煤岩破裂过程中裂隙发育区的红外辐射监测定位方法
【专利摘要】本发明提出了一种煤岩破裂过程中裂隙发育区的红外辐射监测定位方法，涉及保水开采与岩层控制领域，适用于研究煤岩破裂过程中裂隙发育规律和发育位置的探测。此方法采用逐差红外热像序列图的方差指标确定承载煤岩破裂与破坏的时间节点，在此基础上，根据时间节点提取此刻的红外热像图定位承载煤岩破裂时刻的裂隙发育区，实现了对裂隙发育区的时空预测。研究结果可应用于由承载煤岩破裂引起的煤（岩）爆、矿井突水等人类工程灾害的监测监控，尤其对丰富矿山保水开采与岩层控制理论具有科学意义。
【专利说明】
煤岩破裂过程中裂隙发育区的红外辐射监测定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及保水开采与岩层控制领域，具体涉及煤岩破裂过程中裂隙发育区的红 外辐射监测定位方法。
【背景技术】
[0002] 煤岩受力破裂失稳是引发煤(岩)爆、矿柱屈服坍塌、矿井突水以及矿震等矿井灾 害的根本原因。研究表明，煤岩在承载受力、变形及破裂过程中，随着应力的变化包括红外 波段在内的电磁辐射强度会发生变化，在破裂失稳时会出现热红外异常。正确认识煤岩破 裂失稳过程中的红外辐射特征，找出煤岩破裂过程中的裂隙发育规律，进而准确有效地对 煤岩的破裂过程进行监测与前兆预警，是实现保水开采的重要理论基础。目前国内外学者 对煤岩破裂失稳过程红外辐射特征做出大量研究，但是均存在以下问题：（1)判别煤岩是否 处于微破裂或者破坏状态时，均采用平均红外辐射温度(AIRT)、最大(小)值等指标，而这些 指标在实际测试煤岩样承载破裂过程中，不易明显被观测发生变化，因此造成不能快速、有 效捉煤岩破裂失稳的准确时刻；（2)仅采用原始红外热像序列图这一指标判断承载煤岩破 裂过程中的裂隙发育区时，忽视了承载煤岩破裂过程中的累积热（热力耦合)效应，不能显 著、准确判别承载煤岩破裂过程中红外辐射异常信息。因此，目前急需研究一种能快速、有 效定位煤岩破裂过程中的裂隙发育区的方法。
【发明内容】
[0003] 本发明为解决上述问题，利用逐差红外热像序列图的方差、逐差红外热像序列图， 分别从时间和空间上克服上述缺点。
[0004] 为了实现上述目的，本发明技术方案如下： 一种煤岩破裂过程中裂隙发育区的红外辐射监测定位方法，该方法包括以下步骤： a、 获取承载煤岩破裂过程中的原始红外辐射信息:利用红外辐射探测系统监测并存储 承载煤岩破裂过程中煤岩外表面的红外辐射信息，得到承载煤岩破裂过程中原始红外热像 序列图； b、 计算逐差红外热像序列图：对步骤(a)得到的煤岩原始红外热像序列图中的煤岩原 始红外热像序列进行逐帧相减，得到承载煤岩破裂过程中逐差红外热像序列图； c、 确定承载煤岩破裂过程中的红外辐射信息异常发生的时间节点：对步骤(b)得到的 逐差红外热像序列图计算方差，找出逐差红外热像序列图的方差的极值及相对应的发生时 间点，并判断逐差红外热像序列图方差的极值发生时间点是否为承载煤岩破裂时刻； d、 确定承载煤岩破裂时刻裂隙发育区：根据步骤(c)中得到的逐差红外热像序列图的 方差的极值及相对应的发生时间点，提取此刻的逐差红外热像序列图，最终确定承载煤岩 破裂时刻裂隙发育区。
[0005] 进一步地，步骤(c)中承载煤岩破裂过程的逐差红外热像序列图的方差根据公式 (I)计算得到，公式（I)为：
，其中 为逐差红外热像序列图的方差;为原始红外热像序列图第1帧的二维温度 矩阵；i (i =1，2···，# )为温度矩阵的行号，#为温度矩阵的总行数;J (J =1，2···，Λ〇为温 度矩阵的列号，#为温度矩阵的总列数:为原始 红外热像序列图第1帧的平均值。
[0006]进一步地，上述红外辐射探测系统包括压力机、塑料薄膜、承载煤岩、隔离封闭箱 体、红外热像仪和数据采集仪。
[0007]进一步地，上述压力机、塑料薄膜、承载煤岩和红外热像仪均位于隔离封闭箱体的 内部。
[0008] 进一步地，上述承载煤岩位于压力机上。
[0009] 进一步地，上述承载煤岩与压力机接触的上下表面设有塑料薄膜。
[0010] 进一步地，上述数据采集仪分别与压力机和红外热像仪连接。
[0011] 进一步地，在步骤(a)中开始监测承载煤岩破裂过程中红外辐射信息时，同时同步 启动红外辐射探测系统的压力机和红外热像仪。
