无人机技术在煤矿岩移监测中的应用

吴海文

(国能神东煤炭集团有限责任公司布尔台煤矿，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017209)

煤炭资源是我国重要的能源矿产资源，为我国经济和社会的快速发展提供了重要的支撑力。然而，随着煤炭资源的不断开采，煤矿地下逐渐形成了采空区，当采空区的面积不断增加则可能会引发一系列的地质灾害[1]。在地面上常常表现为地面沉降、裂缝、滑坡、泥石流等灾害，造成严重经济损失的同时还会进一步破坏生态平衡[2]。在矿体没有开采之前，岩体处于平衡状态；当矿体开采后，形成的地下空间会破坏岩体原来的应力结构，引发岩体应力的重新分布，并一直延续到岩体内部形成新的平衡为止[3]。在应力重新分布过程中，会使围岩产生变形、移动、破坏，从而对工作面、巷道以及围岩产生压力(即矿压)，矿压是由开采过程而引起的岩移运动对支架围岩所产生的作用力[4]。因此及时监测岩移的情况，对矿压进行实时监控，对于煤炭的安全生产具有重大意义。

传统的岩移观测是通过建立岩移工作站实现的，这种方式无论是在数据采集效率还是岩移监测的便捷性、实时性上都难以满足现在大数据监测分析的需求[5]。自无人机技术从军用领域进入民用领域以来，其发展十分迅猛，应用也已十分广泛。无人机在航拍、农业、快递运输、灾难救援、航空测绘、新闻报道、电力巡检、抢险救灾、影视拍摄等多个领域发挥着重要的作用[6]。基于无人机技术的快速发展以及无人机测量精度的大幅提高，利用无人机技术来监测煤矿岩移活动可以帮助实现智能监测平台的建立，进一步实现综合监测数据的采集、大数据分析以及人工智能安全预警等作用，对于煤矿工作的实时监测和安全生产具有重要意义[7]。

针对无人机技术在布尔台煤矿岩移监测中的应用，利用无人机航测技术采集分析煤矿工作面岩移数据，可以实现高效便捷的岩移监测，为人工智能分析、矿压实时监测、智能云监测平台提供大量的数据支持，帮助智能监测平台的建立。

1 无人机岩移监测系统概述

1.1 无人机航测技术原理

无人机航测技术的原理主要是通过无人机低空拍摄扫描获取高清晰的影像数据生成三维点阵与模型，实现地理信息的快速获取[8]。无人机监测数据通过处理可以得到带有精确坐标的三维模型，模型数据导入数据采集软件进行需求测绘，而后使用相应软件可采集到模型内任意所需求的坐标数据[9]。

1.2 无人机岩移监测系统

无人机岩移监测系统主要包括硬件和软件，主要由无人机飞行器、飞行与导航控制系统、地面监控系统、高分辨率CCD相机与相关机载传感器系统等部件组成。另外，岩移监测系统还需要完整的软件平台配合支持，主要包括数据传输系统、数据采集处理系统以及数据应用分析系统等。相对于传统的卫星遥感系统，无人机岩移监测不需要配置专用的数字化处理设备，成本远远低于其他遥感系统，其还具备无需专用起降场地、可低空多角度获取数据等特点以弥补航空遥感阴云和建筑遮挡的问题[10]，另外可根据实际监测面积和数据采集距离选用对应的飞行器，方便灵活。但同时无人机监测同样有着相幅小、基高比低、飞行姿态不稳定、像点位移等缺点，因此在同样重叠度的情况下，需要更多的控制点[11]。

本文采用的无人机属于固定翼垂直起降无人机，具有大航程、大载重的优势，同时兼具良好的起降性能。由于其具有飞行距离长、活动半径大的优势，垂直起降固定翼无人机常应用于交通监管、油田管道巡检、大面积测绘、森林巡检等领域[12]。固定翼垂直起降无人机如图1所示。

图1 固定翼垂直起降无人机

2 无人机岩移监测实例

布尔台煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗，神东矿区北部。利用无人机技术对布尔台煤矿某区域的工作面岩移情况进行监测分析，观测区域内的平均岩层厚度约为440 m，松散层厚度约为30 m，平均煤层厚度约为6.1 m，实际平均采高为6.1 m，开切眼处煤层的倾角为1°，倾向线处煤层的倾角则为1°48′，岩移监测区域煤层总体为近水平煤层。工作面岩层与松散层厚度等值线如图2所示。

图2 工作面岩层与松散层厚度等值线

2.1 无人机监测线布设方案

观测线按照设计书中的要求进行布设，走向线开切眼外边线长度为340 m，内边线长度为520 m，共44个观测点，点号以K开头；倾向线上山段及下山段各500 m，共51个观测点，点号以L开头，倾向线与走向线相交于距开切眼480 m的位置(H0为平均采深295 m，在图3中工作面覆盖层厚度等值线从260～350 m，取平均值295 m)，观测桩间距为20 m。观测线外侧共布设有3组共6个控制点，每组间距50 m。观测线布置示意如图3所示。

