金属非金属矿山井下围岩安全稳定性智能检测分级系统用

1. 引言

地下矿山开采过程中，围岩稳定性直接关系到矿井安全与人员生命。金属非金属矿山地质条件复杂，岩体结构多变，传统人工检测方法工作量大、效率低、主观性强。近年来，三维测量技术、计算机视觉与人工智能技术的发展，为非接触式岩体结构识别与稳定性评估提供了新途径。然而，现有技术仍存在数据到决策链条断裂、智能识别精度不足、分级模型未充分挖掘数据价值等问题。因此，开发一套集数据采集、智能分析、评估决策于一体的综合系统具有重要理论意义与工程价值。本文研发的智能检测分级系统，通过多源数据与算法融合，实现了从数据采集到支护方案输出的全流程自动化与智能化。

2. 系统总体设计

2.1 系统架构

本系统由四大核心模块组成：

1. 三维模型重构模块：采用激光扫描或三维摄影测量技术（如ShapeMetriX3D），非接触获取高密度点云数据，通过配准、去噪、曲面重建等算法构建真三维数字化模型。

2. 结构面识别与统计分析模块：基于计算机视觉与深度学习算法（如CNN）自动识别、定位、分割结构面，提取产状、迹长、间距等参数，并利用聚类算法进行科学分组与密度统计。

3. 稳定性智能分级模块：以岩体基本质量指标 BQ 为基础，引入机器学习优化的环境修正因子函数，动态综合地质强度指标、岩石强度、地下水、地应力等多维度信息，构建修正指标 BQm ，并通过 Softmax 分类器实现自动化、概率化智能分级。

4. 支护优选与系统集成模块：集成数据管理功能，内置支护案例库，根据稳定性分级结果智能匹配并推荐最优支护方案，形成检测到处治的完整闭环。

2.2 技术路线

系统开发遵循数据层、处理与分析层、系统与应用层三层技术路线，整合矿山基础资料与测量数据，实现岩体结构面识别、稳定性分级算法开发与系统集成应用。

3. 关键技术与方法

3.1 三维非接触测量与模型重构

采用三维摄影测量系统（如 ShapeMetriX 3D）进行数据采集，通过多角度拍摄生成高精度点云模型，经配准、滤波、网格化等预处理，重构高精度三维模型。

3.2 结构面智能识别与参数提取

本系统应用卷积神经网络（CNN）实现结构面自动识别，通过计算机视觉算法提取产状、迹长、间距等参数，并利用聚类算法分组统计密度指标。

3.3 岩体稳定性智能分级算法

3.3.1 算法输入与特征工程

输入特征包括几何结构特征（节理组数、线密度、体密度、迹长、产状等）与环境力学特征（岩石强度、RQD、地下水、地应力等）。

3.3.2 分级模型构建

计算BQ 值后，通过机器学习模型动态修正，得到 BQm ：

BQm=BQ−[ α⋅W+β ⋅ ∣ Θ-ϕ ∣ +γ ⋅（σmax/UCS）]

其中权重参数由历史数据训练得到，实现多因素融合评估。

3.3.3 智能分级与输出

利用 Softmax 分类器将 BQm 值映射为离散稳定性等级，并输出概率及关键因子分析报告。

3.4 系统集成与支护优选

采用微服务架构集成各功能模块，建立统一数据库与支护案例库，实现数据驱动决策支持。

4. 系统实施、验证与工程应用

4.1 分阶段实施计划

系统开发分为五个阶段：需求调研与技术准备、结构面识别与参数提取、分级算法开发、系统集成测试、工程应用与优化。

4.2 验证方法与效果

选取某铁矿 3 个典型巷道段进行验证，对比人工 RMR 分级、传统 BQ 分级及实际地质情况。结果表明，系统在 S1、S3 段准确性优于传统方法，效率显著提升（4 小时/50 米巷段 vs 2-3 天人工编录），支护方案推荐与实际一致。

5. 创新点

本研究的主要创新点体现如下：

1. 多源信息融合的智能评估模型，提升全面性与准确性；

2. 深度学习实现结构面精准识别与参数提取；

3. 构建“感知- 评估- 决策”全流程闭环系统；

4. 概率化输出与可解释性增强结果可信度。

6. 结论与展望

本文详细介绍了一套针对金属非金属矿山井下围岩安全稳定性管理的智能检测分级系统。该系统通过集成三维非接触测量、计算机视觉、深度学习与岩体力学理论，成功实现了：

1. 巷道围岩表面形态的真三维高精度重构。

2. 结构面信息的自动、智能、精准识别与参数化。

3. 融合多源信息与机器学习算法的岩体稳定性动态智能分级

4. 基于案例库的支护方案智能匹配与优选。

5. 所有功能的系统化集成，形成完整的工程应用闭环。

现场试验表明，该系统评估准确率高、效率提升显著，具备强大的工程应用潜力。该系统的成功研发与应用，不仅是矿山岩体稳定性评估方法的一次重要升级，更是推动矿山地压管理迈向数字化、智能化、科学化的关键一步。

未来工作将集中于： ① 进一步扩大数据集，优化和泛化智能算法模型； ② 开发集成实时监测传感器（如微震、应力在线监测）的动态更新与预警功能；③ 拓展系统在露天矿山边坡稳定性评估中的应用； ④ 深化与采矿设计软件的接口集成，最终形成覆盖“勘察 - 设计 - 施工 - 运营”全生命周期的智能矿山安全管控平台。

参考文献：

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基金资助：省科技厅 2023 年联合基金项目面上资助计划项目（2023-MSLH-084）