CN105158813B - 基于红外辐射温度场的冲击地压灾害前兆识别的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于红外辐射温度场的冲击地压灾害前兆识别的方法，属于煤矿冲击地压灾害前兆识别的方法。对煤样试块进行冲击破坏试验，通过红外监测成像仪对煤样试块实时监测红外辐射温度变化，确定预测冲击破坏的温度临界值Tm及温度变化率临界值Am，得出煤样试块冲击破坏的红外辐射温度信号变化前兆规律；现场应用时，热红外监测探头将监测区域煤体表面的红外辐射温度信号转化为光信号，通过光纤将信号实时传输到地面计算机中，生成温度变化曲线及视频热成像图，系统可自动将监测的信号与试验得到的临界指标Tm和Am进行对比，并对冲击地压灾害进行预测预警。该技术能实时监测煤体的红外辐射温度场，并根据监测分析结果实时预警，具有精度高和成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿冲击地压灾害前兆识别的方法，特别是一种基于红外辐射温度场的冲击地压灾害前兆识别的方法。
背景技术
近年来，煤矿生产过程中，随着开采深度和强度的增加，矿震活动日益频繁，能量的释放使矿压显现越来越严重，甚至出现冲击地压，造成严重灾害；然而，基于“动静载叠加”诱发冲击地压的机理，在我国西部埋深较浅的煤层开采过程中也出现了冲击地压灾害，造成了重大损失。煤岩体中的压力超过强度极限，聚积在巷道或采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，动力将煤岩抛向巷道，同时发出剧烈声响，是一种开采诱发的矿山地震，更是一种灾害，不仅造成井巷破坏、人员伤亡、地面建筑物破坏，还会引发瓦斯、煤尘爆炸以及水灾，干扰通风系统，严重威胁着煤矿的生产安全。由于冲击地压灾害发生的时间与地域具有多样性和突发性，因此，对其进行预测预警也就成为世界性难题。冲击地压的发生机理，发生过程较为复杂，目前，这些技术还存在很多不足，比如应力在线监测实时监测系统灵敏度较低，费用高；弹性波CT反演技术还不能做到实时预警；微震法和声发射技术及电磁辐射技术误差较大、准确率比较低。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于红外辐射温度场的冲击地压灾害前兆识别的方法，能实时监测煤体表面的红外辐射能，分析后可起到实时预警。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该冲击地压灾害前兆识别方法的步骤包括：
(1)在井下待监测区域煤体中取样，加工成至少N个煤样试块，对煤样试块进行冲击破坏实验，同时利用热红外成像仪对煤样试块从施加预应力到煤样试块发生冲击破坏整个过程中的红外辐射温度变化进行监测，确定预测冲击破坏的温度临界值Tm及温度变化率临界值Am，从而得出煤样试块冲击破坏的红外辐射温度信号变化前兆规律；
(a)式中，T为监测区域在t时刻的温度，A为Δt时间段内的温度变化率。
(2)将M个热红外监测探头依照10-20m的间距布设在工作面前方回采巷道内，其中地质构造较复杂区域可以增加1-2个热红外监测探头的布置，通过多芯通信电缆，将热红外监测探头实时监测的辐射温度信号传入井下监测分站；
(3)井下监测分站将实时红外辐射温度信号转化为光信号，经环网交换机由主光缆传输至地面监测主机，或者直接将实时红外辐射温度信号通过电缆传输至地面监测主机；
(4)地面监测主机通过数据处理计算机的相关配套软件对传入的实时红外辐射温度进行信号处理；
(5)数据处理计算机将处理后的信号绘制出红外辐射温度变化曲线及生成视频热成像图，确定红外辐射温度场；
