矿井三维地质编录系统在煤矿巷道编录的应用

单礼岩

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

0 引言

煤炭是我国的基础能源之一，在能源消费构成中占比超过55%，在相当长时期内，煤炭的主体能源地位不会改变，煤炭能源将继续为我国国民经济发展提供有力支撑。

煤矿井下地质编录对保障煤矿的安全生产有着重要的意义，为了解决矿井生产时期的地质问题，保证矿井建设和生产的高速进行，使煤炭资源得以合理的开发利用，需要对矿井进行地质编录。地质编录工作是支持煤矿安全高效生产的一项重要的基础技术工作。及时、准确、客观的记录采掘工程中不断揭露的地质现象，筛选和处理有用的地质信息，研究地质条件及其变化规律，为矿井安全生产提供科学可靠的地质情报，是现代化矿井对地质工作的根本要求[1-2]。

目前亟需解决的问题主要体现在以下几个方面：

1)传统编录手段遇到的问题：不适应高质量发展矿井对编录工作的要求。2)矿井地质编录工作的基本要求：及时、客观、高质、高效。3)现代化矿井对地质工作的要求：提供科学、可靠的地质情报。4)忽视地质编录工作的后果：影响正常生产、造成安全事故[3-5]。

如何解决煤矿地质编录工作存在的这一现实问题，减轻煤矿地质工作人员大量烦琐的内、外业工作量，使传统的地质编录工作同煤矿机械化、自动化、数字化工作同步发展，有效地服务于现代化矿井建设，使地质编录工作手段先进、数据可靠，编录成果科学化、标准化、规范化，已经成为辛勤工作在煤矿现场的地质工作者的殷切期望[6]。

我国煤炭地质领域对于勘探生产及地质认识成果主要是以二维图件的形式进行展示，这种对真实三维世界的抽象表达方式，必然存在一些不足，不利于对矿区内地质现象进行直观的查看和分析，而基于摄影测量地质编录方法真实还原井下三维地质空间，对左右帮部、顶底板地质对象进行观测，故而，真三维地质编录方法是地质编录方法的研究方向，同时增加编录智能化程度，减少人工干预。

1 系统简介

1.1 系统来源

系统将多基线近景摄影测量理论应用于煤矿地质编录及三维空间重建，将井下获取的地质影像图片使用三维建模软件进行建模，再使用三维地质编录系统对三维模型进行定位，通过自动计算、交互式编录提取影像中地质信息，自动生成素描图、剖面图等标准化图纸[7-8]。

相较于传统的地质编录工作，实现了巷道、掘进迎头面实景三维建模，影像成图精度高、三维效果逼真。通过数据处理可在影像成果图上精确量取点距、测算岩层和断层产状、体现巷道的起伏形态、煤岩层构成、构造变化情况，为今后的巷道布置提供了有力的依据。而且该设备较为轻便，携带方便，在缩短技术人员工作时长的情况下，可缓解地质资料搜集缓慢与快速生产之间的冲突。

系统提升了地质信息资料的数字化、精确化、自动化、出图标准化，在保证简单操作的前提下，减人提效，将井下场景搬到井上处理，并进一步提升地质编录测量精度。

1.2 系统组成

1.2.1 硬件设备

硬件部分包括ZHS2420(A)本安型数码照相机、矿用本安型电池箱、矿用本安型LED照明灯、矿用本安型LED闪光灯、携带式激光测距仪、矿用电子罗盘、摄影测量控制架、标志杆及高性能数据处理终端等组成。部分硬件设备如图1所示。

1.2.2 软件模块

软件主要模块是实景三维地质编录模块以及煤矿出图模块等，如图2所示。

具体模块功能如下：

1)单帮三维地质编录。使用单帮正射影像建立侧帮的三维地形模型，通过定向解算及三维建模，可以多角度观察该帮地貌、地质构造变化、坐标查询、距离测量、勾画要素加以编录。2)巷道三维地质编录。将采集到的巷道影像资料通过空三解算得到巷道影像的采集位姿，并建立巷道三维实景模型，该模型可将巷道进行实景还原，并对该巷道的地形、起伏、走向及地质构造变化加以清晰展示，并对出现的构造变化进行编录工作。3)煤矿出图模块。煤矿出图模块主要以矿山标准化出图结果为模板，可出图模板包括巷道剖面图、掘进工作面剖面图、断层素描卡以及陷落柱素描卡，进一步可根据矿方需求进行定制化的模板。

