礦井三維地質編錄系統在煤礦巷道編錄的應用

單禮巖

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

0 引言

煤炭是我國的基礎能源之一，在能源消費構成中占比超過55%，在相當長時期內，煤炭的主體能源地位不會改變，煤炭能源將繼續為我國國民經濟發展提供有力支撐。

煤礦井下地質編錄對保障煤礦的安全生產有著重要的意義，為了解決礦井生產時期的地質問題，保證礦井建設和生產的高速進行，使煤炭資源得以合理的開發利用，需要對礦井進行地質編錄。地質編錄工作是支持煤礦安全高效生產的一項重要的基礎技術工作。及時、準確、客觀的記錄采掘工程中不斷揭露的地質現象，篩選和處理有用的地質信息，研究地質條件及其變化規律，為礦井安全生產提供科學可靠的地質情報，是現代化礦井對地質工作的根本要求[1-2]。

目前亟需解決的問題主要體現在以下幾個方面：

1)傳統編錄手段遇到的問題：不適應高質量發展礦井對編錄工作的要求。2)礦井地質編錄工作的基本要求：及時、客觀、高質、高效。3)現代化礦井對地質工作的要求：提供科學、可靠的地質情報。4)忽視地質編錄工作的后果：影響正常生產、造成安全事故[3-5]。

如何解決煤礦地質編錄工作存在的這一現實問題，減輕煤礦地質工作人員大量煩瑣的內、外業工作量，使傳統的地質編錄工作同煤礦機械化、自動化、數字化工作同步發展，有效地服務于現代化礦井建設，使地質編錄工作手段先進、數據可靠，編錄成果科學化、標準化、規范化，已經成為辛勤工作在煤礦現場的地質工作者的殷切期望[6]。

我國煤炭地質領域對于勘探生產及地質認識成果主要是以二維圖件的形式進行展示，這種對真實三維世界的抽象表達方式，必然存在一些不足，不利于對礦區內地質現象進行直觀的查看和分析，而基于攝影測量地質編錄方法真實還原井下三維地質空間，對左右幫部、頂底板地質對象進行觀測，故而，真三維地質編錄方法是地質編錄方法的研究方向，同時增加編錄智能化程度，減少人工干預。

1 系統簡介

1.1 系統來源

系統將多基線近景攝影測量理論應用于煤礦地質編錄及三維空間重建，將井下獲取的地質影像圖片使用三維建模軟件進行建模，再使用三維地質編錄系統對三維模型進行定位，通過自動計算、交互式編錄提取影像中地質信息，自動生成素描圖、剖面圖等標準化圖紙[7-8]。

相較于傳統的地質編錄工作，實現了巷道、掘進迎頭面實景三維建模，影像成圖精度高、三維效果逼真。通過數據處理可在影像成果圖上精確量取點距、測算巖層和斷層產狀、體現巷道的起伏形態、煤巖層構成、構造變化情況，為今后的巷道布置提供了有力的依據。而且該設備較為輕便，攜帶方便，在縮短技術人員工作時長的情況下，可緩解地質資料搜集緩慢與快速生產之間的沖突。

系統提升了地質信息資料的數字化、精確化、自動化、出圖標準化，在保證簡單操作的前提下，減人提效，將井下場景搬到井上處理，并進一步提升地質編錄測量精度。

1.2 系統組成

1.2.1 硬件設備

硬件部分包括ZHS2420(A)本安型數碼照相機、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、攜帶式激光測距儀、礦用電子羅盤、攝影測量控制架、標志桿及高性能數據處理終端等組成。部分硬件設備如圖1所示。

1.2.2 軟件模塊

軟件主要模塊是實景三維地質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)單幫三維地質編錄。使用單幫正射影像建立側幫的三維地形模型，通過定向解算及三維建模，可以多角度觀察該幫地貌、地質構造變化、坐標查詢、距離測量、勾畫要素加以編錄。2)巷道三維地質編錄。將采集到的巷道影像資料通過空三解算得到巷道影像的采集位姿，并建立巷道三維實景模型，該模型可將巷道進行實景還原，并對該巷道的地形、起伏、走向及地質構造變化加以清晰展示，并對出現的構造變化進行編錄工作。3)煤礦出圖模塊。煤礦出圖模塊主要以礦山標準化出圖結果為模板，可出圖模板包括巷道剖面圖、掘進工作面剖面圖、斷層素描卡以及陷落柱素描卡，進一步可根據礦方需求進行定制化的模板。

