可视化松散煤体自燃的介观尺度判定方法及其实验装置

本发明涉及煤的自燃实验领域，具体涉及可视化松散煤体自燃的介观尺度判定方法及其实验装置。

背景技术：

1、煤自燃是一个自加速的氧化放热反应，氧分子在煤表面形成物理、化学吸附热，使煤体温度缓慢上升，并释放大量反应热，这些热量在煤体内部积聚，最终导致了煤体的自燃，此过程伴随着复杂的物理化学变化，且自燃过程会对环境和人身造成严重危害。松散煤体作为多孔非均介质，因其易自燃的特性，被广泛的应用在煤自燃实验研究中。现有技术对煤自燃的实验研究主要还停留在宏观尺度(温度、气体)和微观尺度(官能团等)的一些易于监测的特性，如煤自燃高温区域温度的分布特性、指标气体的浓度变化和官能团的相互转化等，这些特性都可通过现有技术手段对其进行监测。

2、然而，煤自燃的运移过程呈现出多尺度特性，具有强烈的非均质特征，目前对煤自燃的研究多聚焦于微观及宏观尺度的研究，鲜有介观尺度的探索，不利于开展对松散煤体自燃特性及介观机理的研究；此外，煤自燃是一个复杂的多因素耦合过程，孔裂隙的发生、发展及演变和形貌的突变等都会对温度气体及官能团等产生显著的影响，以往研究采用的都是在特定温度取出实验炉中的局部煤样进行裂隙等间接观测的方法，这种方法带来的问题是由于监测前后温度发生突变、裂隙产生变化，导致试验数据误差较大。

技术实现思路

1、本发明提供可视化松散煤体自燃的介观尺度判定方法及其实验装置，以解决现有技术难以实现对煤自燃过程介观尺度下的研究问题，实现了在介观尺度下对松散煤体自燃过程的分析，有利于对松散煤体自燃特性及介观机理的研究。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、可视化松散煤体自燃的介观尺度判定方法，包括：

4、s1、获取煤体自燃过程图像，对图像做预处理；

5、s2、在预处理后的图像中截取单个松散煤体聚团，对单个松散煤体聚团进行分割，得到若干区域；

6、s3、将得到的区域按秩合并；

7、s4、计算松散煤体的分形维数；

8、s5、基于松散煤体的分形维数，确定松散煤体在介观尺度下的表征体元尺度。

9、针对现有技术中难以开展煤自燃过程的介观尺度研究问题，本发明首先提出一种可视化松散煤体自燃的介观尺度判定方法，本方法首先通过可视化手段获取煤体自燃过程中的图像并做预处理，其中的预处理手段可以是图像处理领域常用的增强、去噪、聚类、裁剪、边缘检测或灰度化等，在此不做限定。本方法在预处理后的图像中截取单个松散煤体聚团，对单个松散煤体聚团进行分割，基于分割结果即可得到若干区域。考虑到单个松散煤体聚团的分割可能会导致图像中出现一些过分割的小区域，因此本方法采用按秩合并的方式将这些过分割的区域进行合并，之后即可计算松散煤体的分形维数，并基于所得到的分形维数确定松散煤体在介观尺度下的表征体元尺度。

10、可以看出，本方法可以有效定义松散煤体自燃在介观尺度下的表征体元尺度，解决了松散煤体自燃在介观尺度区域判定及表征体元定义等方面的难题，填补了现有技术的空白，对松散煤体自燃特性及介观机理的研究具有重要意义。

