CN110411572A - 承载煤岩破裂的红外辐射监测预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了承载煤岩破裂的红外辐射监测预警方法，该方法基于承载煤岩内部破裂会导致其表面红外辐射温度突变的特点，采集承载煤岩损伤破裂过程中的红外辐射信息，确定承载煤岩因微元破裂而产生红外辐射突变的温度幅值区间，统计承载煤岩红外辐射突变点的温度‑频数分布关系，计算红外辐射特征值，并对红外辐射特征值取倒数，基于红外辐射特征值倒数对承载煤岩损伤破裂进行监测预警。本发明方法实现了对承载煤岩损伤破裂尺度的评价，对提升矿井安全生产水平有重要意义。

Description

承载煤岩破裂的红外辐射监测预警方法

技术领域

本发明涉及承载煤岩破裂的红外辐射监测预警方法，属于矿山煤岩体破裂失稳的监测预警技术领域。

背景技术

承载煤岩损伤破裂会导致矿井冲击矿压、遗留煤柱坍塌、顶板垮落和突水等灾害，造成严重的人员伤亡与经济损失。煤岩损伤破裂过程伴随着内部微裂纹、微孔洞等缺陷的扩展、成核，最终形成宏观裂纹，导致煤岩失去承载能力。这种微缺陷由无序向有序发展的过程是煤岩表面红外辐射变化的根本原因。因此，红外辐射观测作为一种无损遥感探测技术，是对煤岩损伤破裂进行监测预警的便捷、有效手段。目前采用红外辐射监测煤岩破裂的方法是通过红外辐射特征的异常现象判断其是否破裂，无法有效反应煤岩的破裂尺度，不能准确判断煤岩的破裂状态。因此，研究一种能有效反应煤岩破裂尺度的监测预警指标是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供承载煤岩破裂的红外辐射监测预警方法，通过观测煤岩表面红外辐射信息，判断煤岩破裂尺度，实现煤岩损伤破裂监测预警。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

承载煤岩破裂的红外辐射监测预警方法，包括如下步骤：

步骤1，采集承载煤岩损伤破裂过程中的红外辐射信息以及参照煤岩的红外辐射信息，并对红外辐射信息进行中值和高斯滤波处理，去除噪声干扰，得到参照煤岩和承载煤岩各自对应的原始红外辐射温度矩阵；

步骤2，对参照煤岩和承载煤岩各自对应的原始红外辐射温度矩阵分别进行前向一阶差分处理，并取绝对值，得到参照煤岩和承载煤岩各自对应的红外辐射变温矩阵；

步骤3，确定承载煤岩产生红外辐射突变的温度幅值区间，计算参照煤岩红外辐射变温矩阵中所有元素的平均值，将该平均值作为温度幅值区间的最小值，将承载煤岩红外辐射变温矩阵中所有元素的最大值作为温度幅值区间的最大值；

步骤4，在第p帧对应的温度幅值区间[Min(p),Max(p)]中，以Min(p)为起始温度，以0.01℃为温度间隔，统计红外辐射突变点T_p的频数N_p(T_p)，得到承载煤岩红外辐射变温矩阵中红外辐射突变点的温度-频数分布，T_p∈[Min(p),Max(p)]，T_p＝Min(p)+0.01×s，s∈[0,a]，且s为整数，Min(p)为第p帧温度幅值区间的最小值，Max(p)为第p帧温度幅值区间的最大值；

步骤5，对红外辐射突变点的频数N_p(T_p)进行对数运算，得到红外辐射突变点的温度-对数频数，根据红外辐射突变点的温度-对数频数求得第p帧对应的红外辐射特征值；

步骤6，对第p帧对应的红外辐射特征值取倒数，得到所有帧红外辐射特征值倒数，求取所有帧红外辐射特征值倒数的平均值和最小值，并用平均值的2倍减去最小值，将所得值作为判定承载煤岩红外辐射特征值倒数发生突变的阈值，将红外辐射特征值倒数超过该阈值的时刻，作为承载煤岩发生破裂的时刻。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述红外辐射变温矩阵的计算公式为：

其中，φ(i,j,p)表示煤岩第p帧的红外辐射变温矩阵的第i行第j列元素，表示煤岩第p+1帧的原始红外辐射温度矩阵的第i行第j列元素，表示煤岩第p帧的原始红外辐射温度矩阵的第i行第j列元素。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述确定承载煤岩产生红外辐射突变的温度幅值区间的计算公式为：

Max(p)＝Max(φ_jz(i,j,p))

其中，φ_cz(i,j,p)表示参照煤岩第p帧的红外辐射变温矩阵的第i行第j列元素，φ_jz(i,j,p)表示承载煤岩第p帧的红外辐射变温矩阵的第i行第j列元素，m、n分别为矩阵的行、列数，Min(p)为第p帧温度幅值区间的最小值，Max(p)为第p帧温度幅值区间的最大值。

作为本发明的一种优选方案，步骤5所述红外辐射特征值的计算方法为：

对红外辐射突变点的频数N_p(T_p)进行对数运算，得到红外辐射突变点的对数频数M_p(T_p)：

M_p(T_p)＝log₁₀(N_p(T_p))

