攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)在張集煤礦工作面的應(yīng)用探究

張 宇

（淮南礦業(yè)集團(tuán)張集煤礦，安徽 淮南 232174）

1 攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)在張集煤礦工作面應(yīng)用背景

張集煤礦作為淮南礦業(yè)集團(tuán)煤業(yè)分公司的現(xiàn)代化主力礦井之一，總生產(chǎn)能力隨著高定位技改及二期工程的建成提高至1230 萬t/a，是集團(tuán)公司及地方經(jīng)濟(jì)的有力支撐。井下地質(zhì)編錄工作不僅可以及時(shí)、客觀、準(zhǔn)確地記錄礦井采掘過程中揭露的地質(zhì)現(xiàn)象，還可以有效篩選及處理地質(zhì)信息，對(duì)研究礦井地質(zhì)條件及發(fā)展規(guī)律、獲取科學(xué)可靠的地質(zhì)情報(bào)具有前瞻性技術(shù)支撐作用，也是實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效開采的一種有效手段[1]。

傳統(tǒng)井下地質(zhì)編錄方式主要有觀測(cè)點(diǎn)式和剖面式兩種，同時(shí)探測(cè)煤厚變化，繪制勘探線剖面圖和剩余厚度等值線圖，但受主觀因素影響較大，存在管理臺(tái)賬及繪制的圖紙規(guī)格不統(tǒng)一、不規(guī)范和不美觀等問題，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)工作推進(jìn)受阻。隨著張集煤礦采掘機(jī)械化、裝備水平自動(dòng)化的不斷提升，及新型支護(hù)工藝和支護(hù)材料的快速發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)掩蔽地質(zhì)條件的揭露速度要求大大提升，傳統(tǒng)的地質(zhì)編錄工作方式已很難適應(yīng)現(xiàn)代化礦井對(duì)高成果質(zhì)量、高效率地質(zhì)工作的要求[2]。如何解決這一突出的現(xiàn)實(shí)問題，使地質(zhì)編錄工作同步張集煤礦的現(xiàn)代化發(fā)展，已成為礦井地質(zhì)工作者亟待解決的重大問題。

2 攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)簡介

通過地質(zhì)工作者的實(shí)地應(yīng)用與探究，建立了一套全新的適用于張集煤礦井下影像地質(zhì)編錄技術(shù)和方法的體系，并研發(fā)出相應(yīng)的編錄軟硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)以攝影測(cè)量理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字近景攝影測(cè)量、數(shù)字圖像處理和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)為手段，改變了現(xiàn)有的傳統(tǒng)井下地質(zhì)編錄方法，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化礦井對(duì)地質(zhì)工作的根本要求，能夠快速、準(zhǔn)確地描述井下地質(zhì)構(gòu)造，方便地獲取地質(zhì)信息數(shù)據(jù)，信息化管理和整合編錄數(shù)據(jù)，建立三維數(shù)據(jù)模型，有效降低了繁瑣的內(nèi)、外業(yè)工作量，工作手段先進(jìn)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，工作成果規(guī)范化、科學(xué)化，對(duì)進(jìn)一步指導(dǎo)礦井生產(chǎn)、服務(wù)礦井現(xiàn)代化建設(shè)、提高礦井生產(chǎn)效益具有重要意義。

本次試驗(yàn)使用中國煤炭科工集團(tuán)有限公司重慶研究院自行研制的ZHS2420 本安型數(shù)碼照相機(jī)、YJJ300 攜帶式激光測(cè)距儀、紅藍(lán)3D 眼鏡、DHX3.6 LS（A）礦用本安型LED 照明燈和DHX7.4LS 礦用本安型LED 閃光燈，該套系統(tǒng)完全能夠滿足本次探測(cè)的要求。通過現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)測(cè)試，確定拍攝采用相機(jī)P 模式，焦距設(shè)置為10 mm，曝光時(shí)間控制在1/15 s以內(nèi)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，采樣精度高。