图3 观测线布置示意

2.2 无人机岩移监测方案

应用无人机航测技术监测岩移可以大大减少野外的工作量和工作难度。无人机航测只需要配备1～2人即可完成飞行采集工作，航测任务结束后利用计算机对数据进行后续的数据处理工作。相对于传统岩移数据的采集，无人机岩移监测可大大提高数据采集工作效率[13]。无人机由于其低空飞行的特点，搭载相机系统可以获取厘米级分辨率的数据，满足后期高精度成像需求[14]。本次无人机监测煤矿岩移的主要工作流程如图4所示。

图4 无人机岩移监测工作流程

选取适宜的天气在布尔台煤矿某区域执行无人机航测任务，在飞行作业前需要提前做好航线规划，基于观测线布置点位，结合前期规划的航线选择合适的起降点并对整个航摄区域进行划分。保证各个飞行区块之间能够做到无缝衔接，避免出现漏飞、重飞等情况，提高飞行工作效率。

在到达实际起降点后控制无人机起飞，在飞行的过程中可通过无人机控制系统实时对无人机的飞行航线以及无人机相机系统的拍摄画面进行实时调整，完成整个影像数据的采集工作。无人机岩移监测飞行航线如图5所示。无人机岩移监测影像如图6所示。

图5 无人机岩移监测飞行航线

图6 无人机岩移监测影像

完成岩移数据的采集工作之后，需要利用计算机软件进一步对采集到的数据进行处理，通过建模仿真建立三维空间模型，从而获得完整清晰的地面岩移数据。另外，需要注意的是，由于无人机采集到的数据其精度可以达到厘米级分辨率，因此仿真的数据量较大。整个数据的处理过程以及三维空间模型的搭建需要较大的算力支持，对于计算机的性能有一定的要求。经过三维模型仿真计算后输出的岩移采集区域的鸟瞰以及局部如图7所示。

图7 三维模型仿真计算后输出的岩移采集区域的鸟瞰以及局部

三维空间模型建立的完成，预示着整个岩移监测区域的数据已经全部采集完成，后期的工作就是基于采集到的数据对岩移数据进行分析。采煤工作面的矿压显现规律与开采后上覆岩层移动规律直接相关，因此工作面岩移监测对于实时矿压监测，矿压诊断意义重大。无人机岩移监测可大大提高岩移数据采集的效率，进一步提高采集数据的实时性，为煤矿安全生产奠定基石，满足智能监测平台大数据监测分析的要求。

3 岩移监测结果分析

3.1 地表移动变形计算以及变形曲线绘制

在无人机航拍对地表点桩的实测数据整理和校核的基础上，依据《煤矿测量规程》中的相应公式分别计算了走向线和倾向线在不同观测时段，即测点和测点间的移动变形，即各测点的下沉和水平移动，相邻两测点间的倾斜和水平变形。各测点下沉值计算结果见表1，走向线下沉曲线如图8所示，倾向线下沉曲线如转图9所示。

图8 走向线下沉曲线

图9 倾向线下沉曲线

表1 测点下沉值计算结果 m

3.2 变形曲线分析

根据图8和图9下沉曲线特点可知，目前施工工作面走向线下沉盆地存在明显的底部，可以判断在2020年12月16日，监测区域已接近充分采动，而后随着工作面的不断推进，观测线各观测点的下沉量都没有太大变化，曲线整体形态保持不变；倾向线下沉曲线呈底部平缓的非对称碗型，底部平缓是充分采动的主要特征，倾向线下沉曲线上山部分与下山方向相比坡度小，影响范围更大是由于上山方向为邻近的采空区，工作面采动后，受其影响的邻近工作面采空区基岩力学平衡被打破，并发生了活化，因此靠近工作面一侧的采空区地表继续下沉数公分至十数公分不等。

工作面地表下沉曲线为标准形态，整体趋势相对平缓，采空区边界距盆底边缘距离较大，坡度较小，这是采深塌陷盆地的典型特征之一。K42点为走向线最大下沉点，距开切眼480 m，总下沉量2.208 m(采高约3.6 m)，盆底次低位下沉点为K41。倾向线距开切眼480 m，交点为K42/L26，下沉曲线总体呈碗型，有一个明显的底部，是充分采动的典型特征，由于工作面不是该盘区首采工作面，上山方向毗邻工作面于2019年回采，受采动叠加影响使得邻近采空区活化，因此倾向线下沉盆地呈不对称形态，上山方向坡度明显小于下山方向，因为是充分采动，所以最大下沉点L26仍处于工作面中心位置，其总下沉量2.208 m(采高约3.6 m)。倾斜变形曲线如图10所示，曲率曲线如图11所示，水平变形曲线如图12所示。