令M_p(T_p)＝h-k×T_p，T_p＝Min(p)+0.01×s，s∈[0,a]，且s为整数，基于最小二乘法，对红外辐射特征值进行计算：

其中，为第p帧对应的红外辐射特征值， Min(p)为第p帧温度幅值区间的最小值，Max(p)为第p帧温度幅值区间的最大值，h、k均为参数，T_p(s)为第p帧承载煤岩的红外辐射温度幅值区间的某温度，M_p(s)为第p帧承载煤岩的红外辐射温度幅值区间的某温度对应的对数频数。

作为本发明的一种优选方案，步骤6所述对第p帧对应的红外辐射特征值取倒数，表示为：

其中，RIRE_p为第p帧对应的红外辐射特征值倒数，为第p帧对应的红外辐射特征值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明确定了承载煤岩因微元破裂而产生的红外辐射突变的温度幅值区间，统计了承载煤岩红外辐射突变点的温度-频数分布关系，计算了红外辐射特征值，并以红外辐射特征值倒数为指标，对承载煤岩损伤破裂进行监测预警，实现了煤岩破裂尺度的评价，提高了矿山的安全生产水平。

附图说明

图1是本发明承载煤岩破裂的红外辐射监测预警方法的流程图。

图2是本发明中某两帧红外辐射变温矩阵的红外辐射突变点温度-频数(N_p(T_p)-T_p)分布，其中，(a)为第7帧，(b)为第7447帧。

图3是本发明中某两帧红外辐射变温矩阵的红外辐射突变点温度-对数频数(M_p(T_p)-T_p)分布，其中，(a)为第7帧，(b)为第7447帧。

图4是本发明中某两帧红外辐射变温矩阵的红外辐射突变点温度-对数频数的回归方程曲线，其中，(a)为第7帧，(b)为第7447帧。

图5是本发明中某岩样的红外辐射特征值倒数(RIRE)和应力随时间变化的曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示为本发明承载煤岩破裂的红外监测预警方法的流程图，包括以下步骤：

a、采集承载煤岩损伤破裂过程中的红外辐射信息，并对红外辐射数据进行中值和高斯滤波处理，去除噪声干扰。

b、建立参照和承载煤岩的红外辐射变温矩阵：对去噪后的参照煤岩和加载煤岩原始红外辐射温度矩阵分别进行前向一阶差分处理，并取绝对值，得到红外辐射变温矩阵序列：

其中：φ(i,j,p)为煤岩第p帧的红外辐射变温矩阵，为煤岩第p帧的原始红外辐射温度矩阵；i为红外辐射温度矩阵的行号；j为红外辐射温度矩阵的列号。

c、确定承载煤岩因微元破裂而产生的红外辐射突变的温度幅值区间：计算每一帧参照煤岩红外辐射变温矩阵的平均值，为承载煤岩因微元破裂而产生的红外辐射突变阈值，以红外辐射突变阈值为温度幅值区间的最小值；计算加载煤岩每一帧红外辐射变温矩阵的最大值，为温度幅值区间的最大值：

Max(p)＝Max(φ_jz(i,j,p))

T_p∈[Min(p),Max(p)]

其中：φ_cz(i,j,p)为参照煤岩第p帧的红外辐射变温矩阵，φ_jz(i,j,p)为加载煤岩第p帧的红外辐射变温矩阵，Min(p)为第p帧温度幅值最小值，Max(p)为第p帧温度幅值最大值，T_p为第p帧承载煤岩因微元破裂而产生的红外辐射突变温度。

d、统计每帧加载煤岩红外辐射变温矩阵中红外辐射突变点的温度-频数分布：以Min(p)为起始温度，以0.01℃为温度间隔，统计温度为T_p的红外辐射突变点频数N_p(T_p)，得到加载煤岩红外辐射变温矩阵中红外辐射突变点的温度-频数分布，具体示例如图2的(a)、(b)所示。

e、计算红外辐射特征值：对红外辐射突变频数N_p进行对数运算，得到红外辐射突变点的对数频数，具体示例如图3的(a)、(b)所示：

M_p＝log₁₀(N_p)

其中：M_p为红外辐射突变点的对数频数。

进一步地，令M_p(T_p)＝h-k×T_p，其中T_p＝Min(p)+0.01×s，s∈[0,a]，且s为整数，基于最小二乘法，对红外辐射特征值进行计算：

其中：为第p帧红外辐射特征值，

f、对承载煤岩损伤破裂进行监测预警：对步骤e得到的红外辐射特征值取倒数：

其中：RIRE_p为第p帧红外辐射特征值倒数。

求取所有帧RIRE的平均值和最小值，用平均值的2倍减去最小值，并将所得值作为判定承载煤岩RIRE发生突变的阈值，当RIRE超出阈值时视为发生突变。找出红外辐射特征值倒数(RIRE)的突变时刻，作为煤岩发生大尺度破裂时刻，且RIRE的突变幅度越大，承载煤岩的损伤破裂尺度越大。

