煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅外輻射監測定位方法
【專利摘要】本發明提出了一種煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅外輻射監測定位方法，涉及保水開采與巖層控制領域，適用于研究煤巖破裂過程中裂隙發育規律和發育位置的探測。此方法采用逐差紅外熱像序列圖的方差指標確定承載煤巖破裂與破壞的時間節點，在此基礎上，根據時間節點提取此刻的紅外熱像圖定位承載煤巖破裂時刻的裂隙發育區，實現了對裂隙發育區的時空預測。研究結果可應用于由承載煤巖破裂引起的煤（巖）爆、礦井突水等人類工程災害的監測監控，尤其對豐富礦山保水開采與巖層控制理論具有科學意義。
【專利說明】
煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅外輻射監測定位方法
技術領域
[0001] 本發明涉及保水開采與巖層控制領域，具體涉及煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅 外輻射監測定位方法。
【背景技術】
[0002] 煤巖受力破裂失穩是引發煤(巖)爆、礦柱屈服坍塌、礦井突水以及礦震等礦井災 害的根本原因。研究表明，煤巖在承載受力、變形及破裂過程中，隨著應力的變化包括紅外 波段在內的電磁輻射強度會發生變化，在破裂失穩時會出現熱紅外異常。正確認識煤巖破 裂失穩過程中的紅外輻射特征，找出煤巖破裂過程中的裂隙發育規律，進而準確有效地對 煤巖的破裂過程進行監測與前兆預警，是實現保水開采的重要理論基礎。目前國內外學者 對煤巖破裂失穩過程紅外輻射特征做出大量研究，但是均存在以下問題：（1)判別煤巖是否 處于微破裂或者破壞狀態時，均采用平均紅外輻射溫度(AIRT)、最大(小)值等指標，而這些 指標在實際測試煤巖樣承載破裂過程中，不易明顯被觀測發生變化，因此造成不能快速、有 效捉煤巖破裂失穩的準確時刻；（2)僅采用原始紅外熱像序列圖這一指標判斷承載煤巖破 裂過程中的裂隙發育區時，忽視了承載煤巖破裂過程中的累積熱（熱力耦合)效應，不能顯 著、準確判別承載煤巖破裂過程中紅外輻射異常信息。因此，目前急需研究一種能快速、有 效定位煤巖破裂過程中的裂隙發育區的方法。
【發明內容】
[0003] 本發明為解決上述問題，利用逐差紅外熱像序列圖的方差、逐差紅外熱像序列圖， 分別從時間和空間上克服上述缺點。
[0004] 為了實現上述目的，本發明技術方案如下： 一種煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅外輻射監測定位方法，該方法包括以下步驟： a、 獲取承載煤巖破裂過程中的原始紅外輻射信息:利用紅外輻射探測系統監測并存儲 承載煤巖破裂過程中煤巖外表面的紅外輻射信息，得到承載煤巖破裂過程中原始紅外熱像 序列圖； b、 計算逐差紅外熱像序列圖：對步驟(a)得到的煤巖原始紅外熱像序列圖中的煤巖原 始紅外熱像序列進行逐幀相減，得到承載煤巖破裂過程中逐差紅外熱像序列圖； c、 確定承載煤巖破裂過程中的紅外輻射信息異常發生的時間節點：對步驟(b)得到的 逐差紅外熱像序列圖計算方差，找出逐差紅外熱像序列圖的方差的極值及相對應的發生時 間點，并判斷逐差紅外熱像序列圖方差的極值發生時間點是否為承載煤巖破裂時刻； d、 確定承載煤巖破裂時刻裂隙發育區：根據步驟(c)中得到的逐差紅外熱像序列圖的 方差的極值及相對應的發生時間點，提取此刻的逐差紅外熱像序列圖，最終確定承載煤巖 破裂時刻裂隙發育區。
[0005] 進一步地，步驟(c)中承載煤巖破裂過程的逐差紅外熱像序列圖的方差根據公式 (I)計算得到，公式（I)為：
，其中 為逐差紅外熱像序列圖的方差;為原始紅外熱像序列圖第1幀的二維溫度 矩陣；i (i =1，2···，# )為溫度矩陣的行號，#為溫度矩陣的總行數;J (J =1，2···，Λ〇為溫 度矩陣的列號，#為溫度矩陣的總列數:為原始 紅外熱像序列圖第1幀的平均值。
[0006]進一步地，上述紅外輻射探測系統包括壓力機、塑料薄膜、承載煤巖、隔離封閉箱 體、紅外熱像儀和數據采集儀。
[0007]進一步地，上述壓力機、塑料薄膜、承載煤巖和紅外熱像儀均位于隔離封閉箱體的 內部。
[0008] 進一步地，上述承載煤巖位于壓力機上。
[0009] 進一步地，上述承載煤巖與壓力機接觸的上下表面設有塑料薄膜。
[0010] 進一步地，上述數據采集儀分別與壓力機和紅外熱像儀連接。