11、进一步的，将得到的区域按秩合并的方法包括：

12、s301、得到预处理后的图像中，每个松散煤体聚团的灰度图；即得到每个区域的灰度图；

13、s302、将所述灰度图视为无向图，计算各无向边的灰度差值；

14、s303、依照灰度差值将各无向边按从小到大的顺序排序；

15、s304、按照得到的排序，从排序最小的无向边开始，找出该无向边的两个顶点；

16、s305、判断该无向边的两个顶点是否满足合并条件：若是，则将该无向边的两个顶点对应的区域合并；其中，所述合并条件为：

17、

18、式中：c1、c2为两个顶点分别对应的区域，size(c1)为区域c1的大小，size(c2)为区域c2的大小，β为规定值。

19、其中，β的值根据具体工况进行适应性设置，在此不做限定。

20、进一步的，计算松散煤体的分形维数的方法包括：

21、s401、选取松散煤体的分形尺度大小m×m，将选取的松散煤体表面视为三维空间中的一个函数坐标，对选取的松散煤体表面做网格化处理；

22、s402、基于网格化处理结果，对网格单元尺度的数量取对数，得到m×m区域内的松散煤体的分形维数。

23、所述网格单元尺度为：

24、ln＝2n(n∈(0,m/2))；

25、式中：ln为网格单元尺度；n为网格边长；

26、m×m区域内的松散煤体的分形维数通过如下公式计算：

27、

28、式中：d(m×m)为m×m区域内的松散煤体的分形维数；nr为像素点落在网格单元尺度ln内的数量。

29、进一步的，确定松散煤体在介观尺度下的表征体元尺度的方法包括：

30、s501、依次选取不同的m×m，得到不同网格单元尺度下的分形维数；其中m∈(1，c)，c为原始图像区域的尺度；

31、s502、基于不同的m×m下的分形维数，绘制网格单元尺度与分形维数的关系曲线；

32、s503、选取所述关系曲线中变化区域处于稳定阶段的分形维数作为表征分形维数，以所述表征分形维数对应的网格单元尺度作为表征体元尺度。

33、其中，对m×m尺寸的选取，可按照从小到大或从大到小的顺序依次选取。

34、本技术还提出一种可视化松散煤体自燃的介观尺度判定实验装置，包括：

35、反应系统，用于煤体的自燃反应；

36、进气系统，用于为所述反应系统供气；

37、控制系统，用于控制反应系统内部煤体所受压力和环境温度；

38、监测系统，用于监测反应系统内煤体自燃过程中的气体浓度、温度，并获取煤体自燃过程图像；

39、数据处理系统，用于执行本技术中的可视化松散煤体自燃的介观尺度判定方法。

40、本装置在使用时，向反应系统装入松散煤体，通过进气系统通入自燃实验所需的气体，通过控制系统控制反应系统内的温度、以及松散煤体所受的压力，使松散煤体在反应系统内发生自燃，由监测系统监测自燃过程中的气体浓度、温度，并获取煤体自燃过程图像，最后由数据处理系统对监测系统的监测数据进行处理，并执行可视化松散煤体自燃的介观尺度判定方法，即可实时得到松散煤体自燃在介观尺度下的表征体元尺度。可以看出，本装置能够对煤自燃过程中介观尺度下的表征体元尺度进行动态的跟踪和展示，有利于研究介观尺度下的煤自燃的完整过程，显著提高了对松散煤体自燃特性及介观机理的研究可行性。

41、进一步的，所述反应系统包括罐体、位于罐体下壁面外侧的加热环、开设在罐体侧壁的监测孔和可视窗、位于罐体顶端的施压法兰、位于施压法兰之上的法兰盖；所述施压法兰内部滑动配合活塞、所述活塞底部连接施压底盘，还包括用于监测所述活塞位移量的位移传感器；所述施压法兰侧面开设位于活塞上方的液压入口、液压出口。

42、本方案通过液压入口通入高压液体施压，带动活塞向下滑动，即可驱动施压底盘同步向下运动，进而对罐体内部的松散煤体施加压力；通过加热环从罐体的下壁面外侧整体加温；通过监测孔实现对自燃过程中的煤体、以及反应产物的温度和气体浓度的监测；通过位移传感器记录活塞位移量，进而更有利于对施压压力的调控。

43、本方案采用液压增压的方式对目标煤样进行施压，解决了传统机械施压设备笨重，施压范围小等的问题，降低了试验成本和设备规模。并且，采用加热环从外部对煤样进行升温，可对煤样进行阶段性的均匀升温，避免了采用加热棒等峰值升温的加热设备带来的升温过快、升温不均等影响，更好的模拟了真实环境下煤的自燃情况。

44、进一步的，所述进气系统包括气瓶、开设在罐体上的进气口，所述气瓶与进气口之间依次连接减压阀、稳压阀、流量控制器。本方案的进气系统可对气体流量进行精密测量和控制。

45、进一步的，所述控制系统包括增压油泵、升温控制器；所述增压油泵的输出端、输入端分别与液压入口、液压出口相连；所述升温控制器用于控制所述加热环。

46、进一步的，所述监测系统包括与监测孔相连的激光气体检测设备、温度检测设备，以及正对所述可视窗的图像采集设备；所述数据处理系统包括信号连接的处理器、显示器。

47、本方案通过激光气体检测设备、度检测设备来实时检测对应区域所指定的气体浓度、温度，进而为工作人员认识煤自燃过程提供辅助参考。同时，图像采集设备从可视窗处实时获取罐体内部的自燃图像，得到所需的煤体自燃过程图像。处理器对监测系统所监测的数据进行处理，显示器可对处理后的各参数进行实时显示。

48、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

49、1、本发明可视化松散煤体自燃的介观尺度判定方法及其实验装置，可以有效定义松散煤体自燃在介观尺度下的表征体元尺度，解决了松散煤体自燃在介观尺度区域判定及表征体元定义等方面的难题，对松散煤体自燃特性及介观机理的研究具有重要意义。

50、2、本发明可视化松散煤体自燃的介观尺度判定方法及其实验装置，显著提高了在高压、高温、可视化下松散煤体自燃实验的稳定性、可靠性及实验结果的准确性。

51、3、本发明可视化松散煤体自燃的介观尺度判定方法及其实验装置，采用液压增压的方式对目标煤样进行施压，解决了传统机械施压设备笨重，施压范围小等的问题，降低了试验成本和设备规模。

52、4、本发明可视化松散煤体自燃的介观尺度判定方法及其实验装置，可对煤样进行阶段性的均匀升温，避免了采用加热棒等峰值升温的加热设备带来的升温过快、升温不均等影响，更好的模拟了真实环境下煤的自燃情况。