摄影地质编录系统在张集煤矿工作面的应用探究

张 宇

（淮南矿业集团张集煤矿，安徽 淮南 232174）

1 摄影地质编录系统在张集煤矿工作面应用背景

张集煤矿作为淮南矿业集团煤业分公司的现代化主力矿井之一，总生产能力随着高定位技改及二期工程的建成提高至1230 万t/a，是集团公司及地方经济的有力支撑。井下地质编录工作不仅可以及时、客观、准确地记录矿井采掘过程中揭露的地质现象，还可以有效筛选及处理地质信息，对研究矿井地质条件及发展规律、获取科学可靠的地质情报具有前瞻性技术支撑作用，也是实现煤矿安全高效开采的一种有效手段[1]。

传统井下地质编录方式主要有观测点式和剖面式两种，同时探测煤厚变化，绘制勘探线剖面图和剩余厚度等值线图，但受主观因素影响较大，存在管理台账及绘制的图纸规格不统一、不规范和不美观等问题，导致现场工作推进受阻。随着张集煤矿采掘机械化、装备水平自动化的不断提升，及新型支护工艺和支护材料的快速发展和应用，对掩蔽地质条件的揭露速度要求大大提升，传统的地质编录工作方式已很难适应现代化矿井对高成果质量、高效率地质工作的要求[2]。如何解决这一突出的现实问题，使地质编录工作同步张集煤矿的现代化发展，已成为矿井地质工作者亟待解决的重大问题。

2 摄影地质编录系统简介

通过地质工作者的实地应用与探究，建立了一套全新的适用于张集煤矿井下影像地质编录技术和方法的体系，并研发出相应的编录软硬件系统。该系统以摄影测量理论为基础，以数字近景摄影测量、数字图像处理和地理信息系统（GIS）技术为手段，改变了现有的传统井下地质编录方法，实现了现代化矿井对地质工作的根本要求，能够快速、准确地描述井下地质构造，方便地获取地质信息数据，信息化管理和整合编录数据，建立三维数据模型，有效降低了繁琐的内、外业工作量，工作手段先进，数据准确可靠，工作成果规范化、科学化，对进一步指导矿井生产、服务矿井现代化建设、提高矿井生产效益具有重要意义。

本次试验使用中国煤炭科工集团有限公司重庆研究院自行研制的ZHS2420 本安型数码照相机、YJJ300 携带式激光测距仪、红蓝3D 眼镜、DHX3.6 LS（A）矿用本安型LED 照明灯和DHX7.4LS 矿用本安型LED 闪光灯，该套系统完全能够满足本次探测的要求。通过现场参数测试，确定拍摄采用相机P 模式，焦距设置为10 mm，曝光时间控制在1/15 s以内，数据稳定，采样精度高。

3 摄影地质编录系统工作面应用探析

工作面摄影地质编录是基于一期或多期的镶嵌影像进行编录的，首先利用手持激光测距仪快速测量工作面断面，并使用相机快速获取工作面影像，其次在影像处理的基础上，进行构造线绘制、属性编码、产状计算等一系列编录工作，最后生成编录效果图[3]。

3.1 工作面概况

1422 （1）工作面位于张集煤矿西二11-2 采区，煤层产状倾向为190°～210°，倾角为8°～13°，平均倾角10°，总体构造形态呈现为北高南低的单斜构造。煤岩类型为半暗至半亮型煤，局部发育单层夹矸，夹矸厚度为0.1～1.5 m。煤层直接顶板岩性为泥岩或砂质泥岩，老顶为粉细砂岩，直接底板以泥岩为主，老底为粉砂岩，底部含有11-1 煤。西二11-2 采区煤局部受断层及层滑构造影响，煤层变薄、变软，导致1422 （1）工作面煤层厚度为0.1～3.8 m，平均厚度为2.2 m。

3.2 工作面断面生成

首先将1422 （1）工作面的断面线折算成一系列连续的坡度变换点，然后依顺序连成折线，再根据工作面坡度变换点来确定断面分段。整个坡长可由液压支架宽度和个数计算而成。液压支架都是等宽的，通过测量得知，该工作面液压支架宽度为1.5 m，共有184 个。最后利用激光测距测得坡段的坡度、顶板高度（2.9 m）、拍摄距离（2.5～3.3 m）及支架高度（1.6～1.9 m）。

