无人机在煤矿地表隐蔽灾害排查中的应用

吴敏杰

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710054）

为了保证煤矿安全生产，煤矿企业必须定期开展地表的隐蔽灾害巡查工作。目前，大多数煤矿依旧采用传统的煤矿工作人员地表踏勘巡查方式，进行地表隐蔽致灾地质因素排查，传统排查方法存在成本高、人力耗费大、周期长、不能全区覆盖、排查区域受地形影响、可能给巡逻人员造成人身安全隐患等问题，使得排查结果不能及时有效的指导煤矿井下安全生产，是煤矿企业急需解决和改善的问题之一。

目前，虽然卫星遥感技术已很成熟，但由于研究区大多数煤矿矿权范围不大，如采用卫星遥感技术则存在耗资大、周期长获取不及时、图像分辨率不足等问题，而无人机搭载专业摄像头后，其低空遥感技术可实现在小范围、踏勘困难区域可快速获取高分辨率影像，具有成本低、机动性强、数据采集灵活、时效性强等优势[1]。据Roosevelt[2]在土耳其西部的区域地形测量实践表明，无人机低空遥感测量效率远远高出传统人工测量的1 个数量级，数据密度至少高出2 个数量级。无人机遥感技术在煤矿行业具备广阔应用前景，将在智慧矿山建设承担重要任务。目前我国学者对无人机在煤矿地面沉陷监测、矿山环境测量、矿山边坡岩体结构编录、大范围自然地质灾害等有一些研究成果[3-8]，但是无人机在地表隐蔽致灾排查中应用鲜见报道，无人机遥感技术当前在煤矿行业应用并不多见，为此，以陕北侏罗纪煤田神北矿区浅埋煤层生产煤矿为例，采用无人机的可见光+红外热成像低空遥感技术，进行煤矿地表隐蔽灾害的快速扫面排查。

1 无人机简介与操作

1.1 Mavic 2 大疆无人机简介

本次地表排查采用Mavic 2 大疆无人机，其配备先进的多方位视觉系统及红外传感系统，可在室内外稳定悬停、飞行，具备自动返航、障碍物感知以及辅助飞行功能。使用1/2.3 inch CMOS 图像传感器，可稳定拍摄4K 超高清视频与1 200 万像素照片，搭载FLIR 长波红外非制冷热成像相机机芯与可见光相机，可同时拍摄热成像与可见光影像，并支持两者融合显示。遥控器采用OCUSYNCTM 2.0高清图传技术，在无干扰无遮挡环境，控制范围达10 km，可通过DJI Pilot App 在移动设备实时显示高清画面。最长工作时间约为135 min，最大飞行速度为72 km/h，单次最长飞行时间约31 min。

与传统的煤矿工作人员地表巡查相比，搭载FLIR 长波红外热成像相机机芯与可见光相机的无人机航拍技术具有明显的优势：①具有较高的排查效率：以地表较为简单的榆神矿区为例，面积大约5 km2的煤矿，需安排至少2 人进行日常巡山工作，地表隐蔽灾害每个点巡查到位，至少需要紧密工作2 d 时间，而无人机仅2 h 航拍+3 h 室内视频回放，便可实现对煤矿地表的快速巡查，效率较高；②具有更低的成本：在地表巡查中只需要配置无人机和1名操作人员，便可替代多名工作人员的日常巡山工作；③具有较高的安全性：避免了巡查人员直接进入潜在的危险区域，如地面的突发性塌陷、突然的山体滑坡、沟谷处突然的落石、路面泥泞造成的车辆倾倒等偶然性危险，降低了作业人员实地测量的危险性；④具有综合探查能力：可见光+红外热成像技术可一次性完成煤矿地表各种灾害和隐伏的高温异常灾害的探查工作；⑤可做到矿区全矿区覆盖排查：较传统工作人员点式的踏勘测量覆盖范围广；⑥无人机影像技术可进行多模式拍摄：煤矿地表日常排查可选择建图航拍进行扫面航拍，裂缝和塌陷的连续观测可进行航点飞行模式，河流、沟谷、断层等可选择连贯地航带式飞行进行追踪拍摄，较多飞行模式可以让工作人员更好的掌握和了解地表灾害的发生、发展情况[9]；⑦操作简单：只需要进行简单的培训，就能让工作人员了解无人机的操作技巧。