[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于： (1)本发明采用了逐差红外热像序列图的方差这一新统计指标可以反应出煤岩的承载 受力状态和辐射温度场状况，可作为判断承载煤岩是否发生破坏并失去承载能力的标准。 该指标有以下优点：（a)逐差红外热像序列图的方差不仅可以将逐差红外热像序列图的异 常信息通过具体数据表现出来，而且将相邻两帧逐差红外热像序列图的差异进行了二次放 大。（b)通过相邻两帧的逐差红外热像序列图的方差之比（振幅)来可以准确地定量判别煤 岩是否处于微破裂或者破坏状态。（c)该指标捕捉煤岩破裂失稳信息的能力，明显优于平均 红外辐射温度(AIRT)、最大(小)值等指标。
[0013] (2)本发明采用了逐差红外热像序列图来显示承载煤岩破裂过程中的裂隙发育 区。该指标有以下优点：（a)逐差红外热像序列图把相邻两帧原始红外序列图的共性部分消 除，只保留相邻两帧原始红外热像序列图的差异部分，从而提高了其判别承载煤岩破裂过 程中红外辐射异常信息的显著性和准确性。(b)消除了承载煤岩破裂过程中的累积热(热力 耦合)效应，只保留了应力变化瞬间煤岩的红外辐射(瞬时)变化特征，可以更有效提取承载 煤岩破裂时的红外辐射特征。（c)相较于原始红外热像序列图，该指标所显示的热像图异常 区域更加显著和直观，与其他红外辐射正常区域的对比度更大，所以该指标可以及时发现 承载煤岩破裂过程中的裂隙发育区。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明中煤岩破裂过程中裂隙发育区的红外辐射监测定位方法的流程图； 图2为本发明中煤岩红外辐射监测系统的结构示意图； 图3为本发明中某一承载煤岩的原始红外热像序列图； 图4为图3中的某一承载煤岩的逐差红外热像序列图； 图5为本发明中某一煤岩载荷和逐差红外热像序列图的方差随时间变化曲线图； 图中：1-压力机;2-塑料薄膜;3-承载煤岩;4-隔离封闭箱体;5-红外热像仪;6-红外辐 射采集仪。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明，以便本领域内的技术人 员了解本发明。
[0016]如图1所示的是本发明的流程图，煤岩破裂过程中裂隙发育区的红外辐射监测定 位方法，包括以下步骤： a、获取承载煤岩破裂过程中的原始红外辐射信息。在实施本步骤前，需要提前准备红 外辐射探测系统，如图2所示。红外辐射探测系统包括压力机1、塑料薄膜2、承载煤岩3、隔离 封闭箱体4、红外热像仪5和数据采集仪6;压力机1、塑料薄膜2、承载煤岩3和红外热像仪5均 位于隔离封闭箱体4的内部，隔离封闭箱体4的设置主要是为了避免外界环境影响承受煤岩 3的红外辐射信息，从而提高红外辐射探测系统的准确性;承载煤岩3位于压力机1上，承载 煤岩3与压力机1接触的上下表面设有塑料薄膜2;数据采集仪6分别与压力机1和红外热像 仪5连接。利用红外辐射探测系统监测并存储承载煤岩3破裂过程中煤岩外表面的红外辐射 信息，得到承载煤岩3破裂过程中原始红外热像序列图，如图3所示。开始监测承载煤岩3破 裂过程中红外辐射信息时，同时同步启动红外辐射探测系统的压力机1和红外热像仪5。
[0017] b、计算逐差红外热像序列图。对步骤(a)得到的承载煤岩3原始红外热像序列图中 的煤岩原始红外热像序列进行逐帧相减，得到承载煤岩3破裂过程中逐差红外热像序列图， 如图4所示。
[0018] c、确定承载煤岩3破裂过程中的红外辐射信息异常发生的时间节点。对步骤(b)得 到的逐差红外热像序列图计算方差，找出逐差红外热像序列图的方差的极值及相对应的发 生时间点，并判断逐差红外热像序列图方差的极值发生时间点是否为承载煤岩破裂时刻。 承载煤岩3破裂过程的逐差红外热像序列图的方差根据公式（I)计算得到；公式（I)为：
，其中为逐差红外热像序列 图的方差;为原始红外热像序列图第1帧的二维温度矩阵；i (i =1，2-，#)为温 度矩阵的行号，#为温度矩阵的总行数;J =1，2···，# )为温度矩阵的列号，#为温度矩 阵的总列数：为原始红外热像序列图第1帧的 平均值。
[0019] d、确定承载煤岩破裂时刻裂隙发育区。根据步骤(c)中得到的逐差红外热像序列 图的方差的极值及相对应的发生时间点，提取此刻的逐差红外热像序列图，最终确定承载 煤岩3破裂时刻裂隙发育区。
