【2025年华为杯C题】围岩裂隙精准识别与三维模型重构思路、Matlab代码、论文

最新推荐文章于 2025-09-21 14:12:07 发布

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🔥 题目

煤炭是我国的主要能源，国家特别注重发展新质生产力实现煤矿安全、高效、智能化开采。井工煤矿开采是一个复杂的地下工程系统（如图1所示），其中巷道作为煤炭生产的咽喉和必要工程，承担着井下通风、材料及煤炭运输等关键功能。然而，巷道围岩内部肉眼难见的裂隙网络，常因探测不清、不准，不及时控制而引发冒顶、突水、瓦斯突出等安全事故，严重威胁生命财产安全[1,2]。因此，定量分析裂隙的几何特征，对煤矿安全生产具有重要意义。

图1 井工煤矿开采示意图[3]

传统围岩探测方法仍以“地质切片式”的岩芯取样为主，具有耗时长、成本高、劳动强度大的缺点。相比之下，钻孔成像技术则充分利用煤矿巷道锚杆支护过程中形成的钻孔对孔壁岩层进行高精度扫描，实现岩层内部结构的可视化数据采集。该技术的核心组件包括探头、主机、深度计数器、推杆和电缆线等。其中，探头一般采用高清摄像头，可对孔壁岩层进行360°全景扫描，并通过电缆线将高清图像传输至主机[4,5]。操作时，将探头安装在推杆上人工匀速推进，深度计数器通过监测电缆线的放出长度实时记录探头的位置。

钻孔成像展开图呈现岩体内部的二维裂隙图像。实际地质环境中，裂隙通常为复杂的三维曲面结构，但大部分曲率较低，可近似视为平面。当该平面与钻孔中轴线斜交时，其与钻孔表面的交线呈椭圆形。在直径均为30mm的钻孔成像展开图中，这种椭圆交线表现为具有周期性变化的正弦曲线，称为“正弦状”裂隙。这是平面裂隙在柱坐标系展开后的典型表现，在煤系地层钻孔成像中较为常见，如图3所示[7]。

然而，图像中的“正弦状”曲线并非都是裂隙，也可能是岩层界面。可依据“张开距离”和“填充材质”进行判断：若曲线有明显张开（展开图中裂隙宽度超过1mm）且内部被水、气体或其他与岩石基质不同的物质填充，则可判断为裂隙。反之，若曲线两侧紧密贴合、无明显张开，且两边岩石过渡自然连续，则判断为岩层界面。

在准确区分裂隙与岩层界面后，钻孔成像技术在实际应用中仍面临三大难题：①地质“杂音”干扰大——岩石天然纹理、孔壁残留泥浆、钻头钻进痕迹在图像中形成的干扰；②人工判读耗时长——资深工程师需要依赖经验耗费3-5小时分析单孔图像，且不同专家判断结果差异性大；③地质模型重构难——现有技术难以将不同钻孔的二维图像拼接成连续的三维地质模型。

在钻孔成像实施过程中，我们精选了典型煤系地层（如图4所示）的随钻探测图像作为研究数据。

图4 煤系常见地质构造图（改绘自文献[8]）

请利用“附件”中的数据集，解决以下问题：

问题1：基于像素分类的裂隙智能识别

钻孔成像展开图中的裂隙识别是后续所有问题研究的基础。然而，实际钻孔成像展开图中存在大量干扰因素，例如岩石天然纹理、孔壁残留泥浆、钻头钻进痕迹、图像拼接线等，如图5所示。这些干扰因素在图像中往往与真实裂隙呈现相似的视觉特征，使得裂隙识别面临严峻挑战。完整题目第二部分下载。

📣 思路

煤炭，作为我国能源结构中的中流砥柱，长期占据着主体能源的关键地位。国家能源局明确指出，煤炭不仅是重要的燃料，更是不可或缺的工业原料，在我国能源安全保障中发挥着 “压舱石” 作用。从能源占比数据来看，煤炭在我国能源结构中的占比约达 57%，远超石油、天然气以及其他新能源的占比之和。在过去的十年间，我国煤炭产量持续攀升，2023 年原煤产量更是达到了 47.1 亿吨，同比增长 3.4%，创下历史新高。这一数据充分彰显了煤炭在我国能源供应中的核心地位。