1.2 无人机的巡航设置

依据煤矿现场排查经验，煤矿矿权范围坐标点均为平面坐标，因此需先将矿权坐标点转换为大地坐标，并将坐标整理成通用格式：“点编号—Y（经度）—X（纬度）（*.txt）”。

以奥维互动地图（ovital）为例，系统→导入对象→将整理好的txt 文件导入，右击添加轨迹后导出对象，导出文件格式选择kml，复制该kml 文件中的点位信息后，建立原始kml 文件，将复制的点信息，粘贴到飞行kml 文件中，将煤矿名称改为本次预飞行煤矿，无人机飞行文件制作完成。

无人机App 建图模式和航带飞行模式如图1。打开手机中大疆无人机“DJI Piolt”App，找到飞行kml 文件，选择航线飞行→KML 导入→煤矿范围内扫面飞行选择建图航拍模式，断层或、沟谷、河流等选择航带飞行模式→加载kml 文件→App 中进行飞控参数设置：飞行高度依据周围环境设置一般在煤矿较高点起飞，飞行高度设置100 m 左右；飞行方位设置与煤矿工作面布置方位一致，这样可以很直观的观察地下开采与地表裂缝形态发育关系；影像重叠率设置依据需求定，一般≥10%；手持机视图选择可见光和红外光融合模式进行→启动无人机→手机连接到无人机遥控器→开始执行飞行命令。

图1 无人机App 建图模式和航带飞行模式Fig.1 UAV App mapping mode and flight mode

2 无人机煤矿快速排查应用

神北矿区处于毛乌素沙地向黄土高原丘陵沟壑区的过渡地带，区内地貌以黄土丘陵为主，伴有土石山地、壕地、坝地及风沙地貌，冲沟较发育，沟道密度约为3～5 km/km2，地面割裂度约25%～50%，沟谷常见覆盖沙质黄土、红土，地形坡度一般大于15°，部分谷底见基岩裸露，地表大型植被少，煤矿地表遮挡较少。与传统地表踏勘排查相比，无人机可快速进行地表低空全覆盖扫描航拍，依据高清影像地质人员可快速识别、确定煤矿地表隐蔽致灾地质因素的类型、分布范围，判断预测其危害程度，对解释的不确定异常区可进行逐项逐点现场踏勘排查，及时为煤矿防灾减灾提出建议措施，辅助煤矿安全生产。

2.1 地裂缝和塌陷识别

神北地区煤层一般埋深较浅，煤层厚度大且稳定，煤矿开采时由于采空区上覆岩层受重力影响，地表普遍存在地裂缝和地面塌陷等地表地质灾害，严重破坏了区内地质环境[10]，包括地表建筑、道路、耕地等，破坏地下水影响地表植被[11]，神北地区煤矿自燃发火期较短，地裂缝往往成为漏风通道，造成采空区隐蔽火灾[9，12]。地裂缝引起的地表破坏和地表植被破坏图如图2。

图2 地裂缝引起的地表破坏和地表植被破坏图Fig.2 Surface damage and vegetation damage caused by ground fissures

通过无人机视频影像可直接观察到煤矿开采引起的地裂缝和地面塌陷展布形式，确定可能对井下开采有影响的裂缝和塌陷具体位置。如图2（a）神北某矿地势低洼的汇水地段，煤矿传统排查方式往往忽略此处，未发现其汇水危害，使用无人机后，地质人员分析该处为雨季汇水区域，煤矿及时加密监测裂缝发展状况，及时处理贯通性裂缝，防止了汛期汇水直接溃入井下采空区，减轻了采空区积水对相邻回采工作面和对下层煤的回采影响；如图2（b）某大采高煤矿地表裂缝在较为陡峭的边坡发育，传统踏勘排查无法靠近，很容易造成煤矿的忽视和发现时间延迟，但该处裂缝落差大、开启程度大，与井下采空区联通，空气持续输入，如未及时处理势必造成采空区的自然发火。通过无人机快速捕捉到该煤矿隐蔽的地表大裂缝位置后，及时反馈煤矿，煤矿工作人员及时采取填埋、夯实、平整等处理措施，阻止继续向采空区漏风，预防了采空区的自然发火灾害；地质人员通过无人机影像分析预测出一些开采裂缝、塌陷的发育趋势，判断其对附近的居民住宅、高压电线杆、庙宇、坟地等可能的后续影响，及时与井下开采沟通，采取留足够保护煤柱，避免了地表建筑的倒塌、误伤人等一些可能危害；如图2（c）研究区某矿传统的地表排查时不易被发现，但是该矿区的无人机影像可较为直观的看到裂缝和塌陷区的地表植被明显的枯萎现象，分析塌陷区局部水土环境被破坏造成，情况反馈煤矿后，工作人员及时依据裂缝、塌陷发育的规律，采取了填埋、地表小范围灌溉等方式及时开展了地表植被的补救工作。