本发明确定了承载煤岩因微元破裂而产生的红外辐射突变的温度幅值区间，统计了承载煤岩红外辐射突变点的温度-频数分布关系，计算了红外辐射特征值，并以红外辐射特征值倒数为指标，对承载煤岩损伤破裂进行监测预警，实现了煤岩破裂尺度的评价，提高了矿山的安全生产水平。

如图4的(a)、(b)所示，红外辐射突变点的温度-对数频数分布符合一次线性关系曲线。图5所示承载煤岩在发生较大破裂前，RIRE会发生突变，且破裂尺度越大，RIRE的突变幅度越大。因此，利用RIRE能够很好地对承载煤岩损伤破裂进行监测预警。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.承载煤岩破裂的红外辐射监测预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，采集承载煤岩损伤破裂过程中的红外辐射信息以及参照煤岩的红外辐射信息，并对红外辐射信息进行中值和高斯滤波处理，去除噪声干扰，得到参照煤岩和承载煤岩各自对应的原始红外辐射温度矩阵；

步骤2，对参照煤岩和承载煤岩各自对应的原始红外辐射温度矩阵分别进行前向一阶差分处理，并取绝对值，得到参照煤岩和承载煤岩各自对应的红外辐射变温矩阵；

步骤3，确定承载煤岩产生红外辐射突变的温度幅值区间，计算参照煤岩红外辐射变温矩阵中所有元素的平均值，将该平均值作为温度幅值区间的最小值，将承载煤岩红外辐射变温矩阵中所有元素的最大值作为温度幅值区间的最大值；

步骤4，在第p帧对应的温度幅值区间[Min(p),Max(p)]中，以Min(p)为起始温度，以0.01℃为温度间隔，统计红外辐射突变点T_p的频数N_p(T_p)，得到承载煤岩红外辐射变温矩阵中红外辐射突变点的温度-频数分布，T_p∈[Min(p),Max(p)]，T_p＝Min(p)+0.01×s，s∈[0,a]，且s为整数，Min(p)为第p帧温度幅值区间的最小值，Max(p)为第p帧温度幅值区间的最大值；

步骤5，对红外辐射突变点的频数N_p(T_p)进行对数运算，得到红外辐射突变点的温度-对数频数，根据红外辐射突变点的温度-对数频数求得第p帧对应的红外辐射特征值；

步骤6，对第p帧对应的红外辐射特征值取倒数，得到所有帧红外辐射特征值倒数，求取所有帧红外辐射特征值倒数的平均值和最小值，并用平均值的2倍减去最小值，将所得值作为判定承载煤岩红外辐射特征值倒数发生突变的阈值，将红外辐射特征值倒数超过该阈值的时刻，作为承载煤岩发生破裂的时刻。

2.根据权利要求1所述承载煤岩破裂的红外辐射监测预警方法，其特征在于，步骤2所述红外辐射变温矩阵的计算公式为：

其中，φ(i,j,p)表示煤岩第p帧的红外辐射变温矩阵的第i行第j列元素，表示煤岩第p+1帧的原始红外辐射温度矩阵的第i行第j列元素，表示煤岩第p帧的原始红外辐射温度矩阵的第i行第j列元素。

3.根据权利要求1所述承载煤岩破裂的红外辐射监测预警方法，其特征在于，步骤3所述确定承载煤岩产生红外辐射突变的温度幅值区间的计算公式为：

Max(p)＝Max(φ_jz(i,j,p))

其中，φ_cz(i,j,p)表示参照煤岩第p帧的红外辐射变温矩阵的第i行第j列元素，φ_jz(i,j,p)表示承载煤岩第p帧的红外辐射变温矩阵的第i行第j列元素，m、n分别为矩阵的行、列数，Min(p)为第p帧温度幅值区间的最小值，Max(p)为第p帧温度幅值区间的最大值。

4.根据权利要求1所述承载煤岩破裂的红外辐射监测预警方法，其特征在于，步骤5所述红外辐射特征值的计算方法为：

对红外辐射突变点的频数N_p(T_p)进行对数运算，得到红外辐射突变点的对数频数M_p(T_p)：

M_p(T_p)＝log₁₀(N_p(T_p))

令M_p(T_p)＝h-k×T_p，T_p＝Min(p)+0.01×s，s∈[0,a]，且s为整数，基于最小二乘法，对红外辐射特征值进行计算：

其中，为第p帧对应的红外辐射特征值， Min(p)为第p帧温度幅值区间的最小值，Max(p)为第p帧温度幅值区间的最大值，h、k均为参数，T_p(s)为第p帧承载煤岩的红外辐射温度幅值区间的某温度，M_p(s)为第p帧承载煤岩的红外辐射温度幅值区间内某温度对应的对数频数。

5.根据权利要求1所述承载煤岩破裂的红外辐射监测预警方法，其特征在于，步骤6所述对第p帧对应的红外辐射特征值取倒数，表示为：

其中，RIRE_p为第p帧对应的红外辐射特征值倒数，为第p帧对应的红外辐射特征值。