(6)通过远程监控系统实时显示被测煤体的温度场分布信息，系统可自动将监测的信号与试验得到的临界指标Tm和Am进行对比，对冲击危险进行预测预警，若监测的红外辐射温度达到或超过临界值Tm，或者温度变化率达到或超过临界值Am，即有冲击危险，需要采取卸压解危措施；若两者都小于相应的临界值，则无冲击危险；温度信号可以作为冲击地压灾害前兆识别的一种信号。
所述的煤样试块形状为φ50mm×H100mm的圆柱体或为50mm×50mm×100mm的长方体；所述的N和M的具体数值需要根据不同的矿井监测区域而确定，N≥20，M≥30。
所述的热红外监测探头测得的温度信号分为点、线、面三种，分别为点的温度变化曲线，线的最高、最低以及平均温度变化曲线，面的最高、最低以及平均温度变化曲线，面的视频热成像图，最后得到温度场分布信息。
有益效果，由于采用了上述方案，煤柱承载直到屈服破坏，是一个动力过程；煤爆、煤岩与瓦斯突出也是一个动力过程；煤层顶板运动破坏也是一个动力过程。它们在地应力和采动应力的共同作用下，产生移动变形，并会引起成岩物质内部结构的调整和某些物理化学变化，其中必然包括能量的转化和电子跃迁，如一部分机械能转化为热能，或一部分固有热能转化为机械能，并以电磁辐射的形式表现出来；作为电磁辐射之一的热红外辐射温度的特征变化必然反应上述物理化学过程，并会提供一些前兆信息；利用这些前兆信息，可以进行冲击地压灾害的实时在线监测预警。
能实时监测煤体表面的红外辐射能，分析后可起到实时预警，达到了本发明的目的。
优点：本发明采用红外辐射温度变化进行冲击地压前兆识别，其具有响应速度极快，能达到毫秒级；测量的温度范围较宽且精度高，可以分辨0.0l℃或更小；由于测取的是物体表面的红外辐射能，属于非接触测量，不用接触被测物体，也不会干扰被测的温度场；可同时测量点温、线温和面温；测量结果形象直观；另外热红外监测探头可以回收重复使用，操作简便，费用较低，适用范围较宽。
附图说明：
图1是本发明监测装置安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，该识别方法的装置包含井下和井上两部分，井下部分包括热红外监测探头、井下监测分站、环网交换机和电缆和光缆；井上部分包括地面监测主机、数据处理计算机和远程监控系统。
识别方法为：先通过对煤样试块进行冲击破坏试验，并通过红外监测成像仪对煤样试块实时监测红外辐射温度变化，依次确定预测冲击破坏的温度临界值Tm及温度变化率临界值Am，从而得出煤样试块冲击破坏的红外辐射温度信号变化前兆规律；井下现场应用时，将热红外监测探头将监测区域煤体表面的红外辐射温度信号转化为光信号，通过光纤将信号实时传输到地面监测主机中，或直接通过电缆将红外辐射温度信号传输至地面监测主机中；采用计算机配套软件对信号进行处理，并生成温度变化曲线及视频热成像图，通过远程监控系统实时显示被测煤体的温度场分布信息，系统可自动将监测的信号与试验得到的临界指标Tm和Am进行对比，并对冲击地压灾害进行预测预警。
具体步骤为：
(1)在井下待监测区域煤体中取样，加工成至少N个煤样试块，对煤样试块进行冲击破坏实验，同时利用热红外成像仪对煤样试块从施加预应力到煤样试块发生冲击破坏整个过程中的红外辐射温度变化进行监测，确定预测冲击破坏的温度临界值Tm及温度变化率临界值Am，从而得出煤样试块冲击破坏的红外辐射温度信号变化前兆规律；
(a)式中，T为监测区域在t时刻的温度，A为Δt时间段内的温度变化率。
(2)将M个热红外监测探头依照10-20m的间距布设在工作面前方回采巷道内，其中地质构造较复杂区域可以增加1-2个热红外监测探头的布置，通过多芯通信电缆，将热红外监测探头实时监测的辐射温度信号传入井下监测分站；
(3)井下监测分站将实时红外辐射温度信号转化为光信号，经环网交换机由主光缆传输至地面监测主机，或者直接将实时红外辐射温度信号通过电缆传输至地面监测主机；