在当前 “双碳” 目标的引领下，煤矿智能化开采已成为行业发展的必然趋势。智能化开采通过引入先进的信息技术、自动化设备以及人工智能技术，实现了煤炭开采的高效、安全与绿色。例如，内蒙古黑岱沟露天矿全面应用智能化开采技术，载重超 300 吨的无人驾驶矿卡借助 5G 网络接收指令，沿预设路线自动运行；巨型电铲精准装载土石，全过程无需人工干预。整个矿山系统响应速度达 0.001 秒，实现了近 40 台设备的协同作业。同时，矿山部署的感知网络包含多重监测系统，激光雷达与 4D 光场可实现 250 米范围微物识别，高精度雷达可监测 1 毫米级山体位移。

巷道作为煤炭生产的关键通道，承担着井下通风、材料及煤炭运输等核心功能，其稳定性直接关乎煤矿生产的安全与效率。然而，巷道围岩内部存在着复杂的裂隙网络，这些裂隙犹如隐藏在暗处的 “定时炸弹”，常因探测不清、不准，不及时控制而引发冒顶、突水、瓦斯突出等严重安全事故。据相关统计数据显示，在过去的几年中，因巷道围岩裂隙问题引发的安全事故占煤矿事故总数的相当比例，给生命财产安全带来了巨大损失。因此，精准探测和定量分析巷道围岩裂隙的几何特征，对于保障煤矿安全生产、提高开采效率具有至关重要的意义，是实现煤矿智能化开采的关键环节之一。

传统探测困境：高耗低效的难题

在煤矿巷道围岩探测的漫长发展历程中，传统的 “地质切片式” 岩芯取样方法长期占据主导地位。这种方法如同从时间长河中截取片段，通过从钻孔中获取岩芯样本，来推断围岩内部的结构和特性。它需要耗费大量的时间进行钻孔、取芯、运输和实验室分析等一系列繁琐流程。在实际操作中，每一次岩芯取样都如同一场耗时费力的工程，从准备工作到最终获取分析结果，往往需要数天甚至数周的时间。

成本高昂也是传统方法难以回避的痛点。钻孔设备的租赁或购置费用、专业技术人员的薪酬、运输过程中的费用以及实验室分析的成本等，使得单次岩芯取样的成本居高不下。对于大规模的煤矿开采项目来说，需要进行大量的岩芯取样，这无疑极大地增加了煤矿开采的成本。劳动强度大同样是传统方法的显著弊端。技术人员需要在井下艰苦的环境中进行钻孔、取芯等操作，不仅要承受身体上的劳累，还要面临潜在的安全风险。

相比之下，钻孔成像技术犹如一道曙光，为煤矿巷道围岩探测带来了新的希望。它充分利用煤矿巷道锚杆支护过程中形成的钻孔，对孔壁岩层进行高精度扫描，实现了岩层内部结构的可视化数据采集。这一过程就像是为巷道围岩做了一次 “CT 扫描”，能够快速、直观地呈现出岩层内部的结构和裂隙情况。其核心组件包括探头、主机、深度计数器、推杆和电缆线等，各个组件紧密配合，协同工作。其中，探头一般采用高清摄像头，可对孔壁岩层进行 360° 全景扫描，并通过电缆线将高清图像传输至主机。操作时，将探头安装在推杆上人工匀速推进，深度计数器通过监测电缆线的放出长度实时记录探头的位置。整个操作过程简单高效，大大缩短了探测时间，降低了劳动强度。与传统的岩芯取样方法相比，钻孔成像技术的成本大幅降低，同时能够提供更丰富、更准确的岩层信息，为煤矿安全生产提供了有力的技术支持。