1.2.3 技术指标

系统技术指标如表1所示。

表1 技术指标

2 工程应用

2.1 试验场地概况

依托试验场地为杜儿坪矿北一辅助运输大巷延伸掘进巷道，该巷道沿8号煤顶板施工，试验区段8号煤层厚度稳定，8号煤厚5.1 m～5.4 m左右，含一层2.2 m～3.0 m的夹石，岩性为砂质泥岩。含一层0.5 m左右的伪顶，岩性为钙质泥岩。8号煤直接顶：L1石灰岩1.34 m～3.02 m。8号煤直接底：细砂岩1.50 m～3.70 m。巷道掘进方向245°30′，煤层倾向为北西向，巷道施工方向煤岩层产状1°～5°，平均3°。

2.2 系统应用流程图

矿井三维地质编录系统在煤矿巷道编录的应用流程如下：设置相机参数→采集图像→三维建模→模型定向→地质编录→出图。

通过现场参数测试，确定了拍摄采用相机的P模式，焦距设置为18 mm，曝光时间控制在1/15 s以内，数据稳定，采样精度高。

2.3 单帮三维编录的应用

1)单帮地质影像采集。

沿着洞轴线向前走，手持相机正对单帮拍摄，每走一步(0.6 m左右)拍摄一张照片，拍摄方法如图3所示。

2)三维建模及地质编录。

试验在北一辅助运输大巷延伸掘进工作面采集图像，采集图片31幅，部分地质图像如图4所示。第一步是影像处理分析，通过空三解算计算出掘进工作面实景图像拍摄的位姿，如图5所示。

3)侧帮三维展示及编录。

试验在北一辅助运输大巷延伸掘进工作面采集图像，经系统软件处理可生成三维实景模型，单帮三维实景模型如图6所示。

在实景三维模块中进行编录，技术人员通过在三维模型上绘制地质结构面/线/点、产状计算(自动)、地质属性录入(填表)、巷高、煤厚的量测，最终通过人机交互自动生成煤矿标准化图纸。经过量测比对，模型量测揭露巷高2.993 m，设计巷高3 m，存在cm级误差。

4)成果输出。

编录完成之后，自动连接CAD软件并生成标准化剖面图。杜儿坪矿北一辅助运输大巷延伸掘进工作面剖面图如图7所示。

2.4 巷道三维编录的应用

1)地质影像采集。

采集影像资料时，大致沿着洞轴线方向前进，手持相机沿巷道轴线方向拍摄，每走一步(0.6 m～1.2 m左右)拍摄一张照片，拍摄方法如图8所示。

2)三维建模及地质编录。

试验在北一辅助运输大巷延伸巷道采集图像，采集图片88幅，部分地质图像如图9所示。第一步是影像处理分析，通过空三解算计算出掘进工作面实景图像拍摄的位姿，如图10所示。

3)三维建模及地质编录。

试验在北一辅助运输大巷延伸巷道采集影像，经系统软件处理，建立成巷道三维模型，并完成模型定向解算，可进行可视化编录，巷道三维实景模型如图11所示。

在实景三维模块中的编录工作主要是通过技术人员在模型上勾画地质结构面/线/点，然后软件根据勾画的结构面/线自动进行产状计算，通过对地质属性录入和巷高、煤厚的量测，最终自动生成煤矿标准化图纸。经过量测比对，模型量测巷高3.566 m，巷宽5.959 m，断层产状257.4°∠68.1°，断距2.282 m。

4)成果输出。

编录完成之后，自动生成CAD图。杜儿坪矿北一辅助运输大巷延伸巷道剖面图如图12所示。

3 结论

通过在杜儿坪矿掘进巷道的实际应用，得到如下结论：

1)系统可根据巷道建立实景三维，较传统的编录仪增加处理软件，可在影像成果图上精确地量取任意两点间距、测算岩层或断层产状。

2)通过对掘进巷道的编录，可以完整地再现巷道的起伏形态、巷道煤岩层构成及构造变化情况、巷道布置情况等。

3)产状量测结果准确，且精度较高，精度可达cm级。

4)数据由计算机自行计算，直接输出CAD剖面图，减少地质工作者在地面的工作量。

5)获取到更丰富、真实的地质信息数据。

6)影像留存，便于后续对现场地质情况的再次分析。

系统所获得各种地质信息的真实性和丰富程度可代替和弥补传统手工方式的不足，而且大部分计算作业通过计算机完成，实现数据资料的采集、编辑、计算、成图、输出一体化作业，极大地减少了工作量，提高地质编录的质量、频率、效率，减轻地质工作人员负担，丰富地质资料，为促进地质专业信息化建设提供了现实意义。