[0020] 图5为本发明中某一承载煤岩的载荷和逐差红外热像序列图的方差随时间变化 曲线图，从图中可知，承载煤岩在破裂过程中，载荷与逐差红外热像序列图的方差同时发生 变化，因此，逐差红外热像序列图的方差可以将逐差红外热像序列图的异常信息通过具体 数据表现出来。通过相邻两帧的逐差红外热像序列图的方差之比（振幅)来可以准确地定量 判别煤岩是否处于微破裂或者破坏状态。该指标捕捉煤岩破裂失稳信息的能力，明显优于 平均红外辐射温度(AIRT)、最大(小)值等指标。利用逐差红外热像序列图的方差这一指标 提高了其判别承载煤岩破裂过程中红外辐射异常信息的显著性和准确性。
[0021]以上实施方式仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此尽管 本说明书参照上述的各个实施方式对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术 人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换;而一切不脱离本发明的精神和 范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 煤岩破裂过程中裂隙发育区的红外辐射监测定位方法，其特征在于，该方法包括以 下步骤： a、 获取承载煤岩破裂过程中的原始红外辐射信息:利用红外辐射探测系统监测并存储 承载煤岩破裂过程中煤岩外表面的红外辐射信息，得到承载煤岩破裂过程中原始红外热像 序列图； b、 计算逐差红外热像序列图：对步骤(a)得到的煤岩原始红外热像序列图中的煤岩原 始红外热像序列进行逐帧相减，得到承载煤岩破裂过程中逐差红外热像序列图； c、 确定承载煤岩破裂过程中的红外辐射信息异常发生的时间节点：对步骤(b)得到的 逐差红外热像序列图计算方差，找出逐差红外热像序列图的方差的极值及相对应的发生时 间点，并判断逐差红外热像序列图方差的极值发生时间点是否为承载煤岩破裂时刻； d、 确定承载煤岩破裂时刻裂隙发育区：根据步骤(c)中得到的逐差红外热像序列图的 方差的极值及相对应的发生时间点，提取此刻的逐差红外热像序列图，最终确定承载煤岩 破裂时刻裂隙发育区。2. 如权利要求1所述的煤岩破裂过程中裂隙发育区的红外辐射监测定位方法，其特征 在于，步骤(c)中承载煤岩破裂过程的逐差红外热像序列图的方差根据公式（I)计算得到； 所述公式（I)为为逐 差红外热像序列图的方差；为原始红外热像序列图第1帧的二维温度矩阵；i为 温度矩阵的行号，i =1，2···.# ,#为淵度矩阵的总行数：f为淵度矩阵的列号，J =1，2···，# ，#为温度矩阵的总列I为原始红外热像序列 图第1帧的平均值。3. 如权利要求2所述的煤岩破裂过程中裂隙发育区的红外辐射监测定位方法，其特征 在于，所述红外辐射探测系统包括压力机（1)、塑料薄膜(2)、承载煤岩(3)、隔离封闭箱体 (4 )、红外热像仪(5 )和数据采集仪(6 )。4. 如权利要求3所述的煤岩破裂过程中裂隙发育区的红外辐射监测定位方法，其特征 在于，所述压力机（1)、塑料薄膜(2)、承载煤岩（3)和红外热像仪(5)均位于隔离封闭箱体 (4)的内部。5. 如权利要求4所述的煤岩破裂过程中裂隙发育区的红外辐射监测定位方法，其特征 在于，所述承载煤岩(3)位于压力机(1)上。6. 如权利要求5所述的煤岩破裂过程中裂隙发育区的红外辐射监测定位方法，其特征 在于，所述承载煤岩(3)与压力机(1)接触的上下表面设有塑料薄膜(2)。7. 如权利要求6所述的煤岩破裂过程中裂隙发育区的红外辐射监测定位方法，其特征 在于，所述数据采集仪(6)分别与压力机(1)和红外热像仪(5)连接。8. 如权利要求7所述的煤岩破裂过程中裂隙发育区的红外辐射监测定位方法，其特征 在于，在步骤(a)中开始监测承载煤岩破裂过程中红外辐射信息时，同时同步启动红外辐射 探测系统的压力机(1)和红外热像仪(5)。
【文档编号】G01N3/08GK106018096SQ201610572831
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月20日
【发明人】马立强, 张东升, 周焘, 孙海
【申请人】中国矿业大学