钻孔成像技术：原理与核心组件

（一）工作原理剖析

钻孔成像技术的诞生，为煤矿巷道围岩探测带来了一场技术革命。其工作原理巧妙地利用了煤矿巷道锚杆支护过程中已有的钻孔，将其转化为获取岩层内部信息的 “窗口” 。这一过程如同医生借助胃镜深入人体内部进行检查，钻孔成像技术通过将特制的探头深入钻孔，对孔壁岩层进行全方位、高精度的扫描。

在实际操作中，探头就像一个敏锐的观察者，以 360° 全景扫描的方式，细致地捕捉孔壁岩层的每一个细节。这些细节信息以高清图像的形式，通过电缆线实时传输至主机。主机则如同大脑，对传输过来的图像数据进行接收、存储和初步处理。通过这种方式，原本隐藏在地下深处、肉眼无法直接观测的岩层内部结构，以直观的可视化数据呈现在技术人员面前。

（二）核心组件介绍

探头：作为钻孔成像技术的 “眼睛”，探头承担着获取图像信息的关键任务。通常采用高清摄像头，其具备卓越的图像捕捉能力，能够清晰地拍摄到孔壁岩层的纹理、裂隙等细微特征。以某型号的钻孔成像仪探头为例，其配备了分辨率高达 4K 的高清摄像头，能够捕捉到毫米级别的岩层细节，为后续的分析提供了高精度的数据基础。

主机：主机是整个钻孔成像系统的 “大脑”，负责接收、存储和处理来自探头的图像数据。它不仅具备强大的数据处理能力，还配备了专业的图像分析软件，能够对图像进行增强、滤波、分割等处理，以提高图像的质量和可辨识度。一些先进的主机还具备实时分析功能，能够在图像采集的同时，对岩层结构和裂隙情况进行初步的判断和分析。

深度计数器：深度计数器就像是一个精准的 “里程表”，通过监测电缆线的放出长度，实时记录探头在钻孔中的位置。这一功能为图像数据提供了准确的深度信息，使得技术人员能够将图像与钻孔的具体位置对应起来，从而更准确地了解岩层结构在不同深度的变化情况。例如，在某煤矿的巷道围岩探测中，深度计数器的精度达到了厘米级，为后续的地质分析提供了可靠的位置数据。

推杆：推杆是将探头送入钻孔的重要工具，操作人员通过它将探头匀速推进钻孔，确保探头能够稳定地获取孔壁图像。推杆的材质通常选用高强度、耐腐蚀的材料，以适应井下复杂的工作环境。在实际操作中，推杆的长度和直径可以根据钻孔的深度和直径进行选择，以满足不同的探测需求。

电缆线：电缆线是连接探头和主机的 “桥梁”，负责传输图像数据和控制信号。它不仅需要具备良好的导电性能，还需要具备防水、耐磨、抗干扰等特性，以确保数据传输的稳定和准确。一些先进的电缆线采用了光纤传输技术，大大提高了数据传输的速度和质量，减少了信号干扰和衰减。

在实际工作中，这些核心组件紧密协作，共同完成钻孔成像的任务。操作人员首先将探头安装在推杆上，然后通过推杆将探头缓慢地送入钻孔。在推进过程中，深度计数器实时记录探头的位置，探头对孔壁岩层进行 360° 全景扫描，并将采集到的高清图像通过电缆线传输至主机。主机接收到图像数据后，进行存储和处理，最终呈现出清晰的岩层内部结构图像，为煤矿安全生产提供了有力的技术支持。

裂隙识别：从图像到安全保障

（一）“正弦状” 裂隙解读

在钻孔成像展开图中，“正弦状” 裂隙的形成原理与实际地质环境中裂隙的三维结构密切相关。实际地质环境中的裂隙通常是复杂的三维曲面结构，但大部分曲率较低，可近似视为平面。当这些近似平面的裂隙与钻孔中轴线斜交时，其与钻孔表面的交线呈椭圆形。在直径均为 30mm 的钻孔成像展开图中，这种椭圆交线在柱坐标系展开后就表现为具有周期性变化的正弦曲线，即 “正弦状” 裂隙。这是平面裂隙在柱坐标系展开后的典型表现，在煤系地层钻孔成像中较为常见。

