隨著新一輪深部資源開(kāi)發(fā)和“智慧礦山”建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，井下地質(zhì)信息的數(shù)字化、智能化獲取已成為提升礦山安全與生產(chǎn)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中，巖體節(jié)理作為控制巷道圍巖穩(wěn)定性和工程災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的重要結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀信息長(zhǎng)期依賴人工編錄，存在效率低、主觀性強(qiáng)、難以規(guī)模化等問(wèn)題。針對(duì)井下復(fù)雜光照和多噪聲環(huán)境下小尺度節(jié)理難以精確識(shí)別的技術(shù)瓶頸，東北大學(xué)金長(zhǎng)宇團(tuán)隊(duì)聯(lián)合礦山企業(yè)，開(kāi)展了基于深度學(xué)習(xí)的巖體節(jié)理智能識(shí)別系統(tǒng)研究，提出了基于RC-FCN模型的巖體節(jié)理識(shí)別方法，為智慧礦山地質(zhì)信息自動(dòng)化編錄提供了新的技術(shù)路徑。

模型設(shè)計(jì)及技術(shù)路線

依托內(nèi)蒙古某有色金屬礦山705m中段巷道工程現(xiàn)場(chǎng)，研究團(tuán)隊(duì)以井下掌子面節(jié)理圖像為主要研究對(duì)象，構(gòu)建了覆蓋不同走向、不同光照條件和多種圍巖類型的節(jié)理圖像數(shù)據(jù)集。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)攝影、圖像裁剪與配準(zhǔn)、對(duì)比度增強(qiáng)以及伽馬校正等預(yù)處理手段，顯著提升了節(jié)理邊緣與背景之間的灰度對(duì)比度，為后續(xù)深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練提供了高質(zhì)量樣本基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合人工精細(xì)標(biāo)注結(jié)果，構(gòu)建了包含訓(xùn)練集與測(cè)試集的井下節(jié)理語(yǔ)義分割數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)了從“工程現(xiàn)場(chǎng)”到“可用于模型學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)樣本”的完整轉(zhuǎn)化。

Fig. 1 數(shù)據(jù)集清晰化處理

為解決傳統(tǒng)人工編錄與淺層圖像算法難以兼顧“復(fù)雜背景抑制”與“細(xì)長(zhǎng)節(jié)理保真”的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出了殘差注意力全卷積網(wǎng)絡(luò)（RC-FCN）模型。該模型以VGG16作為編碼器骨干網(wǎng)絡(luò)，引入ResNet殘差塊以增強(qiáng)深層特征表達(dá)能力，通過(guò)跨層特征復(fù)用改善梯度傳播效率，使模型能夠更好地捕捉巖體節(jié)理的多尺度、層次化結(jié)構(gòu)特征；同時(shí)嵌入通道—空間雙維度注意力模塊（CBAM），對(duì)節(jié)理邊緣響應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)加權(quán)，抑制水漬、粉塵、支護(hù)構(gòu)件等非目標(biāo)區(qū)域的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵節(jié)理區(qū)域的“聚焦式”識(shí)別。

Fig. 2 RC-FCN模型示意

工程應(yīng)用價(jià)值與發(fā)展展望

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將RC-FCN節(jié)理識(shí)別系統(tǒng)嵌入礦山地質(zhì)信息處理流程中，形成了“井下采集—圖像預(yù)處理—深度學(xué)習(xí)分割—節(jié)理參數(shù)自動(dòng)計(jì)算—成果可視化展示”的一體化智能編錄方案。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠顯著降低現(xiàn)場(chǎng)人工編錄工作量，提高節(jié)理信息獲取效率與客觀性；節(jié)理產(chǎn)狀數(shù)據(jù)可直接服務(wù)于巷道圍巖穩(wěn)定性分析、支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及三維地質(zhì)建模，為構(gòu)建礦山數(shù)字孿生體提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

總體來(lái)看，基于RC-FCN模型的巖體節(jié)理識(shí)別系統(tǒng)，有效突破了井下復(fù)雜環(huán)境下小尺度節(jié)理易丟失、人工編錄效率低且主觀性強(qiáng)等瓶頸，實(shí)現(xiàn)了從“經(jīng)驗(yàn)型編錄”向“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能識(shí)別”的轉(zhuǎn)變。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步面向強(qiáng)粉塵、強(qiáng)反光等極端工況場(chǎng)景，結(jié)合光照校正、對(duì)抗去噪與多模態(tài)數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，持續(xù)提升模型在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性與工程適用性，為深部礦山安全、高效、智能開(kāi)采提供更加堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

金長(zhǎng)宇

東北大學(xué)

教授

1979年生，博士，教授，畢業(yè)于大連理工大學(xué)，現(xiàn)為遼寧力學(xué)學(xué)會(huì)秘書長(zhǎng)，曾獲得2009年度浙江省新世紀(jì)151人才工程第三層次培養(yǎng)人員資金資助。主要從事巖石力學(xué)與數(shù)值模擬方法研究，室內(nèi)大型相似材料試驗(yàn)與巖土工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、巖石力學(xué)本構(gòu)模型研發(fā)與巖土工程安全性評(píng)價(jià)分析等研究工作。近年來(lái)主持、參與國(guó)家自然科學(xué)基金等縱向課題6項(xiàng)，負(fù)責(zé)、參與各類橫向課題20余項(xiàng)，累計(jì)科研進(jìn)款千余萬(wàn)元，獲得中國(guó)黃金協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，發(fā)表論文30余篇，其中被SCI收錄10余篇，EI收錄10余篇，獲得國(guó)家發(fā)明專利5項(xiàng)。

《金屬礦山》簡(jiǎn)介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國(guó)金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國(guó)工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國(guó)科技核心期刊）、中國(guó)精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來(lái)源期刊）、中國(guó)百?gòu)?qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國(guó)期刊方陣雙百期刊、國(guó)家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國(guó)化學(xué)文摘（CA）、美國(guó)劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測(cè)量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國(guó)家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國(guó)科技信息研究所發(fā)布的《2024中國(guó)科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：曾文旭

編排：余思晨

審核：王小兵

利用提供參考依據(jù)。

供稿：曾文旭

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