为进行断面计算和后期影像量测处理，需要建立一个工作面空间坐标系，将工作面中的采掘工作面作为平面处理。利用条件平差计算各点坐标，最终得到工作面各坡段平差改正后的坡度和长度。根据拍摄位置的支架编号、当前支架的坡度值及顶板高度以及建立好的坐标系即可得到当前工作面的断面图。整个巷道呈单斜构造，随着支架号的减小而降低。1422 （1）工作面两期断面图见图1。

3.3 工作面影像获取及处理

1422 （1）工作面断面较长、环境较差，因此对工作面进行选择性拍摄，即在重要地质结构处拍摄单张影像。为提高工作面影像空间的可测量性和影像获取效率，摄影时应保证有充足的光源、相机要保持平稳避免抖动（必要时可使用支架进行辅助），且与挡板要保持平行，保证摄影光轴垂直于工作面。

影像处理主要包括影像校正、影像镶嵌、影像测量；影像增强通过使用亮度调整、对比度调整、线性变换增强、非线性变换增强、分段线性增强、均匀化增强、规定化增强、空间滤波等技术，使工作面影像的质量得到提高，有效加强用户对图像的目视判读。经过畸变校正后的影像可基本认为是正射影像，投影到工作面上的边界坐标可根据相机像场角、拍摄位置、拍摄距离计算得到。

图11422 （1）采煤工作面两期断面图

3.4 工作面影像地质编录

1）像点空间坐标量测。工作面影像地质编录是基于多期的镶嵌影像实现地质构造绘制和岩层产状量测等功能的。首先利用工作面拍摄像片时的中心投影构像关系，获取像点的三维空间坐标；其次根据构像关系示意图结合拍摄距离、拍摄高度、像点坐标即可求得该点在工作面坐标系中的空间坐标；最后结合该工作面的起止坐标，将该点的空间坐标转换为大地坐标。

2）构造绘制以及属性录入。将通过筛选的像对，在工作面子系统中建立工作区，根据编录系统流程完成立体像对的处理分析后，即可进行地质编录。再以校正后的工作面影像作为地质编录底图，根据需要绘制构造线，进行构造线的属性计算和设置，并计算结构面倾向。图2 为绘制煤岩分界线的编录程序界面。

图2 绘制煤岩分界线的编录程序界面

3）产状计算。工作面产状计算，是通过计算不同回采时间点、工作面影像中的同一条构造线上的若干像点的空间三维坐标得到的。在1422 （1）回采工作面，134 号液压支架处有断层出现，结合两期工作面影像计算出的产状为倾向115°、倾角80°，与地质工作者人工测量的倾向120°、倾角75°的结果基本吻合，见图3。

图3 多期产状量计算

3.5 成果输出

编录完成后，输出到AutoCAD 中，并将编录好的数据存入数据库中保存，便于以后查询、统计与分析。输出到AutoCAD 中的编录结果，见图4。整个巷道为单斜构造，巷道高2.9 m，在134 号液压支架处有断层，结合多期影像测得断层产状为倾向115°、倾角80°；在121 号液压支架处有断层，结合多期影像测得断层产状为倾向116°、倾角47°，与实测结果基本吻合。

4 结论

综合分析，该摄影地质编录系统可获得与传统手工采集基本一致的地质信息结果，且精度较高，该系统使工作更具科学化、系统化，适合在矿井全面推广。具体体现在：该系统技术先进，能满足张集煤矿地质编录的需求，获取到更丰富、更真实的地质信息数据；井下平均工作时间较短，迎头面需要5～10 min，回采工作面需要20 min；产状量测结果准确，且精度较高，可达厘米级，同时增加了产状区间功能，对产状变化较大的构造在计算产状的同时能计算出产状的变化区间；数据由计算机自行计算，直接输出CAD 剖面图，减少了地质工作者在地面的工作量，且为非直接接触作业，人员安全性高；数据汇总整合便于管理，影像留存便于后续对现场地质情况的再次分析；设备由生产班组人员使用，可及时采集并查看图像信息，提升了地质编录的频率，使编录信息更准确、完整。

图4 AutoCAD 中的编录结果

下一步将对系统进行优化，以提升系统的便携性和易用性。改进方案：精简硬件设备，改善照明效果，采集更多煤岩巷帮部影像信息；升级三维地质编录技术，将所有的地质编录数据结合起来形成闭环，最终构建完整的巷道模型。