这种 “正弦状” 裂隙具有独特的特征，其曲线的周期性变化反映了裂隙与钻孔的相交角度和位置关系。通过对 “正弦状” 裂隙曲线的分析，可以获取裂隙的倾向、倾角等重要参数，这些参数对于评估巷道围岩的稳定性具有重要意义。在某煤矿的钻孔成像数据中，通过对 “正弦状” 裂隙的分析，准确判断出了围岩中存在的潜在滑动面，为后续的支护设计提供了关键依据。

（二）裂隙与岩层界面区分

在钻孔成像展开图中，准确区分裂隙与岩层界面是进行后续分析的关键步骤。依据 “张开距离” 和 “填充材质” 可以有效地进行判断。若曲线有明显张开，在展开图中裂隙宽度超过 1mm，且内部被水、气体或其他与岩石基质不同的物质填充，则可判断为裂隙。这是因为裂隙的张开为这些物质的填充提供了空间，使其与周围的岩石基质形成明显的差异。

反之，若曲线两侧紧密贴合、无明显张开，且两边岩石过渡自然连续，则判断为岩层界面。岩层界面是岩石层之间的自然分界面，其两侧的岩石在成分和结构上具有一定的连续性，没有明显的张开和填充物质的差异。在实际操作中，技术人员可以通过仔细观察图像中曲线的细节特征，结合 “张开距离” 和 “填充材质” 的判断标准，准确地区分裂隙与岩层界面。例如，在对某煤矿钻孔成像图像的分析中，技术人员通过观察曲线的张开情况和填充物质，成功区分出了裂隙和岩层界面，为后续的地质分析提供了准确的数据基础。

应用挑战：前行路上的阻碍

尽管钻孔成像技术为煤矿巷道围岩探测带来了显著的技术革新，但在实际应用中，它仍面临着诸多严峻的挑战，这些挑战犹如一道道障碍，阻碍着该技术在煤矿开采领域的全面推广和深入应用。

地质 “杂音” 干扰大是钻孔成像技术面临的首要难题。岩石天然纹理、孔壁残留泥浆、钻头钻进痕迹以及图像拼接线等干扰因素，在钻孔成像展开图中无处不在。这些干扰因素与真实裂隙呈现出极为相似的视觉特征，就像隐藏在黑暗中的伪装者，使得技术人员在识别裂隙时犹如大海捞针，困难重重。岩石天然纹理的复杂性使得其与裂隙的界限难以区分，孔壁残留泥浆可能会掩盖真实的裂隙信息，钻头钻进痕迹则可能被误判为裂隙，而图像拼接线也会对图像的连续性和准确性产生影响，从而增加了裂隙识别的难度。

人工判读耗时长也是一个不容忽视的问题。在实际操作中，即使是经验丰富的资深工程师，也需要依赖大量的经验和专业知识，耗费 3 - 5 小时来分析单孔图像。这一过程不仅效率低下，而且不同专家的判断结果往往存在较大的差异性。由于每个人的经验和判断标准不同，对于同一幅钻孔成像图像，不同专家可能会得出不同的裂隙识别结果，这无疑会对后续的煤矿开采决策产生不利影响。这种差异性也使得数据的准确性和可靠性大打折扣，难以满足煤矿安全生产对于精准数据的需求。

地质模型重构难同样是钻孔成像技术应用中的一大挑战。现有技术在将不同钻孔的二维图像拼接成连续的三维地质模型时，面临着巨大的困难。煤矿巷道围岩的地质结构复杂多变，不同钻孔之间的地质信息存在着差异和不确定性，这使得二维图像的拼接变得异常困难。由于缺乏有效的算法和技术手段，难以准确地将不同钻孔的二维图像进行融合和匹配，从而无法构建出连续、准确的三维地质模型。而三维地质模型对于全面了解巷道围岩的结构和裂隙分布至关重要，它能够为煤矿开采提供更直观、更准确的地质信息，帮助技术人员制定更合理的开采方案。因此，地质模型重构难的问题严重制约了钻孔成像技术在煤矿开采中的应用效果。