2.2 地表水体识别

影响煤矿井下开采的地表水体一般包括河流、水库、沟流、池塘、泉水等。无人机航拍地表人工池塘和河流图如图3。

图3 无人机航拍地表人工池塘和河流图Fig.3 Aerial photography of artificial ponds and rivers on the surface of drones

传统的地表踏勘排查仅能查看煤矿地表水体的局部，但无法纵观全区，通过煤矿充水性图查看地表水体也存在不直观，信息更新不及时等问题。但是通过查看无人机地质人员可实时直观的看出河流、水库、池塘、沟流等地表水体总体趋势。地表泉眼相对较隐蔽，可通过沟谷中的植物覆盖率判断，如图3（a）沟谷中比图3（b）周围沟谷植物或者树木覆盖率大，则该沟谷有泉水补给，对可能有地表泉水的沟谷，结合地表踏勘可准确获得泉水涌出位置。根据拼接的无人机航拍全矿图像，可较为方便快捷的协助煤矿工作人员分析地表含水体对井下开采的影响，及时预测雨季煤矿地表汇水趋势，加强了汇水点井下相应地区的涌水量观测。如无人机影像中发现计划回采或者正在回采工作面附近，存在图3（c）、图3（d）的河流、人为水库或者大池塘，可及时与井下回采人员沟通，采取帷幕截水、提前停采、增加保护煤柱宽度等方法，消除井下突水隐患。

2.3 隐蔽火区及隐伏高温区排查

神北矿区煤层自然倾向性等级均属I 类容易自燃煤层，1～5 号煤层最短发火期均在30 d 左右，大部分煤矿1-2、2-2、5-2号煤层厚度大，采高大，露天开采浅埋厚煤层时，易造成煤层自然发火。无人机可见光+红外光融合模式下的煤矿火区及隐伏高温区图如图4。

图4 无人机可见光+红外光融合模式下的煤矿火区及隐伏高温区图Fig.4 Coal mine fire zone and hidden high temperature zone in UAV visible light+infrared light fusion mode

如图4（a）某矿露天开采存在火区，局部采用黄土掩埋方式进行灭火，预进行灭火效果评价，如采用传统排查方法，人员靠近该区域存在较大的安全隐患，也不能及时反馈灭火效果和火势蔓延情况。本次采用无人机的可见光+红外光融合模式很好的解决了煤矿困扰，利用可见光影像直接观察露天煤层发火情况，依据红外热成像影像捕捉无人机视野范围内的地表最高温度，及时获取了黄土掩盖处的地表温度，通过无人机影像圈定了蔓延火区的位置、规模、燃烧程度等传统地表踏勘不能获得的信息，及时准确的为煤矿确定了隐伏发火点的位置，帮助煤矿快速制定合理方案处理火区，防止火区进一步蔓延，也减少了大气污染和煤矿的经济损失。

神北矿区普遍存在房采采空区，由于当时的采煤工艺导致原房采采空区遗留煤柱较多、巷道遗留煤尘较厚，如下部煤层开采引起的地裂缝导通地表和房采区，形成漏风通道，如图4（c）当温度和氧气浓度达到条件时造成房采采空区的自然发火灾害，形成隐伏的地表高温点；如图4（b）为矸石堆处理堆积不当而引起的矸石堆自然发火。传统地表隐蔽灾害排查时由于受地形和设备限制，无法排查出这些隐蔽的火区，往往等到造成一定灾害时，才能被发现，如采用无人机可见光+红外光融合模式可快速、准确找到地表隐伏高温点，协助煤矿及时处理隐伏高温点或者隐伏火区，可有效防止采空区或矸石堆的火区蔓延，防止了隐蔽火区造成的地表塌陷、植被枯死、有毒有害气体涌入井下等一系列的灾害，较大的减轻了煤矿损失。实践表明，无人机热红外遥感煤火探测方法的精度可靠，技术可行[13]。

