覃木廣

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

0 引言

對(duì)于傳統(tǒng)裂隙觀測(cè)，經(jīng)常采用地質(zhì)錘和羅盤進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量，統(tǒng)計(jì)不同地質(zhì)單元的裂隙參數(shù)，同拍攝的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，工作量非常大。而圖像測(cè)量只需要攝像機(jī)在裂隙發(fā)育區(qū)域進(jìn)行拍攝，然后通過matlab軟件進(jìn)行處理即可，其關(guān)鍵在于如何處理圖像的內(nèi)容，也就是圖像識(shí)別的過程。圖像識(shí)別主要通過圖像二值化、分割增強(qiáng)、去雜、橋接等程序處理圖像[1-3]，得到裂隙的數(shù)據(jù)，圖像處理的結(jié)果可以直接反映數(shù)據(jù)的可靠程度。數(shù)碼攝影測(cè)量法如何實(shí)現(xiàn)圖像測(cè)量的智能化和準(zhǔn)確化是目前需解決的主要問題，可通過對(duì)數(shù)字裂隙圖像的解譯，得到裂隙參數(shù)信息[4-7]。

以王莊礦后備區(qū)為例，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用數(shù)碼攝影測(cè)量的方法，在井下拍攝照片，同時(shí)結(jié)合拍攝的裂隙圖像，通過幾何變換、圖像增強(qiáng)以及裂隙智能化識(shí)別等技術(shù)[8-12]，對(duì)圖像進(jìn)行解譯和數(shù)據(jù)的提取，找出裂隙發(fā)育的優(yōu)勢(shì)方位。

1 王莊礦后備區(qū)地質(zhì)概況

王莊后備區(qū)處于劉家畛、安昌斷層以南至二崗山北斷層之間，以上構(gòu)造方式組成了該區(qū)域的邊界，由于地質(zhì)構(gòu)造受燕山中晚期發(fā)育形成，大體方向?yàn)镹E-SW。后備區(qū)內(nèi)主要發(fā)育NNW、NW向?qū)捑彽南颉⒈承?，其主干?gòu)造為中華向斜、崔邵向斜、中華背斜、崔邵背斜，軸向總體延展方向?yàn)镹W向，呈反“S”形，由此產(chǎn)生的NW、NNW向裂隙多呈現(xiàn)封閉性；同時(shí)受礦區(qū)構(gòu)造控制，在第三紀(jì)形成NE、NEE向的斷裂表現(xiàn)為伸展作用，因此，后備區(qū)張裂隙延展方向主要為NE向。

2 煤層裂隙觀測(cè)與分析

2.1 煤層裂隙觀測(cè)

在91-105工作面0～700 m范圍內(nèi)，每隔50 m對(duì)煤壁進(jìn)行一次裂隙觀測(cè)（由于巷道情況復(fù)雜，間隔會(huì)存在一定偏差），采用觀測(cè)描述法，在觀測(cè)點(diǎn)使用羅盤進(jìn)行測(cè)量。羅盤的原理就是磁針受到不均勻引力，從而產(chǎn)生磁傾角，而我國(guó)地理位置處于北半球，導(dǎo)致磁針兩端所受引力不同。在測(cè)量裂隙走向時(shí)，將羅盤沿煤層走向布置在一個(gè)水平面上，使它與煤層緊密貼合，待水準(zhǔn)器平衡時(shí)讀出走向的角度；測(cè)量裂隙傾向就是測(cè)水平面垂直于走向方向的角度，將羅盤表面靠在煤層上，待水準(zhǔn)器平衡時(shí)，讀出傾向的角度；測(cè)量?jī)A角就是測(cè)量?jī)A向線和傾斜線的角度，讓羅盤測(cè)面與煤層接觸，待水準(zhǔn)器平衡時(shí)讀出傾角的角度。91-105工作面對(duì)0～700 m范圍內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的裂隙觀測(cè)情況見表1。

