)，對陜北侏羅紀(jì)神北礦區(qū)部分煤礦地表進(jìn)行低空快速掃描，與目前煤礦傳統(tǒng)的地表踏勘排查方式相比，使用無人機可節(jié)省較大的人力、物力、財力，并且不受地表泥濘或地形變化影響，單次可快速、準(zhǔn)確、全面的排查出多種地表的隱蔽災(zāi)害，協(xié)助地質(zhì)人員確定煤礦地表隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素的類型、分布范圍及危險程度。

2）無人機可快速發(fā)現(xiàn)地表裂隙和塌陷，通過飛行高度與拍攝寬幅關(guān)系推算出地裂縫長度、寬度、落差、方位角等信息，分析其發(fā)展規(guī)律，判斷其對煤礦開采影響；可快速確定地表水體位置，分析河流、溝流、泉水等水體的地表匯水情況，幫助地質(zhì)人員分析預(yù)測地表水體對井下開采影響；無人機紅外熱成像鏡頭可以迅速捕捉地表高溫點，找到煤礦隱蔽火區(qū)和隱蔽高溫點，幫助煤礦工作人員及時預(yù)防和治理火災(zāi)。

3）無人機可觀測地表燒變巖的出露情況，幫助地質(zhì)人員推斷燒變巖展布，依據(jù)現(xiàn)場踏勘數(shù)據(jù)和水文井?dāng)?shù)據(jù)，推測燒變巖富水情況，在煤層間距較小的燒變區(qū)，可分析預(yù)測井下冒頂區(qū)域；可發(fā)現(xiàn)矸石山堆積不合理處，避免和減少矸石山造成的水、大氣等環(huán)境污染問題。

4）無人機影像可觀測出地面盜洞、可能造成滑坡和泥石流的災(zāi)害地質(zhì)體等其他地表隱蔽災(zāi)害。