3 攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)工作面應(yīng)用探析

工作面攝影地質(zhì)編錄是基于一期或多期的鑲嵌影像進(jìn)行編錄的，首先利用手持激光測(cè)距儀快速測(cè)量工作面斷面，并使用相機(jī)快速獲取工作面影像，其次在影像處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行構(gòu)造線繪制、屬性編碼、產(chǎn)狀計(jì)算等一系列編錄工作，最后生成編錄效果圖[3]。

3.1 工作面概況

1422 （1）工作面位于張集煤礦西二11-2 采區(qū)，煤層產(chǎn)狀傾向?yàn)?90°～210°，傾角為8°～13°，平均傾角10°，總體構(gòu)造形態(tài)呈現(xiàn)為北高南低的單斜構(gòu)造。煤巖類型為半暗至半亮型煤，局部發(fā)育單層夾矸，夾矸厚度為0.1～1.5 m。煤層直接頂板巖性為泥巖或砂質(zhì)泥巖，老頂為粉細(xì)砂巖，直接底板以泥巖為主，老底為粉砂巖，底部含有11-1 煤。西二11-2 采區(qū)煤局部受斷層及層滑構(gòu)造影響，煤層變薄、變軟，導(dǎo)致1422 （1）工作面煤層厚度為0.1～3.8 m，平均厚度為2.2 m。

3.2 工作面斷面生成

首先將1422 （1）工作面的斷面線折算成一系列連續(xù)的坡度變換點(diǎn)，然后依順序連成折線，再根據(jù)工作面坡度變換點(diǎn)來確定斷面分段。整個(gè)坡長可由液壓支架寬度和個(gè)數(shù)計(jì)算而成。液壓支架都是等寬的，通過測(cè)量得知，該工作面液壓支架寬度為1.5 m，共有184 個(gè)。最后利用激光測(cè)距測(cè)得坡段的坡度、頂板高度（2.9 m）、拍攝距離（2.5～3.3 m）及支架高度（1.6～1.9 m）。

為進(jìn)行斷面計(jì)算和后期影像量測(cè)處理，需要建立一個(gè)工作面空間坐標(biāo)系，將工作面中的采掘工作面作為平面處理。利用條件平差計(jì)算各點(diǎn)坐標(biāo)，最終得到工作面各坡段平差改正后的坡度和長度。根據(jù)拍攝位置的支架編號(hào)、當(dāng)前支架的坡度值及頂板高度以及建立好的坐標(biāo)系即可得到當(dāng)前工作面的斷面圖。整個(gè)巷道呈單斜構(gòu)造，隨著支架號(hào)的減小而降低。1422 （1）工作面兩期斷面圖見圖1。

3.3 工作面影像獲取及處理

1422 （1）工作面斷面較長、環(huán)境較差，因此對(duì)工作面進(jìn)行選擇性拍攝，即在重要地質(zhì)結(jié)構(gòu)處拍攝單張影像。為提高工作面影像空間的可測(cè)量性和影像獲取效率，攝影時(shí)應(yīng)保證有充足的光源、相機(jī)要保持平穩(wěn)避免抖動(dòng)（必要時(shí)可使用支架進(jìn)行輔助），且與擋板要保持平行，保證攝影光軸垂直于工作面。

影像處理主要包括影像校正、影像鑲嵌、影像測(cè)量；影像增強(qiáng)通過使用亮度調(diào)整、對(duì)比度調(diào)整、線性變換增強(qiáng)、非線性變換增強(qiáng)、分段線性增強(qiáng)、均勻化增強(qiáng)、規(guī)定化增強(qiáng)、空間濾波等技術(shù)，使工作面影像的質(zhì)量得到提高，有效加強(qiáng)用戶對(duì)圖像的目視判讀。經(jīng)過畸變校正后的影像可基本認(rèn)為是正射影像，投影到工作面上的邊界坐標(biāo)可根據(jù)相機(jī)像場(chǎng)角、拍攝位置、拍攝距離計(jì)算得到。

