基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法

作     者：程继杰 刘毅 李小伟 CHENG Jijie;LIU Yi;LI Xiaowei

作者机构：中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2023年第48卷第5期

页      面：2236-2248页

核心收录：

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

基　　金：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801800) 

主　　题：冲击地压 煤与瓦斯突出 图像识别 煤矿事故报警 热红外图像 

摘      要：针对目前冲击地压和煤与瓦斯突出致灾机理尚未完全明确,仍偶有发生,严重威胁着我国煤矿的安全生产,结合灾害发生时大量抛出煤岩有着不同于采掘工作面和巷道空间正常工况下的温度与速度特征,提出了一种基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法:在煤矿井下巷道顶部、巷帮以及采掘工作面液压支架等位置多点布置红外热像仪,实时采集采掘工作面和巷道空间热红外视频图像;监测识别监视区域内物体温度是否处于设定的温度范围(30℃≤T≤150℃);当掘进工作面、掘进巷道入口、掘进巷道中间、回采工作面、进风巷入口、进风巷中间、回风巷入口、回风巷中间、主运输大巷、辅助运输大巷等位置红外热像仪监测到物体温度处于设定温度范围时,监测识别处于设定温度范围物体的移动速度是否处于设定的速度范围(v13 m/s);当处于设定速度范围时,利用多点布置的甲烷传感器监测监视区域内环境甲烷体积分数是否迅速升高;当工作面、回风巷、进风巷、总回风巷等多个不同地点甲烷体积分数均大幅升高,则进行煤与瓦斯突出报警,反之,则进行冲击地压报警。提出了基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警中,红外热像仪的最佳倾角确定方法,以及红外热像仪有前倾角度情况下监测温度异常物体移动速度的方法。根据宁夏双马煤矿实际掘进巷道情况,结合红外热像仪帧率25 FPS,焦距13 mm,并且沿巷道轴向方向的视场角为21°,相对于竖直向下进行图像监视,该方法在保证测速效果的前提下得到的红外热像仪最佳倾角约为58°,进行图像监视时监视范围增大了约292%,在密集监视区域红外热像仪成本减少近75%。为了更逼真的迎合灾害特征,简化实验复杂度与确保安全性,设计了一套灾害温度、速度特征模拟实验装置:采用直径315 mm PVC管模拟圆形巷道;采用颜色、密度相近的10 mm橡胶球替代破碎煤岩作为主要实验材料与主要识别目标;采用物理加热法(热水浴)使橡胶球温度达到灾害发生时的温度异常范围;采用高压鼓风机提供动力源,使橡胶球速度能够达到灾害发生时的速度异常范围。并利用红外热像仪来完成对整个模拟灾害过程的监视与热红外视频图像采集。对所提出的灾害感知报警方法进行了代码实现。模拟实验与结果分析表明,该方法识别效果良好,验证了基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法的可行性与有效性。