單禮巖

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

0 引言

煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源之一，在能源消費(fèi)構(gòu)成中占比超過(guò)55%，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，煤炭的主體能源地位不會(huì)改變，煤炭能源將繼續(xù)為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力支撐。

煤礦井下地質(zhì)編錄對(duì)保障煤礦的安全生產(chǎn)有著重要的意義，為了解決礦井生產(chǎn)時(shí)期的地質(zhì)問(wèn)題，保證礦井建設(shè)和生產(chǎn)的高速進(jìn)行，使煤炭資源得以合理的開(kāi)發(fā)利用，需要對(duì)礦井進(jìn)行地質(zhì)編錄。地質(zhì)編錄工作是支持煤礦安全高效生產(chǎn)的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)技術(shù)工作。及時(shí)、準(zhǔn)確、客觀的記錄采掘工程中不斷揭露的地質(zhì)現(xiàn)象，篩選和處理有用的地質(zhì)信息，研究地質(zhì)條件及其變化規(guī)律，為礦井安全生產(chǎn)提供科學(xué)可靠的地質(zhì)情報(bào)，是現(xiàn)代化礦井對(duì)地質(zhì)工作的根本要求[1-2]。

目前亟需解決的問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)傳統(tǒng)編錄手段遇到的問(wèn)題：不適應(yīng)高質(zhì)量發(fā)展礦井對(duì)編錄工作的要求。2)礦井地質(zhì)編錄工作的基本要求：及時(shí)、客觀、高質(zhì)、高效。3)現(xiàn)代化礦井對(duì)地質(zhì)工作的要求：提供科學(xué)、可靠的地質(zhì)情報(bào)。4)忽視地質(zhì)編錄工作的后果：影響正常生產(chǎn)、造成安全事故[3-5]。

如何解決煤礦地質(zhì)編錄工作存在的這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，減輕煤礦地質(zhì)工作人員大量煩瑣的內(nèi)、外業(yè)工作量，使傳統(tǒng)的地質(zhì)編錄工作同煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化工作同步發(fā)展，有效地服務(wù)于現(xiàn)代化礦井建設(shè)，使地質(zhì)編錄工作手段先進(jìn)、數(shù)據(jù)可靠，編錄成果科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，已經(jīng)成為辛勤工作在煤礦現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)工作者的殷切期望[6]。

我國(guó)煤炭地質(zhì)領(lǐng)域?qū)τ诳碧缴a(chǎn)及地質(zhì)認(rèn)識(shí)成果主要是以二維圖件的形式進(jìn)行展示，這種對(duì)真實(shí)三維世界的抽象表達(dá)方式，必然存在一些不足，不利于對(duì)礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行直觀的查看和分析，而基于攝影測(cè)量地質(zhì)編錄方法真實(shí)還原井下三維地質(zhì)空間，對(duì)左右?guī)筒?、頂?shù)装宓刭|(zhì)對(duì)象進(jìn)行觀測(cè)，故而，真三維地質(zhì)編錄方法是地質(zhì)編錄方法的研究方向，同時(shí)增加編錄智能化程度，減少人工干預(yù)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)來(lái)源

系統(tǒng)將多基線近景攝影測(cè)量理論應(yīng)用于煤礦地質(zhì)編錄及三維空間重建，將井下獲取的地質(zhì)影像圖片使用三維建模軟件進(jìn)行建模，再使用三維地質(zhì)編錄系統(tǒng)對(duì)三維模型進(jìn)行定位，通過(guò)自動(dòng)計(jì)算、交互式編錄提取影像中地質(zhì)信息，自動(dòng)生成素描圖、剖面圖等標(biāo)準(zhǔn)化圖紙[7-8]。

相較于傳統(tǒng)的地質(zhì)編錄工作，實(shí)現(xiàn)了巷道、掘進(jìn)迎頭面實(shí)景三維建模，影像成圖精度高、三維效果逼真。通過(guò)數(shù)據(jù)處理可在影像成果圖上精確量取點(diǎn)距、測(cè)算巖層和斷層產(chǎn)狀、體現(xiàn)巷道的起伏形態(tài)、煤巖層構(gòu)成、構(gòu)造變化情況，為今后的巷道布置提供了有力的依據(jù)。而且該設(shè)備較為輕便，攜帶方便，在縮短技術(shù)人員工作時(shí)長(zhǎng)的情況下，可緩解地質(zhì)資料搜集緩慢與快速生產(chǎn)之間的沖突。