[0011] 進一步地，在步驟(a)中開始監測承載煤巖破裂過程中紅外輻射信息時，同時同步 啟動紅外輻射探測系統的壓力機和紅外熱像儀。
[0012] 與現有技術相比，本發明的有益效果在于： (1)本發明采用了逐差紅外熱像序列圖的方差這一新統計指標可以反應出煤巖的承載 受力狀態和輻射溫度場狀況，可作為判斷承載煤巖是否發生破壞并失去承載能力的標準。 該指標有以下優點：（a)逐差紅外熱像序列圖的方差不僅可以將逐差紅外熱像序列圖的異 常信息通過具體數據表現出來，而且將相鄰兩幀逐差紅外熱像序列圖的差異進行了二次放 大。（b)通過相鄰兩幀的逐差紅外熱像序列圖的方差之比（振幅)來可以準確地定量判別煤 巖是否處于微破裂或者破壞狀態。（c)該指標捕捉煤巖破裂失穩信息的能力，明顯優于平均 紅外輻射溫度(AIRT)、最大(小)值等指標。
[0013] (2)本發明采用了逐差紅外熱像序列圖來顯示承載煤巖破裂過程中的裂隙發育 區。該指標有以下優點：（a)逐差紅外熱像序列圖把相鄰兩幀原始紅外序列圖的共性部分消 除，只保留相鄰兩幀原始紅外熱像序列圖的差異部分，從而提高了其判別承載煤巖破裂過 程中紅外輻射異常信息的顯著性和準確性。(b)消除了承載煤巖破裂過程中的累積熱(熱力 耦合)效應，只保留了應力變化瞬間煤巖的紅外輻射(瞬時)變化特征，可以更有效提取承載 煤巖破裂時的紅外輻射特征。（c)相較于原始紅外熱像序列圖，該指標所顯示的熱像圖異常 區域更加顯著和直觀，與其他紅外輻射正常區域的對比度更大，所以該指標可以及時發現 承載煤巖破裂過程中的裂隙發育區。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發明中煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅外輻射監測定位方法的流程圖； 圖2為本發明中煤巖紅外輻射監測系統的結構示意圖； 圖3為本發明中某一承載煤巖的原始紅外熱像序列圖； 圖4為圖3中的某一承載煤巖的逐差紅外熱像序列圖； 圖5為本發明中某一煤巖載荷和逐差紅外熱像序列圖的方差隨時間變化曲線圖； 圖中：1-壓力機;2-塑料薄膜;3-承載煤巖;4-隔離封閉箱體;5-紅外熱像儀;6-紅外輻 射采集儀。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和具體實施例對本發明作更進一步的說明，以便本領域內的技術人 員了解本發明。
[0016]如圖1所示的是本發明的流程圖，煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅外輻射監測定 位方法，包括以下步驟： a、獲取承載煤巖破裂過程中的原始紅外輻射信息。在實施本步驟前，需要提前準備紅 外輻射探測系統，如圖2所示。紅外輻射探測系統包括壓力機1、塑料薄膜2、承載煤巖3、隔離 封閉箱體4、紅外熱像儀5和數據采集儀6;壓力機1、塑料薄膜2、承載煤巖3和紅外熱像儀5均 位于隔離封閉箱體4的內部，隔離封閉箱體4的設置主要是為了避免外界環境影響承受煤巖 3的紅外輻射信息，從而提高紅外輻射探測系統的準確性;承載煤巖3位于壓力機1上，承載 煤巖3與壓力機1接觸的上下表面設有塑料薄膜2;數據采集儀6分別與壓力機1和紅外熱像 儀5連接。利用紅外輻射探測系統監測并存儲承載煤巖3破裂過程中煤巖外表面的紅外輻射 信息，得到承載煤巖3破裂過程中原始紅外熱像序列圖，如圖3所示。開始監測承載煤巖3破 裂過程中紅外輻射信息時，同時同步啟動紅外輻射探測系統的壓力機1和紅外熱像儀5。
[0017] b、計算逐差紅外熱像序列圖。對步驟(a)得到的承載煤巖3原始紅外熱像序列圖中 的煤巖原始紅外熱像序列進行逐幀相減，得到承載煤巖3破裂過程中逐差紅外熱像序列圖， 如圖4所示。
[0018] c、確定承載煤巖3破裂過程中的紅外輻射信息異常發生的時間節點。對步驟(b)得 到的逐差紅外熱像序列圖計算方差，找出逐差紅外熱像序列圖的方差的極值及相對應的發 生時間點，并判斷逐差紅外熱像序列圖方差的極值發生時間點是否為承載煤巖破裂時刻。 承載煤巖3破裂過程的逐差紅外熱像序列圖的方差根據公式（I)計算得到；公式（I)為：
，其中為逐差紅外熱像序列 圖的方差;為原始紅外熱像序列圖第1幀的二維溫度矩陣；i (i =1，2-，#)為溫 度矩陣的行號，#為溫度矩陣的總行數;J =1，2···，# )為溫度矩陣的列號，#為溫度矩 陣的總列數：為原始紅外熱像序列圖第1幀的 平均值。
[0019] d、確定承載煤巖破裂時刻裂隙發育區。根據步驟(c)中得到的逐差紅外熱像序列 圖的方差的極值及相對應的發生時間點，提取此刻的逐差紅外熱像序列圖，最終確定承載 煤巖3破裂時刻裂隙發育區。