2.4 烧变岩识别

神北煤矿上部1～3 号煤层间距较小，烧变岩如果发育在煤层间距小的煤层间，如神北某煤矿上覆的1-2、2-1煤层烧变后，其底板为下层2-2煤的顶板，由于岩层烧变后整体疏松脆弱容易坍塌，因此可能造成井下局部冒顶，因此掌握煤矿烧变岩分布范围较为重要。神北某煤矿原始烧变岩边界由于沟谷地势陡峭排查人员达不到沟底，因此导致烧变岩边界划分不对，而本次利用无人机航带飞行模式进行遥感航拍时，发现沟谷两边的烧变岩露头，通过读取拍摄点实时坐标位置，辅助煤矿地质人员圈定并修改了烧变岩范围，依据汇水趋势，结合地面塌陷情况，建议煤矿将4208 工作面原设计切眼附近200 m范围化为禁采区，将切眼位置平移到安全开采位置。依据无人机影像结合现场踏勘数据和水文井数据，可推测分析上覆烧变岩富水情况，为煤矿井下计划开采工作面预测涌水位置和涌水量提供依据。原始烧变岩边界图与无人机航拍辅助修改烧变岩边界图如图5。

图5 原始烧变岩边界图与无人机航拍辅助修改烧变岩边界图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

煤矿排矸场矸石山堆积河流、沟谷中，会堵塞水流通道，如未及时清理、疏通，可能造成河流、沟流水位抬高，在暴雨季节可能裹挟矸石形成泥石流，同时大气降水和沟谷水流长期渗虑会造成下游水和地下水污染。矸石山如采用传统的人工测量，会存在矸石堆突然垮塌的危险，有些矸石山有隐蔽火区可能会造成人员烫伤和设备毁坏等问题。而通过无人机的高清遥感影像可较快速、便捷地获得矸石山的堆积位置，依据前述的飞行高度与拍摄宽幅关系可推算出矸石山规模，并能及时发现堆积不合理处，与地面处理矸石人员沟通，还可通过无人机地表排查，较轻松地寻找合适的煤矿地表排矸场。无人机航拍矸石山堵塞河道图如图6。

图6 无人机航拍矸石山堵塞河道图片Fig.6 AV aerial photography of gangue hill blocking river map

2.6 其他隐蔽灾害排查

无人机航拍的地面盗洞和有滑坡可能的危险地质体如图7。采用传统的地表排查可能无法全面排查清楚，而通过无人机可快速、全面的排查出地面私挖乱采的盗洞、小煤窑等可能成为漏风、涌水通道的隐蔽致灾因素，如图7（a）。有滑坡、泥石流等灾害危险的肉眼无法分辨的地质体也可以从无人机影像上清楚的分析出，如图7（b）神北某矿新的办公楼局部建于坡度大于80°的烧变岩破碎山下，有落石和泥石流危险。

图7 无人机航拍的地面盗洞和有滑坡可能的危险地质体Fig.7 Ground stealing holes and dangerous geological bodies with landslide possibility by aerial photography of drones

3 结 语

1）通过无人机的可见光+红外热成像遥感技术，对陕北侏罗纪神北矿区部分煤矿地表进行低空快速扫描，与目前煤矿传统的地表踏勘排查方式相比，使用无人机可节省较大的人力、物力、财力，并且不受地表泥泞或地形变化影响，单次可快速、准确、全面的排查出多种地表的隐蔽灾害，协助地质人员确定煤矿地表隐蔽致灾地质因素的类型、分布范围及危险程度。

2）无人机可快速发现地表裂隙和塌陷，通过飞行高度与拍摄宽幅关系推算出地裂缝长度、宽度、落差、方位角等信息，分析其发展规律，判断其对煤矿开采影响；可快速确定地表水体位置，分析河流、沟流、泉水等水体的地表汇水情况，帮助地质人员分析预测地表水体对井下开采影响；无人机红外热成像镜头可以迅速捕捉地表高温点，找到煤矿隐蔽火区和隐蔽高温点，帮助煤矿工作人员及时预防和治理火灾。

3）无人机可观测地表烧变岩的出露情况，帮助地质人员推断烧变岩展布，依据现场踏勘数据和水文井数据，推测烧变岩富水情况，在煤层间距较小的烧变区，可分析预测井下冒顶区域；可发现矸石山堆积不合理处，避免和减少矸石山造成的水、大气等环境污染问题。

4）无人机影像可观测出地面盗洞、可能造成滑坡和泥石流的灾害地质体等其他地表隐蔽灾害。