基于matlab圖像識別王莊礦后備區裂隙發育方位*

覃木廣

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室， 重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

0 引言

對于傳統裂隙觀測，經常采用地質錘和羅盤進行參數的測量，統計不同地質單元的裂隙參數，同拍攝的圖像進行數據比較，工作量非常大。而圖像測量只需要攝像機在裂隙發育區域進行拍攝，然后通過matlab軟件進行處理即可，其關鍵在于如何處理圖像的內容，也就是圖像識別的過程。圖像識別主要通過圖像二值化、分割增強、去雜、橋接等程序處理圖像[1-3]，得到裂隙的數據，圖像處理的結果可以直接反映數據的可靠程度。數碼攝影測量法如何實現圖像測量的智能化和準確化是目前需解決的主要問題，可通過對數字裂隙圖像的解譯，得到裂隙參數信息[4-7]。

以王莊礦后備區為例，依據現場實際情況，采用數碼攝影測量的方法，在井下拍攝照片，同時結合拍攝的裂隙圖像，通過幾何變換、圖像增強以及裂隙智能化識別等技術[8-12]，對圖像進行解譯和數據的提取，找出裂隙發育的優勢方位。

1 王莊礦后備區地質概況

王莊后備區處于劉家畛、安昌斷層以南至二崗山北斷層之間，以上構造方式組成了該區域的邊界，由于地質構造受燕山中晚期發育形成，大體方向為NE-SW。后備區內主要發育NNW、NW向寬緩的向、背斜，其主干構造為中華向斜、崔邵向斜、中華背斜、崔邵背斜，軸向總體延展方向為NW向，呈反“S”形，由此產生的NW、NNW向裂隙多呈現封閉性；同時受礦區構造控制，在第三紀形成NE、NEE向的斷裂表現為伸展作用，因此，后備區張裂隙延展方向主要為NE向。

2 煤層裂隙觀測與分析

2.1 煤層裂隙觀測

在91-105工作面0～700 m范圍內，每隔50 m對煤壁進行一次裂隙觀測（由于巷道情況復雜，間隔會存在一定偏差），采用觀測描述法，在觀測點使用羅盤進行測量。羅盤的原理就是磁針受到不均勻引力，從而產生磁傾角，而我國地理位置處于北半球，導致磁針兩端所受引力不同。在測量裂隙走向時，將羅盤沿煤層走向布置在一個水平面上，使它與煤層緊密貼合，待水準器平衡時讀出走向的角度；測量裂隙傾向就是測水平面垂直于走向方向的角度，將羅盤表面靠在煤層上，待水準器平衡時，讀出傾向的角度；測量傾角就是測量傾向線和傾斜線的角度，讓羅盤測面與煤層接觸，待水準器平衡時讀出傾角的角度。91-105工作面對0～700 m范圍內不同測點的裂隙觀測情況見表1。

在開采過程中，裂隙會受到采動的影響而不斷發育破壞，因此，在觀測時要選取受采動影響較小的裂隙進行觀測。在王莊礦91-105工作面對裂隙進行觀測，記錄煤層裂隙的發育情況，發現裂隙走向大體分為NEE和NW 2個方向，存在一定的分布規律，裂隙有明顯的張開，發育也較為均勻（裂隙密度在10 cm內可達10條以上）。隨著開采的不斷推進，根據觀測數據記錄，規定測量的范圍為20 m～700 m，并且劃分為4個地質單元，第I地質單元為20 m～200 m，該單元走向為NW，傾角為23°～60°；第II地質單元為200 m～500 m，該單元走向為NEE，傾角為43°～68°；第III地質單元為500 m～600 m，該單元走向為NW，傾角為49°～55°，第VI地質單元為 600 m～700 m，該單元走向為 NEE，傾角為54°～55°。裂隙走向主要是NW和NEE方向，并且呈現出交替變化，傾角主要集中在55°左右。

表1 91-105工作面裂隙參數

2.2 煤層裂隙圖像識別

2.2.1 煤層裂隙圖像采集

在各個地質單元選取比較完好的煤壁進行拍攝，拍攝角度要保證與煤壁垂直。

2.2.2 圖像裂隙識別的方法

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

將采集的圖像進行處理，使圖像儲存變小，并方便識別，圖像信息都是以二維數組的形式儲存，如圖1（b）、圖1（e）、圖1（h）和圖1（k）所示。然后對處理后圖像進行灰度變換，設定灰度閾值參數，最終在matlab程序中調用im2bw函數得到二值化的黑白圖像（見圖1（c）、圖1（f）、圖1（i）和圖1（r）），對應二維數組都是由1和0組成（0代表黑色，1代表白色）。此外，該程序識別角度就是將圖片分為6部分，每個區域30°，在matlab中可以對圖像進行 RGB色彩提取，打開圖像后，設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。

圖1 不同地質單元圖像識別過程

2.2.3 裂隙優勢發育方位

基于matlab程序圖像識別，識別各個裂隙地質單元的照片，根據所得角度的數據生成裂隙的傾向玫瑰花圖，見圖2。

由圖2可得出，該礦區91-105工作面不同地質單元裂隙的走向信息，第I地質單元走向為NW，傾角為308°；第II地質單元走向為NE，傾角為23°；第III地質單元走向為NW，傾角為307°；第VI地質單元走向為NEE，傾角為86°。走向雖有起伏變化，但主要就是NEE和NW 2個方向，每隔一段距離，裂隙方向會出現相互變化的規律。

圖2 不同地質單元裂隙走向玫瑰花圖

3 結論

（1）王莊礦后備區在地質構造應力的影響下，走向主要有2組，一組為NEE向，一組為NW向；依據現場裂隙觀測規律，將91-105工作面所測區域劃分了4個地質單元。

（2）煤層圖像對不同閾值進行二值化，識別出不同地質單元的裂隙參數信息，根據玫瑰花圖找出了裂隙的優勢方位，得出裂隙發育方位與現場所測裂隙發育方位大體走向保持一致，表明隙發育方位都有一定的規律可循。