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)前對爆破任務(wù)有工藝設(shè)計和安全檢測，作業(yè)后有詳細(xì)的安全檢測規(guī)范，但是作業(yè)后可能存在的拒爆、殘爆、頂板脫落等現(xiàn)象依然是對安全員構(gòu)成威脅的重大隱患[4]。同時，爆破后巷道的成形效果是否能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)很難通過人工檢測達(dá)到精準(zhǔn)的測量和評價。

掘進(jìn)爆破后安全員一般采用便攜檢測設(shè)備與裸眼經(jīng)驗判斷的傳統(tǒng)安全評價方式，常用的檢測設(shè)備有全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、鋼尺，將測量結(jié)果與設(shè)計圖紙進(jìn)行對照，以便評價爆破質(zhì)量[5-8]。上述評價方法存在著諸多問題：①爆破作業(yè)后局部粉塵過大，影響測量精度和測量安全；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)備難以滿足測量有毒有害氣體濃度等參數(shù)的需要；④傳統(tǒng)的目測方法難以精準(zhǔn)評價對出礦進(jìn)路頂板圍巖穩(wěn)定性的影響；⑤頂板離層儀定期檢測數(shù)據(jù)為非連續(xù)性測量，難以精準(zhǔn)和全面的表征巷道穩(wěn)定性。

隨著特種機器人技術(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)量評價問題的重要途徑，本文基于履帶式移動測量機器人提出一種用于評價掘進(jìn)工作面爆破質(zhì)量的方法。

1 移動測量機器人總體架構(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，利用全站儀等設(shè)備進(jìn)行爆破后巷道成形質(zhì)量的測量[9-12]。使用移動測量機器人目的在爆破作業(yè)后初期替代安全員的上述工作，移動測量機器人應(yīng)用場景如圖1所示，因此機器人應(yīng)具備在掘進(jìn)工作面自主行走的能力，同時加裝檢測有害氣體的傳感單元和測量巷道的掃描裝置。

圖1 移動測量機器人應(yīng)用場景

由于移動測量機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，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)。主要實現(xiàn)的功能包括以下方面：

1)機器人根據(jù)巡檢任務(wù)的要求，自主規(guī)劃行進(jìn)路徑，實時監(jiān)測工作面粉塵濃度、CO氣體濃度、SO2氣體濃度、O2氣體濃度、CO2氣體濃度。

2)機器人搭載的地質(zhì)雷達(dá)對回采進(jìn)路端部進(jìn)行掃描，辨識頂板圍巖穩(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)機器人對已施工巷道進(jìn)行三維激光掃描，完成井下巷道全景掃描后，將數(shù)據(jù)傳到管控平臺系統(tǒng)，相關(guān)工作人員對采集的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，生成井下巷道三維實體模型，利用該實體模型與設(shè)計施工圖進(jìn)行對比，完成巷道施工質(zhì)量驗收工作；同時對比多個時間段的實體模型變化情況，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，機器人運行過程中應(yīng)具備自動識別避讓系統(tǒng)。

根據(jù)移動測量機器人的功能定位，機器人應(yīng)由移動平臺和業(yè)務(wù)應(yīng)用兩個部分組成，其中業(yè)務(wù)應(yīng)用包括SLAM掃描、環(huán)境氣體檢測、地質(zhì)雷達(dá)檢測三方面內(nèi)容，檢測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾砥脚_進(jìn)行綜合處理和分析，在PC端/移動端提供質(zhì)量評價、三維可視化、輔助決策等方面的應(yīng)用，機器人總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 移動測量機器人總體架構(gòu)

2 移動測量機器人實現(xiàn)方案

2.1 移動平臺

移動平臺是機器人運動的載體。掘進(jìn)工作面形成初期，巷道地面平整度不高，輪式移動平臺難以滿足在巷道穩(wěn)定行走的要求，因此移動測量機器人選用履帶式移動平臺作為機器人的運動載體。移動平臺的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 移動平臺主要技術(shù)參數(shù)

2.2 SLAM掃描

即時定位與地圖構(gòu)建(SLAM)是機器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一[13-17]，相對于地面，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、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價中具有重要意義。

通過在移動平臺上搭載SLAM掃描裝置，利用SLAM裝置重量輕、體積小的特點，對井下巷道進(jìn)行全面的快速測量。獲取礦山地下三維空間數(shù)據(jù)，用于巷道質(zhì)量評價。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)便可實現(xiàn)對巷道的三維數(shù)據(jù)采集，在采集過程中設(shè)備內(nèi)部采用SLAM技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時自動拼接和處理，簡化處理流程。