系統(tǒng)提升了地質(zhì)信息資料的數(shù)字化、精確化、自動(dòng)化、出圖標(biāo)準(zhǔn)化，在保證簡(jiǎn)單操作的前提下，減人提效，將井下場(chǎng)景搬到井上處理，并進(jìn)一步提升地質(zhì)編錄測(cè)量精度。

1.2 系統(tǒng)組成

1.2.1 硬件設(shè)備

硬件部分包括ZHS2420(A)本安型數(shù)碼照相機(jī)、礦用本安型電池箱、礦用本安型LED照明燈、礦用本安型LED閃光燈、攜帶式激光測(cè)距儀、礦用電子羅盤(pán)、攝影測(cè)量控制架、標(biāo)志桿及高性能數(shù)據(jù)處理終端等組成。部分硬件設(shè)備如圖1所示。

1.2.2 軟件模塊

軟件主要模塊是實(shí)景三維地質(zhì)編錄模塊以及煤礦出圖模塊等，如圖2所示。

具體模塊功能如下：

1)單幫三維地質(zhì)編錄。使用單幫正射影像建立側(cè)幫的三維地形模型，通過(guò)定向解算及三維建模，可以多角度觀察該幫地貌、地質(zhì)構(gòu)造變化、坐標(biāo)查詢、距離測(cè)量、勾畫(huà)要素加以編錄。2)巷道三維地質(zhì)編錄。將采集到的巷道影像資料通過(guò)空三解算得到巷道影像的采集位姿，并建立巷道三維實(shí)景模型，該模型可將巷道進(jìn)行實(shí)景還原，并對(duì)該巷道的地形、起伏、走向及地質(zhì)構(gòu)造變化加以清晰展示，并對(duì)出現(xiàn)的構(gòu)造變化進(jìn)行編錄工作。3)煤礦出圖模塊。煤礦出圖模塊主要以礦山標(biāo)準(zhǔn)化出圖結(jié)果為模板，可出圖模板包括巷道剖面圖、掘進(jìn)工作面剖面圖、斷層素描卡以及陷落柱素描卡，進(jìn)一步可根據(jù)礦方需求進(jìn)行定制化的模板。

1.2.3 技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 技術(shù)指標(biāo)

2 工程應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地概況

依托試驗(yàn)場(chǎng)地為杜兒坪礦北一輔助運(yùn)輸大巷延伸掘進(jìn)巷道，該巷道沿8號(hào)煤頂板施工，試驗(yàn)區(qū)段8號(hào)煤層厚度穩(wěn)定，8號(hào)煤厚5.1 m～5.4 m左右，含一層2.2 m～3.0 m的夾石，巖性為砂質(zhì)泥巖。含一層0.5 m左右的偽頂，巖性為鈣質(zhì)泥巖。8號(hào)煤直接頂：L1石灰?guī)r1.34 m～3.02 m。8號(hào)煤直接底：細(xì)砂巖1.50 m～3.70 m。巷道掘進(jìn)方向245°30′，煤層傾向?yàn)楸蔽飨?，巷道施工方向煤巖層產(chǎn)狀1°～5°，平均3°。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用流程圖

礦井三維地質(zhì)編錄系統(tǒng)在煤礦巷道編錄的應(yīng)用流程如下：設(shè)置相機(jī)參數(shù)→采集圖像→三維建模→模型定向→地質(zhì)編錄→出圖。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)測(cè)試，確定了拍攝采用相機(jī)的P模式，焦距設(shè)置為18 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。

2.3 單幫三維編錄的應(yīng)用

1)單幫地質(zhì)影像采集。

沿著洞軸線向前走，手持相機(jī)正對(duì)單幫拍攝，每走一步(0.6 m左右)拍攝一張照片，拍攝方法如圖3所示。

2)三維建模及地質(zhì)編錄。

試驗(yàn)在北一輔助運(yùn)輸大巷延伸掘進(jìn)工作面采集圖像，采集圖片31幅，部分地質(zhì)圖像如圖4所示。第一步是影像處理分析，通過(guò)空三解算計(jì)算出掘進(jìn)工作面實(shí)景圖像拍攝的位姿，如圖5所示。

3)側(cè)幫三維展示及編錄。

試驗(yàn)在北一輔助運(yùn)輸大巷延伸掘進(jìn)工作面采集圖像，經(jīng)系統(tǒng)軟件處理可生成三維實(shí)景模型，單幫三維實(shí)景模型如圖6所示。