(4)地面监测主机通过数据处理计算机的相关配套软件对传入的实时红外辐射温度进行信号处理；
(5)数据处理计算机将处理后的信号绘制出红外辐射温度变化曲线及生成视频热成像图，确定红外辐射温度场；
(6)通过远程监控系统实时显示被测煤体的温度场分布信息，系统可自动将监测的信号与试验得到的临界指标Tm和Am进行对比，对冲击危险进行预测预警，若监测的红外辐射温度达到或超过临界值Tm，或者温度变化率达到或超过临界值Am，即有冲击危险，需要采取卸压解危措施；若两者都小于相应的临界值，则无冲击危险。温度信号可以作为冲击地压灾害前兆识别的一种信号。
进一步的，所述的煤样试块形状为φ50mm×H100mm的圆柱体或为50mm×50mm×100mm的长方体；采用圆柱体或长方体可在冲击破坏试验时，便于施加预应力。
进一步的，所述的N和M的具体数值需要根据不同的矿井监测区域而确定，一般N≥20，M≥30。
进一步的，所述的温度临界值Tm及温度变化率临界值Am是根据检测区域的煤样试块测得，本发明应用时参数的具体数值需根据相应矿井煤样试块的冲击破坏实验结果而定。
进一步的，所述的热红外监测探头测得的温度信号分为点、线、面三种，分别为点的温度变化曲线，线的最高、最低以及平均温度变化曲线，面的最高、最低以及平均温度变化曲线，面的热成像图，最后得到温度场分布信息。
Claims (1)
1.一种基于红外辐射温度场的冲击地压灾害前兆识别的方法，其特征是：该冲击地压灾害前兆识别方法的步骤包括：
(1)在井下待监测区域煤体中取样，加工成至少N个煤样试块，对煤样试块进行冲击破坏实验，同时利用热红外成像仪对煤样试块从施加预应力到煤样试块发生冲击破坏整个过程中的红外辐射温度变化进行监测，确定预测冲击破坏的温度临界值Tm及温度变化率临界值Am，从而得出煤样试块冲击破坏的红外辐射温度信号变化前兆规律；
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(a)式中，T为监测区域在t时刻的温度，A为Δt时间段内的温度变化率。
(2)将M个热红外监测探头依照10-20m的间距布设在工作面前方回采巷道内，其中地质构造较复杂区域可以增加1-2个热红外监测探头的布置，通过多芯通信电缆，将热红外监测探头实时监测的辐射温度信号传入井下监测分站；
(3)井下监测分站将实时红外辐射温度信号转化为光信号，经环网交换机由主光缆传输至地面监测主机，或者直接将实时红外辐射温度信号通过电缆传输至地面监测主机；
(4)地面监测主机通过数据处理计算机的相关配套软件对传入的实时红外辐射温度进行信号处理；
(5)数据处理计算机将处理后的信号绘制出红外辐射温度变化曲线及生成视频热成像图，确定红外辐射温度场；
(6)通过远程监控系统实时显示被测煤体的温度场分布信息，系统可自动将监测的信号与试验得到的临界指标Tm和Am进行对比，对冲击危险进行预测预警，若监测的红外辐射温度达到或超过临界值Tm，或者温度变化率达到或超过临界值Am，即有冲击危险，需要采取卸压解危措施；若两者都小于相应的临界值，则无冲击危险；温度信号可以作为冲击地压灾害前兆识别的一种信号；
所述的煤样试块形状为φ50mm×H100mm的圆柱体或为50mm×50mm×100mm的长方体；所述的N和M的具体数值需要根据不同的矿井监测区域而确定，N≥20，M≥30；
所述的热红外监测探头测得的温度信号分为点、线、面三种，分别为点的温度变化曲线，线的最高、最低以及平均温度变化曲线，面的最高、最低以及平均温度变化曲线，面的视频热成像图，最后得到温度场分布信息。
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