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(fèi)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(shí)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(shí)、圖像分辨率不足等問題，而無人機(jī)搭載專業(yè)攝像頭后，其低空遙感技術(shù)可實(shí)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(jī)動性強(qiáng)、數(shù)據(jù)采集靈活、時(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)勢[1]。據(jù)Roosevelt[2]在土耳其西部的區(qū)域地形測量實(shí)踐表明，無人機(jī)低空遙感測量效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出傳統(tǒng)人工測量的1 個(gè)數(shù)量級，數(shù)據(jù)密度至少高出2 個(gè)數(shù)量級。無人機(jī)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(jī)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(jī)在地表隱蔽致災(zāi)排查中應(yīng)用鮮見報(bào)道，無人機(jī)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(jī)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(jī)簡介與操作

1.1 Mavic 2 大疆無人機(jī)簡介

本次地表排查采用Mavic 2 大疆無人機(jī)，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(jī)機(jī)芯與可見光相機(jī)，可同時(shí)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(shí)時(shí)顯示高清畫面。最長工作時(shí)間約為135 min，最大飛行速度為72 km/h，單次最長飛行時(shí)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(jī)機(jī)芯與可見光相機(jī)的無人機(jī)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(gè)點(diǎn)巡查到位，至少需要緊密工作2 d 時(shí)間，而無人機(jī)僅2 h 航拍+3 h 室內(nèi)視頻回放，便可實(shí)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(jī)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(xiǎn)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(xiǎn)，降低了作業(yè)人員實(shí)地測量的危險(xiǎn)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(diǎn)式的踏勘測量覆蓋范圍廣；⑥無人機(jī)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(diǎn)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(jī)的操作技巧。

1.2 無人機(jī)的巡航設(shè)置

依據(jù)煤礦現(xiàn)場排查經(jīng)驗(yàn)，煤礦礦權(quán)范圍坐標(biāo)點(diǎn)均為平面坐標(biāo)，因此需先將礦權(quán)坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)，并將坐標(biāo)整理成通用格式：“點(diǎn)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(diǎn)位信息后，建立原始kml 文件，將復(fù)制的點(diǎn)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(jī)飛行文件制作完成。

無人機(jī)App 建圖模式和航帶飛行模式如圖1。打開手機(jī)中大疆無人機(jī)“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(diǎn)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(jī)視圖選擇可見光和紅外光融合模式進(jìn)行→啟動無人機(jī)→手機(jī)連接到無人機(jī)遙控器→開始執(zhí)行飛行命令。

圖1 無人機(jī)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(jī)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(jī)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(xiàng)逐點(diǎn)現(xiàn)場踏勘排查，及時(shí)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(shí)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(jī)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(jī)后，地質(zhì)人員分析該處為雨季匯水區(qū)域，煤礦及時(shí)加密監(jiān)測裂縫發(fā)展?fàn)顩r，及時(shí)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(shí)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(shí)處理勢必造成采空區(qū)的自然發(fā)火。通過無人機(jī)快速捕捉到該煤礦隱蔽的地表大裂縫位置后，及時(shí)反饋煤礦，煤礦工作人員及時(shí)采取填埋、夯實(shí)、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(jī)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(shí)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(shí)不易被發(fā)現(xiàn)，但是該礦區(qū)的無人機(jī)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(shí)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(shí)開展了地表植被的補(bǔ)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(jī)航拍地表人工池塘和河流圖如圖3。

圖3 無人機(jī)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(shí)等問題。但是通過查看無人機(jī)地質(zhì)人員可實(shí)時(shí)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(bǔ)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(jī)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(shí)預(yù)測雨季煤礦地表匯水趨勢，加強(qiáng)了匯水點(diǎn)井下相應(yīng)地區(qū)的涌水量觀測。如無人機(jī)影像中發(fā)現(xiàn)計(jì)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(shí)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(shí)，易造成煤層自然發(fā)火。無人機(jī)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(jī)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(jià)，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(shí)反饋滅火效果和火勢蔓延情況。本次采用無人機(jī)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(jī)視野范圍內(nèi)的地表最高溫度，及時(shí)獲取了黃土掩蓋處的地表溫度，通過無人機(jī)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(shí)準(zhǔn)確的為煤礦確定了隱伏發(fā)火點(diǎn)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(shí)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(shí)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(diǎn)；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(shí)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(shí)，才能被發(fā)現(xiàn)，如采用無人機(jī)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(diǎn)，協(xié)助煤礦及時(shí)處理隱伏高溫點(diǎn)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(shí)踐表明，無人機(jī)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(jī)航帶飛行模式進(jìn)行遙感航拍時(shí)，發(fā)現(xiàn)溝谷兩邊的燒變巖露頭，通過讀取拍攝點(diǎn)實(shí)時(shí)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(jì)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(jī)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(jì)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(jī)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(jī)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(shí)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(shí)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(xiǎn)，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(jī)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(shí)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(jī)地表排查，較輕松地尋找合適的煤礦地表排矸場。無人機(jī)航拍矸石山堵塞河道圖如圖6。

圖6 無人機(jī)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(jī)航拍的地面盜洞和有滑坡可能的危險(xiǎn)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(jī)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(xiǎn)的肉眼無法分辨的地質(zhì)體也可以從無人機(jī)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(xiǎn)。

圖7 無人機(jī)航拍的地面盜洞和有滑坡可能的危險(xiǎn)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(jī)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(jī)可節(jié)省較大的人力、物力、財(cái)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(xiǎn)程度。

2）無人機(jī)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(jī)紅外熱成像鏡頭可以迅速捕捉地表高溫點(diǎn)，找到煤礦隱蔽火區(qū)和隱蔽高溫點(diǎn)，幫助煤礦工作人員及時(shí)預(yù)防和治理火災(zāi)。

3）無人機(jī)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(jī)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。