在實(shí)景三維模塊中進(jìn)行編錄，技術(shù)人員通過(guò)在三維模型上繪制地質(zhì)結(jié)構(gòu)面/線/點(diǎn)、產(chǎn)狀計(jì)算(自動(dòng))、地質(zhì)屬性錄入(填表)、巷高、煤厚的量測(cè)，最終通過(guò)人機(jī)交互自動(dòng)生成煤礦標(biāo)準(zhǔn)化圖紙。經(jīng)過(guò)量測(cè)比對(duì)，模型量測(cè)揭露巷高2.993 m，設(shè)計(jì)巷高3 m，存在cm級(jí)誤差。

4)成果輸出。

編錄完成之后，自動(dòng)連接CAD軟件并生成標(biāo)準(zhǔn)化剖面圖。杜兒坪礦北一輔助運(yùn)輸大巷延伸掘進(jìn)工作面剖面圖如圖7所示。

2.4 巷道三維編錄的應(yīng)用

1)地質(zhì)影像采集。

采集影像資料時(shí)，大致沿著洞軸線方向前進(jìn)，手持相機(jī)沿巷道軸線方向拍攝，每走一步(0.6 m～1.2 m左右)拍攝一張照片，拍攝方法如圖8所示。

2)三維建模及地質(zhì)編錄。

試驗(yàn)在北一輔助運(yùn)輸大巷延伸巷道采集圖像，采集圖片88幅，部分地質(zhì)圖像如圖9所示。第一步是影像處理分析，通過(guò)空三解算計(jì)算出掘進(jìn)工作面實(shí)景圖像拍攝的位姿，如圖10所示。

3)三維建模及地質(zhì)編錄。

試驗(yàn)在北一輔助運(yùn)輸大巷延伸巷道采集影像，經(jīng)系統(tǒng)軟件處理，建立成巷道三維模型，并完成模型定向解算，可進(jìn)行可視化編錄，巷道三維實(shí)景模型如圖11所示。

在實(shí)景三維模塊中的編錄工作主要是通過(guò)技術(shù)人員在模型上勾畫(huà)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面/線/點(diǎn)，然后軟件根據(jù)勾畫(huà)的結(jié)構(gòu)面/線自動(dòng)進(jìn)行產(chǎn)狀計(jì)算，通過(guò)對(duì)地質(zhì)屬性錄入和巷高、煤厚的量測(cè)，最終自動(dòng)生成煤礦標(biāo)準(zhǔn)化圖紙。經(jīng)過(guò)量測(cè)比對(duì)，模型量測(cè)巷高3.566 m，巷寬5.959 m，斷層產(chǎn)狀257.4°∠68.1°，斷距2.282 m。

4)成果輸出。

編錄完成之后，自動(dòng)生成CAD圖。杜兒坪礦北一輔助運(yùn)輸大巷延伸巷道剖面圖如圖12所示。

3 結(jié)論

通過(guò)在杜兒坪礦掘進(jìn)巷道的實(shí)際應(yīng)用，得到如下結(jié)論：

1)系統(tǒng)可根據(jù)巷道建立實(shí)景三維，較傳統(tǒng)的編錄儀增加處理軟件，可在影像成果圖上精確地量取任意兩點(diǎn)間距、測(cè)算巖層或斷層產(chǎn)狀。

2)通過(guò)對(duì)掘進(jìn)巷道的編錄，可以完整地再現(xiàn)巷道的起伏形態(tài)、巷道煤巖層構(gòu)成及構(gòu)造變化情況、巷道布置情況等。

3)產(chǎn)狀量測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，且精度較高，精度可達(dá)cm級(jí)。

4)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自行計(jì)算，直接輸出CAD剖面圖，減少地質(zhì)工作者在地面的工作量。

5)獲取到更豐富、真實(shí)的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)。

6)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。

系統(tǒng)所獲得各種地質(zhì)信息的真實(shí)性和豐富程度可代替和彌補(bǔ)傳統(tǒng)手工方式的不足，而且大部分計(jì)算作業(yè)通過(guò)計(jì)算機(jī)完成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資料的采集、編輯、計(jì)算、成圖、輸出一體化作業(yè)，極大地減少了工作量，提高地質(zhì)編錄的質(zhì)量、頻率、效率，減輕地質(zhì)工作人員負(fù)擔(dān)，豐富地質(zhì)資料，為促進(jìn)地質(zhì)專業(yè)信息化建設(shè)提供了現(xiàn)實(shí)意義。