在開采過程中，裂隙會(huì)受到采動(dòng)的影響而不斷發(fā)育破壞，因此，在觀測(cè)時(shí)要選取受采動(dòng)影響較小的裂隙進(jìn)行觀測(cè)。在王莊礦91-105工作面對(duì)裂隙進(jìn)行觀測(cè)，記錄煤層裂隙的發(fā)育情況，發(fā)現(xiàn)裂隙走向大體分為NEE和NW 2個(gè)方向，存在一定的分布規(guī)律，裂隙有明顯的張開，發(fā)育也較為均勻（裂隙密度在10 cm內(nèi)可達(dá)10條以上）。隨著開采的不斷推進(jìn)，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄，規(guī)定測(cè)量的范圍為20 m～700 m，并且劃分為4個(gè)地質(zhì)單元，第I地質(zhì)單元為20 m～200 m，該單元走向?yàn)镹W，傾角為23°～60°；第II地質(zhì)單元為200 m～500 m，該單元走向?yàn)镹EE，傾角為43°～68°；第III地質(zhì)單元為500 m～600 m，該單元走向?yàn)镹W，傾角為49°～55°，第VI地質(zhì)單元為 600 m～700 m，該單元走向?yàn)?NEE，傾角為54°～55°。裂隙走向主要是NW和NEE方向，并且呈現(xiàn)出交替變化，傾角主要集中在55°左右。

表1 91-105工作面裂隙參數(shù)

2.2 煤層裂隙圖像識(shí)別

2.2.1 煤層裂隙圖像采集

在各個(gè)地質(zhì)單元選取比較完好的煤壁進(jìn)行拍攝，拍攝角度要保證與煤壁垂直。

2.2.2 圖像裂隙識(shí)別的方法

煤層的裂隙在圖像中以條帶方式表現(xiàn)，不同的裂隙使得圖像會(huì)有多個(gè)灰度值，從而出現(xiàn)多個(gè)灰度范圍。因此，煤層圖像需要在多次閾值條件下去二值化識(shí)別裂隙，以期更加準(zhǔn)確地獲取裂隙信息。

將采集的圖像進(jìn)行處理，使圖像儲(chǔ)存變小，并方便識(shí)別，圖像信息都是以二維數(shù)組的形式儲(chǔ)存，如圖1（b）、圖1（e）、圖1（h）和圖1（k）所示。然后對(duì)處理后圖像進(jìn)行灰度變換，設(shè)定灰度閾值參數(shù)，最終在matlab程序中調(diào)用im2bw函數(shù)得到二值化的黑白圖像（見圖1（c）、圖1（f）、圖1（i）和圖1（r）），對(duì)應(yīng)二維數(shù)組都是由1和0組成（0代表黑色，1代表白色）。此外，該程序識(shí)別角度就是將圖片分為6部分，每個(gè)區(qū)域30°，在matlab中可以對(duì)圖像進(jìn)行 RGB色彩提取，打開圖像后，設(shè)置紅色的提取閾值和提取條件，這樣就可以提取紅色的裂隙參數(shù)。

圖1 不同地質(zhì)單元圖像識(shí)別過程

2.2.3 裂隙優(yōu)勢(shì)發(fā)育方位

基于matlab程序圖像識(shí)別，識(shí)別各個(gè)裂隙地質(zhì)單元的照片，根據(jù)所得角度的數(shù)據(jù)生成裂隙的傾向玫瑰花圖，見圖2。

由圖2可得出，該礦區(qū)91-105工作面不同地質(zhì)單元裂隙的走向信息，第I地質(zhì)單元走向?yàn)镹W，傾角為308°；第II地質(zhì)單元走向?yàn)镹E，傾角為23°；第III地質(zhì)單元走向?yàn)镹W，傾角為307°；第VI地質(zhì)單元走向?yàn)镹EE，傾角為86°。走向雖有起伏變化，但主要就是NEE和NW 2個(gè)方向，每隔一段距離，裂隙方向會(huì)出現(xiàn)相互變化的規(guī)律。

圖2 不同地質(zhì)單元裂隙走向玫瑰花圖

3 結(jié)論

（1）王莊礦后備區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的影響下，走向主要有2組，一組為NEE向，一組為NW向；依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裂隙觀測(cè)規(guī)律，將91-105工作面所測(cè)區(qū)域劃分了4個(gè)地質(zhì)單元。

（2）煤層圖像對(duì)不同閾值進(jìn)行二值化，識(shí)別出不同地質(zhì)單元的裂隙參數(shù)信息，根據(jù)玫瑰花圖找出了裂隙的優(yōu)勢(shì)方位，得出裂隙發(fā)育方位與現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)裂隙發(fā)育方位大體走向保持一致，表明隙發(fā)育方位都有一定的規(guī)律可循。