圖11422 （1）采煤工作面兩期斷面圖

3.4 工作面影像地質(zhì)編錄

1）像點(diǎn)空間坐標(biāo)量測(cè)。工作面影像地質(zhì)編錄是基于多期的鑲嵌影像實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造繪制和巖層產(chǎn)狀量測(cè)等功能的。首先利用工作面拍攝像片時(shí)的中心投影構(gòu)像關(guān)系，獲取像點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)；其次根據(jù)構(gòu)像關(guān)系示意圖結(jié)合拍攝距離、拍攝高度、像點(diǎn)坐標(biāo)即可求得該點(diǎn)在工作面坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)；最后結(jié)合該工作面的起止坐標(biāo)，將該點(diǎn)的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)。

2）構(gòu)造繪制以及屬性錄入。將通過篩選的像對(duì)，在工作面子系統(tǒng)中建立工作區(qū)，根據(jù)編錄系統(tǒng)流程完成立體像對(duì)的處理分析后，即可進(jìn)行地質(zhì)編錄。再以校正后的工作面影像作為地質(zhì)編錄底圖，根據(jù)需要繪制構(gòu)造線，進(jìn)行構(gòu)造線的屬性計(jì)算和設(shè)置，并計(jì)算結(jié)構(gòu)面傾向。圖2 為繪制煤巖分界線的編錄程序界面。

圖2 繪制煤巖分界線的編錄程序界面

3）產(chǎn)狀計(jì)算。工作面產(chǎn)狀計(jì)算，是通過計(jì)算不同回采時(shí)間點(diǎn)、工作面影像中的同一條構(gòu)造線上的若干像點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)得到的。在1422 （1）回采工作面，134 號(hào)液壓支架處有斷層出現(xiàn)，結(jié)合兩期工作面影像計(jì)算出的產(chǎn)狀為傾向115°、傾角80°，與地質(zhì)工作者人工測(cè)量的傾向120°、傾角75°的結(jié)果基本吻合，見圖3。

圖3 多期產(chǎn)狀量計(jì)算

3.5 成果輸出

編錄完成后，輸出到AutoCAD 中，并將編錄好的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中保存，便于以后查詢、統(tǒng)計(jì)與分析。輸出到AutoCAD 中的編錄結(jié)果，見圖4。整個(gè)巷道為單斜構(gòu)造，巷道高2.9 m，在134 號(hào)液壓支架處有斷層，結(jié)合多期影像測(cè)得斷層產(chǎn)狀為傾向115°、傾角80°；在121 號(hào)液壓支架處有斷層，結(jié)合多期影像測(cè)得斷層產(chǎn)狀為傾向116°、傾角47°，與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

綜合分析，該攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)可獲得與傳統(tǒng)手工采集基本一致的地質(zhì)信息結(jié)果，且精度較高，該系統(tǒng)使工作更具科學(xué)化、系統(tǒng)化，適合在礦井全面推廣。具體體現(xiàn)在：該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，能滿足張集煤礦地質(zhì)編錄的需求，獲取到更豐富、更真實(shí)的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)；井下平均工作時(shí)間較短，迎頭面需要5～10 min，回采工作面需要20 min；產(chǎn)狀量測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，且精度較高，可達(dá)厘米級(jí)，同時(shí)增加了產(chǎn)狀區(qū)間功能，對(duì)產(chǎn)狀變化較大的構(gòu)造在計(jì)算產(chǎn)狀的同時(shí)能計(jì)算出產(chǎn)狀的變化區(qū)間；數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自行計(jì)算，直接輸出CAD 剖面圖，減少了地質(zhì)工作者在地面的工作量，且為非直接接觸作業(yè)，人員安全性高；數(shù)據(jù)匯總整合便于管理，影像留存便于后續(xù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況的再次分析；設(shè)備由生產(chǎn)班組人員使用，可及時(shí)采集并查看圖像信息，提升了地質(zhì)編錄的頻率，使編錄信息更準(zhǔn)確、完整。

圖4 AutoCAD 中的編錄結(jié)果

下一步將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以提升系統(tǒng)的便攜性和易用性。改進(jìn)方案：精簡硬件設(shè)備，改善照明效果，采集更多煤巖巷幫部影像信息；升級(jí)三維地質(zhì)編錄技術(shù)，將所有的地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)結(jié)合起來形成閉環(huán)，最終構(gòu)建完整的巷道模型。