图10 倾斜变形曲线

图11 曲率曲线

图12 水平变形曲线

(1)倾斜曲线表示地表移动盆地内倾斜的变化规律，是移动盆地内相邻两观测点的下沉高差与两点间长度之比。i越大表明对应的下沉曲线坡度越陡，由图10可以看出，在最大下沉观测点K42/L26前进方向i趋近于0，在拐点(下沉曲线凹凸变化处)处(K21、L21、L30)倾斜最大，L线为完整的下沉曲线，有2个方向相反的最大倾斜值。

(2)曲率曲线为两相邻线段的倾斜差与两线段中间点的水平距离的比值，表示地表移动盆地内曲率的变化规律，从曲线图可以看出下沉盆地的曲率变形值较大的位置出现在下沉盆地边缘，这些区域虽然下沉量较小但往往受到的曲率变形作用却是最大的。

(3)水平变形曲线表示地表移动盆地内水平变形分布规律，是移动盆地一线段两端点的水平移动差与此线段长度之比。正极值为最大拉伸值，通常应位于拐点附近，负极值为最大压缩值出现在盆底边缘，但该工作面水平变形曲线较为平缓，变化规律不典型，表明上覆岩层断裂后水平挤压作用在平面方向上较小。

3.3 地表移动持续时间的确定

移动变形阶段及延续时间的确定是岩移观测数据分析中的重要工作之一，不同采矿工艺下的采空区在各移动变形阶段持续时间上有着明显的差别，是地表移动变形的重要特征之一，研究区工作面也存在比较明显的4个移动变形阶段。

(1)变形前期。2020年4月28日工作面开始回采，5月10日前为试采期每天进尺3～5 m，试采结束至2020年7月5日(工作面处于走向线边界处)前平均每天进尺9 m左右。测量队在回采后对工作面开切眼附近的观测点进行巡视测量(根据井下来压情况，安排观测时间，尽量精确捕捉地表移动变形的开始时间)，2020年5月10日，工作面回采推进至68 m时，在走向线上的K21点为最大下沉点，下沉量12 mm，这标志着地表移动变形已经开始。

(2)移动变形活跃阶段。2020年5月10日-2020年9月1日为观测区域地表移动变形活跃阶段(地表下沉速度大于1.67 mm/d)，5月10日工作面回采推进至68 m，最大下沉点K21点下沉量较5月6日下沉12.3 mm，日平均下沉量达3 mm，该点附近地表移动变形进入活跃期，按照《煤矿测量规程》要求，此期间平均每周对观测点进行1次四等水准测量，并在工作面推进位置处于0.7 倍的采深H0、1.4倍的采深H0(H0为平均采深295 m)处及活跃期结束时共进行3次的平面观测。

(3)移动变形衰退阶段。指地表下沉速度从小于1.67 mm/d至移动稳定的阶段，在2020年9月7日观测结果中，走向线最后一个观测点K44，9月7日-9月1日每日平均下沉量为1.18 mm/d，标志着移动观测区域地表沉陷全部进入衰退期，在衰退期至工作面稳沉后观测工作每月进行1次。

(4)稳沉阶段。各观测点位自2020年10月14日～2021年4月19日累计沉降量最大为25 mm，由此判断至2021年4月19日起移动观测区域地表沉陷已基本进入稳沉期(按照《煤矿测量规程》6个月沉陷量小于等于3 cm的要求，结束岩移观测工作)。

3.4 岩移监测总结

该工作面地表覆盖层厚度近300 m，在近1年的时间内，完成了从采动到稳沉的过程，地表沉降活动总体上比较平和，比之薄煤层开采没有形成裂沟、塌陷坑及台阶型地貌，细小的裂缝集中分布于其采空区内；下沉系数偏小、拐点偏移距偏大：观测线下沉曲线理论上位于开切眼正上方，由于开采边界附近的顶板岩石不能充分垮落导致拐点向采空区方向偏移，当采空区受临近工作面采动影响时，破坏了岩层的稳定结构，该区域还会有一定的残余下沉；走向线方向上水平变形量比倾斜方向上的大，即走向线方向最大水平变形值为23.5 mm/m，倾向线方向最大水平变形值为6.8 mm/m。

4 结语

利用无人机技术实现了对工作面岩移活动进行监测分析，对于日后完成大规模岩移数据采集、搭建大数据分析平台、实现人工智能监测具有十分重要的意义，通过无人机技术可方便快捷的完成岩移观测的任务。相较于传统的观测站监测的方法，无人机观测具有灵活性高、数据采集便携、数据采集量大、实时性高，成本低等诸多优势，可以方便快速的获得岩移采集区域较为典型的岩移规律，积累宝贵经验，为地面灾害的评价、防治和治理提供了重要的依据，对煤炭安全生产及可持续发展有着十分重要意义。