1.2.3 技術指標

系統技術指標如表1所示。

表1 技術指標

2 工程應用

2.1 試驗場地概況

依托試驗場地為杜兒坪礦北一輔助運輸大巷延伸掘進巷道，該巷道沿8號煤頂板施工，試驗區段8號煤層厚度穩定，8號煤厚5.1 m～5.4 m左右，含一層2.2 m～3.0 m的夾石，巖性為砂質泥巖。含一層0.5 m左右的偽頂，巖性為鈣質泥巖。8號煤直接頂：L1石灰巖1.34 m～3.02 m。8號煤直接底：細砂巖1.50 m～3.70 m。巷道掘進方向245°30′，煤層傾向為北西向，巷道施工方向煤巖層產狀1°～5°，平均3°。

2.2 系統應用流程圖

礦井三維地質編錄系統在煤礦巷道編錄的應用流程如下：設置相機參數→采集圖像→三維建模→模型定向→地質編錄→出圖。

通過現場參數測試，確定了拍攝采用相機的P模式，焦距設置為18 mm，曝光時間控制在1/15 s以內，數據穩定，采樣精度高。

2.3 單幫三維編錄的應用

1)單幫地質影像采集。

沿著洞軸線向前走，手持相機正對單幫拍攝，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)三維建模及地質編錄。

試驗在北一輔助運輸大巷延伸掘進工作面采集圖像，采集圖片31幅，部分地質圖像如圖4所示。第一步是影像處理分析，通過空三解算計算出掘進工作面實景圖像拍攝的位姿，如圖5所示。

3)側幫三維展示及編錄。

試驗在北一輔助運輸大巷延伸掘進工作面采集圖像，經系統軟件處理可生成三維實景模型，單幫三維實景模型如圖6所示。

在實景三維模塊中進行編錄，技術人員通過在三維模型上繪制地質結構面/線/點、產狀計算(自動)、地質屬性錄入(填表)、巷高、煤厚的量測，最終通過人機交互自動生成煤礦標準化圖紙。經過量測比對，模型量測揭露巷高2.993 m，設計巷高3 m，存在cm級誤差。

4)成果輸出。

編錄完成之后，自動連接CAD軟件并生成標準化剖面圖。杜兒坪礦北一輔助運輸大巷延伸掘進工作面剖面圖如圖7所示。

2.4 巷道三維編錄的應用

1)地質影像采集。

采集影像資料時，大致沿著洞軸線方向前進，手持相機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)三維建模及地質編錄。

試驗在北一輔助運輸大巷延伸巷道采集圖像，采集圖片88幅，部分地質圖像如圖9所示。第一步是影像處理分析，通過空三解算計算出掘進工作面實景圖像拍攝的位姿，如圖10所示。

3)三維建模及地質編錄。

試驗在北一輔助運輸大巷延伸巷道采集影像，經系統軟件處理，建立成巷道三維模型，并完成模型定向解算，可進行可視化編錄，巷道三維實景模型如圖11所示。

在實景三維模塊中的編錄工作主要是通過技術人員在模型上勾畫地質結構面/線/點，然后軟件根據勾畫的結構面/線自動進行產狀計算，通過對地質屬性錄入和巷高、煤厚的量測，最終自動生成煤礦標準化圖紙。經過量測比對，模型量測巷高3.566 m，巷寬5.959 m，斷層產狀257.4°∠68.1°，斷距2.282 m。

4)成果輸出。

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

3 結論

通過在杜兒坪礦掘進巷道的實際應用，得到如下結論：

1)系統可根據巷道建立實景三維，較傳統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間距、測算巖層或斷層產狀。

2)通過對掘進巷道的編錄，可以完整地再現巷道的起伏形態、巷道煤巖層構成及構造變化情況、巷道布置情況等。

3)產狀量測結果準確，且精度較高，精度可達cm級。

4)數據由計算機自行計算，直接輸出CAD剖面圖，減少地質工作者在地面的工作量。

5)獲取到更豐富、真實的地質信息數據。

6)影像留存，便于后續對現場地質情況的再次分析。

系統所獲得各種地質信息的真實性和豐富程度可代替和彌補傳統手工方式的不足，而且大部分計算作業通過計算機完成，實現數據資料的采集、編輯、計算、成圖、輸出一體化作業，極大地減少了工作量，提高地質編錄的質量、頻率、效率，減輕地質工作人員負擔，豐富地質資料，為促進地質專業信息化建設提供了現實意義。