基于matlab图像识别王庄矿后备区裂隙发育方位*

2021-03-02覃木广

采矿技术 2021年1期

覃木广

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

0 引言

对于传统裂隙观测，经常采用地质锤和罗盘进行参数的测量，统计不同地质单元的裂隙参数，同拍摄的图像进行数据比较，工作量非常大。而图像测量只需要摄像机在裂隙发育区域进行拍摄，然后通过matlab软件进行处理即可，其关键在于如何处理图像的内容，也就是图像识别的过程。图像识别主要通过图像二值化、分割增强、去杂、桥接等程序处理图像[1-3]，得到裂隙的数据，图像处理的结果可以直接反映数据的可靠程度。数码摄影测量法如何实现图像测量的智能化和准确化是目前需解决的主要问题，可通过对数字裂隙图像的解译，得到裂隙参数信息[4-7]。

以王庄矿后备区为例，依据现场实际情况，采用数码摄影测量的方法，在井下拍摄照片，同时结合拍摄的裂隙图像，通过几何变换、图像增强以及裂隙智能化识别等技术[8-12]，对图像进行解译和数据的提取，找出裂隙发育的优势方位。

1 王庄矿后备区地质概况

王庄后备区处于刘家畛、安昌断层以南至二岗山北断层之间，以上构造方式组成了该区域的边界，由于地质构造受燕山中晚期发育形成，大体方向为NE-SW。后备区内主要发育NNW、NW向宽缓的向、背斜，其主干构造为中华向斜、崔邵向斜、中华背斜、崔邵背斜，轴向总体延展方向为NW向，呈反“S”形，由此产生的NW、NNW向裂隙多呈现封闭性；同时受矿区构造控制，在第三纪形成NE、NEE向的断裂表现为伸展作用，因此，后备区张裂隙延展方向主要为NE向。

2 煤层裂隙观测与分析

2.1 煤层裂隙观测

在91-105工作面0～700 m范围内，每隔50 m对煤壁进行一次裂隙观测（由于巷道情况复杂，间隔会存在一定偏差），采用观测描述法，在观测点使用罗盘进行测量。罗盘的原理就是磁针受到不均匀引力，从而产生磁倾角，而我国地理位置处于北半球，导致磁针两端所受引力不同。在测量裂隙走向时，将罗盘沿煤层走向布置在一个水平面上，使它与煤层紧密贴合，待水准器平衡时读出走向的角度；测量裂隙倾向就是测水平面垂直于走向方向的角度，将罗盘表面靠在煤层上，待水准器平衡时，读出倾向的角度；测量倾角就是测量倾向线和倾斜线的角度，让罗盘测面与煤层接触，待水准器平衡时读出倾角的角度。91-105工作面对0～700 m范围内不同测点的裂隙观测情况见表1。

在开采过程中，裂隙会受到采动的影响而不断发育破坏，因此，在观测时要选取受采动影响较小的裂隙进行观测。在王庄矿91-105工作面对裂隙进行观测，记录煤层裂隙的发育情况，发现裂隙走向大体分为NEE和NW 2个方向，存在一定的分布规律，裂隙有明显的张开，发育也较为均匀（裂隙密度在10 cm内可达10条以上）。随着开采的不断推进，根据观测数据记录，规定测量的范围为20 m～700 m，并且划分为4个地质单元，第I地质单元为20 m～200 m，该单元走向为NW，倾角为23°～60°；第II地质单元为200 m～500 m，该单元走向为NEE，倾角为43°～68°；第III地质单元为500 m～600 m，该单元走向为NW，倾角为49°～55°，第VI地质单元为 600 m～700 m，该单元走向为 NEE，倾角为54°～55°。裂隙走向主要是NW和NEE方向，并且呈现出交替变化，倾角主要集中在55°左右。

表1 91-105工作面裂隙参数

2.2 煤层裂隙图像识别

2.2.1 煤层裂隙图像采集

在各个地质单元选取比较完好的煤壁进行拍摄，拍摄角度要保证与煤壁垂直。

2.2.2 图像裂隙识别的方法

煤层的裂隙在图像中以条带方式表现，不同的裂隙使得图像会有多个灰度值，从而出现多个灰度范围。因此，煤层图像需要在多次阈值条件下去二值化识别裂隙，以期更加准确地获取裂隙信息。

将采集的图像进行处理，使图像储存变小，并方便识别，图像信息都是以二维数组的形式储存，如图1（b）、图1（e）、图1（h）和图1（k）所示。然后对处理后图像进行灰度变换，设定灰度阈值参数，最终在matlab程序中调用im2bw函数得到二值化的黑白图像（见图1（c）、图1（f）、图1（i）和图1（r）），对应二维数组都是由1和0组成（0代表黑色，1代表白色）。此外，该程序识别角度就是将图片分为6部分，每个区域30°，在matlab中可以对图像进行 RGB色彩提取，打开图像后，设置红色的提取阈值和提取条件，这样就可以提取红色的裂隙参数。

图1 不同地质单元图像识别过程

2.2.3 裂隙优势发育方位

基于matlab程序图像识别，识别各个裂隙地质单元的照片，根据所得角度的数据生成裂隙的倾向玫瑰花图，见图2。

由图2可得出，该矿区91-105工作面不同地质单元裂隙的走向信息，第I地质单元走向为NW，倾角为308°；第II地质单元走向为NE，倾角为23°；第III地质单元走向为NW，倾角为307°；第VI地质单元走向为NEE，倾角为86°。走向虽有起伏变化，但主要就是NEE和NW 2个方向，每隔一段距离，裂隙方向会出现相互变化的规律。