[0020] 圖5為本發明中某一承載煤巖的載荷和逐差紅外熱像序列圖的方差隨時間變化 曲線圖，從圖中可知，承載煤巖在破裂過程中，載荷與逐差紅外熱像序列圖的方差同時發生 變化，因此，逐差紅外熱像序列圖的方差可以將逐差紅外熱像序列圖的異常信息通過具體 數據表現出來。通過相鄰兩幀的逐差紅外熱像序列圖的方差之比（振幅)來可以準確地定量 判別煤巖是否處于微破裂或者破壞狀態。該指標捕捉煤巖破裂失穩信息的能力，明顯優于 平均紅外輻射溫度(AIRT)、最大(小)值等指標。利用逐差紅外熱像序列圖的方差這一指標 提高了其判別承載煤巖破裂過程中紅外輻射異常信息的顯著性和準確性。
[0021]以上實施方式僅用以說明本發明而并非限制本發明所描述的技術方案；因此盡管 本說明書參照上述的各個實施方式對本發明已進行了詳細的說明，但是本領域的普通技術 人員應當理解，仍然可以對本發明進行修改或者等同替換;而一切不脫離本發明的精神和 范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅外輻射監測定位方法，其特征在于，該方法包括以 下步驟： a、 獲取承載煤巖破裂過程中的原始紅外輻射信息:利用紅外輻射探測系統監測并存儲 承載煤巖破裂過程中煤巖外表面的紅外輻射信息，得到承載煤巖破裂過程中原始紅外熱像 序列圖； b、 計算逐差紅外熱像序列圖：對步驟(a)得到的煤巖原始紅外熱像序列圖中的煤巖原 始紅外熱像序列進行逐幀相減，得到承載煤巖破裂過程中逐差紅外熱像序列圖； c、 確定承載煤巖破裂過程中的紅外輻射信息異常發生的時間節點：對步驟(b)得到的 逐差紅外熱像序列圖計算方差，找出逐差紅外熱像序列圖的方差的極值及相對應的發生時 間點，并判斷逐差紅外熱像序列圖方差的極值發生時間點是否為承載煤巖破裂時刻； d、 確定承載煤巖破裂時刻裂隙發育區：根據步驟(c)中得到的逐差紅外熱像序列圖的 方差的極值及相對應的發生時間點，提取此刻的逐差紅外熱像序列圖，最終確定承載煤巖 破裂時刻裂隙發育區。2. 如權利要求1所述的煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅外輻射監測定位方法，其特征 在于，步驟(c)中承載煤巖破裂過程的逐差紅外熱像序列圖的方差根據公式（I)計算得到； 所述公式（I)為為逐 差紅外熱像序列圖的方差；為原始紅外熱像序列圖第1幀的二維溫度矩陣；i為 溫度矩陣的行號，i =1，2···.# ,#為淵度矩陣的總行數：f為淵度矩陣的列號，J =1，2···，# ，#為溫度矩陣的總列I為原始紅外熱像序列 圖第1幀的平均值。3. 如權利要求2所述的煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅外輻射監測定位方法，其特征 在于，所述紅外輻射探測系統包括壓力機（1)、塑料薄膜(2)、承載煤巖(3)、隔離封閉箱體 (4 )、紅外熱像儀(5 )和數據采集儀(6 )。4. 如權利要求3所述的煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅外輻射監測定位方法，其特征 在于，所述壓力機（1)、塑料薄膜(2)、承載煤巖（3)和紅外熱像儀(5)均位于隔離封閉箱體 (4)的內部。5. 如權利要求4所述的煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅外輻射監測定位方法，其特征 在于，所述承載煤巖(3)位于壓力機(1)上。6. 如權利要求5所述的煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅外輻射監測定位方法，其特征 在于，所述承載煤巖(3)與壓力機(1)接觸的上下表面設有塑料薄膜(2)。7. 如權利要求6所述的煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅外輻射監測定位方法，其特征 在于，所述數據采集儀(6)分別與壓力機(1)和紅外熱像儀(5)連接。8. 如權利要求7所述的煤巖破裂過程中裂隙發育區的紅外輻射監測定位方法，其特征 在于，在步驟(a)中開始監測承載煤巖破裂過程中紅外輻射信息時，同時同步啟動紅外輻射 探測系統的壓力機(1)和紅外熱像儀(5)。
【文檔編號】G01N3/08GK106018096SQ201610572831
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月20日
【發明人】馬立強, 張東升, 周燾, 孫海
【申請人】中國礦業大學