1)點云配準(zhǔn)。每一組數(shù)據(jù)都是對巷道尺寸的精確描述，對于多組巷道數(shù)據(jù)，使用點云自動配準(zhǔn)的方法，對掃描的結(jié)果進(jìn)行抽稀、降噪、剪切、平剖等處理后，再將多次測量結(jié)果進(jìn)行拼接，將SLAM多個工程數(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掃描點云自動配準(zhǔn)

2)巷道空間體數(shù)字孿生。對巷道的點云進(jìn)行建模，可自動生成巷道模型，通過對巷道模型的拼接，形成井下巷道的模型更新和延伸趨勢，如圖4所示。將巷道內(nèi)布置重大設(shè)備模型及運行數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(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)提取及重點部位分析。對于重點部分，利用裁剪盒工具提取目標(biāo)所在位置。對多期的掘進(jìn)工作面巷道數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，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)的巷道測量，SLAM掃描具有以下特點：①減小安全員現(xiàn)場測量的工作強度，數(shù)據(jù)處理成圖的時間縮短；②掃描數(shù)據(jù)能清晰的反應(yīng)現(xiàn)場，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；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；⑤數(shù)據(jù)獲取速度快，機器人自主完成，自動構(gòu)圖，快速構(gòu)建三維模型。

2.3 環(huán)境氣體檢測

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]，通過機器人搭載環(huán)境氣體檢測裝置能夠有效避免人工檢測方式給安全員帶來的健康影響。

環(huán)境氣體檢測裝置的搭載載體為移動測量機器人，其電源供電、數(shù)據(jù)傳輸、位置更新均依賴于機器人，因此對檢測裝置功耗、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，各個傳感器插槽可任意組合，傳感器可現(xiàn)場任意互換，增強檢測的靈活性，機器人搭載的環(huán)境氣體檢測裝置應(yīng)滿足的技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 環(huán)境氣體檢測主要技術(shù)指標(biāo)

2.4 地質(zhì)雷達(dá)檢測

地質(zhì)雷達(dá)是一種利用高頻電磁波技術(shù)探測地下結(jié)構(gòu)體的方法，能夠根據(jù)現(xiàn)場探測顯示異常區(qū)域，增強對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解和數(shù)據(jù)掌握。地質(zhì)雷達(dá)檢測測試數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 地質(zhì)雷達(dá)檢測測試數(shù)據(jù)

地質(zhì)雷達(dá)采用現(xiàn)場成像的方式，能夠?qū)ο锏纼?nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場分析，探測深度可以達(dá)到6～8m，基本能夠滿足掘進(jìn)工作面爆破后初期對巷道質(zhì)量和危險源的評價。地質(zhì)雷達(dá)探測裝置重量一般為4～5kg，在巷道檢測過程中以機器人為載體，以移動平臺基坐標(biāo)為參考坐標(biāo)系，將探頭位置及探測位置數(shù)據(jù)與移動平臺位置信息相結(jié)合，增強對危險源的評價和定位。

2.5 移動測量機器人總體構(gòu)成

綜合考慮掘進(jìn)工作面爆破作業(yè)后的工況環(huán)境、評價需求、數(shù)據(jù)處理、綜合分析等方面因素，移動測量機器人基于移動平臺進(jìn)行設(shè)計，平臺上方搭載SLAM掃描單元、環(huán)境氣體檢測傳感單元以及地質(zhì)雷達(dá)檢測單元，總體構(gòu)成如圖6所示。

圖6 移動測量機器人總體構(gòu)成

3 巷道質(zhì)量評價

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)部垂直測量數(shù)據(jù)，通過以上一系列掃描，可在現(xiàn)場快速確定巖體內(nèi)部異?？臻g區(qū)域的測量數(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，對巷道內(nèi)部巖體的異常結(jié)構(gòu)進(jìn)行判別，進(jìn)而實現(xiàn)對巷道爆破質(zhì)量的評價。

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，通過移動測量機器人實現(xiàn)爆破質(zhì)量評價的方式能夠?qū)ο锏莱尚吻闆r和地質(zhì)情況進(jìn)行分析和評價。山西某煤礦的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表明，機器人能夠滿足該階段巷道質(zhì)量的評價需求。

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