CN112665731A - 红外辐射技术监测煤岩破坏失稳的分级预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外辐射技术监测煤岩破坏失稳的分级预警方法，涉及充填开采与岩层控制领域。本方法提出IRTR的定量分析指标，并基于IRTR定义煤岩加卸载响应比，加卸载响应比在循环加卸载的中后期有明显的“突增－迅速回落”过程，该特征作为煤岩破坏的早期前兆；再基于AIRT定义煤岩加卸载响应比，卸载响应比整体呈上升的趋势，且在最后一次循环发生突增，该突变作为煤岩的临破坏前兆。结合煤岩的早期前兆和临破坏前兆，实现对煤岩破坏失稳的“早期前兆－临破坏前兆”的分级预警。本发明方法采用红外辐射定义煤岩加卸载响应比，能更好地监测工程煤岩体的稳定性，研究结果对矿山灾害和煤岩工程灾害的红外遥感监测及预警具有科学意义。
Description
技术领域
本发明涉及矿山灾害和煤岩工程灾害的红外遥感监测及预警领域，尤其涉及一种红外辐射技术监测煤岩破坏失稳的分级预警方法。
背景技术
在煤矿井下的掘进、采煤和充填过程，由于煤岩和充填体常处于循环荷载的作用下，承载过程中易出现局部的应力集中，局部位置易发生裂纹损伤不断累积扩展，最终可能发生破坏失稳。
国内外学者对循环荷载作用下煤岩的破坏前兆特征做了大量研究，但以往的研究计算加卸载响应比需获取煤岩的应变或声发射数据。实际上，在施工现场采用接触式观测获取的应变和声发射数据易受到机械振动的干扰。而红外观测技术具有非接触、高灵敏度、全区域、抗干扰性强、携带方便和高动态等独特的优势，采用红外热像仪观测工程煤岩，可以克服接触式观测易受机械振动干扰的缺点。因此，如能采用红外辐射定义煤岩加卸载响应比，则能更好地监测工程煤岩体的稳定性。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种红外辐射技术监测煤岩破坏失稳的分级预警方法。基于IRTR(infrared radiation temperature rate，红外辐射温度的变化率)和AIRT(average infrared radiation temperature，平均红外辐射温度)建立承载煤岩的加卸载响应比，能更好的监测承载煤岩破坏失稳前的早期前兆和临破坏前兆问题，进而实现了对煤岩破坏失稳的“早期前兆－临破坏前兆”的分级预警。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种红外辐射技术监测煤岩破坏失稳的分级预警方法，包括以下步骤：
a、采集承载煤岩破坏失稳过程中的原始红外辐射信息：采用红外辐射探测系统采集承载煤岩的表面红外辐射信息；
b、计算承载煤岩表面红外辐射温度的平均值AIRT：对步骤a得到的煤岩在破坏失稳过程中的原始红外辐射信息进行平均值的计算处理；
c、确定承载煤岩破坏失稳的早期前兆：在步骤b的基础上，采用IRTR的定量分析指标，即单位时间内AIRT的变化量，建立基于IRTR的煤岩加卸载响应比，加卸载响应比在循环加卸载中一定时间段内变化量超过阈值，该特征作为煤岩破坏的早期前兆；
d、确定承载煤岩破坏失稳的临破坏前兆：在步骤b的基础上，建立基于AIRT的加卸载响应比，将最后一次循环的加卸载响应比的突变作为煤岩的临破坏前兆。
进一步的，所述步骤a的红外辐射探测系统包括压力机、塑料薄膜、承载煤岩、隔离封闭箱体、红外热像仪和数据采集仪；压力机、塑料薄膜、承载煤岩和红外热像仪均位于隔离封闭箱体的内部，承载煤岩位于压力机上，二者接触的上下表面设有塑料薄膜，数据采集仪分别与压力机和红外热像仪连接，开始监测承载煤岩破坏过程中红外辐射信息时，同时同步启动红外辐射探测系统的压力机和红外热像仪。
进一步的，所述步骤b对煤岩在破坏失稳过程中的原始红外热像系列进行平均值的计算处理，方法如下：
式中AIRTP为原始红外热像系列图第P帧的平均值，fP(x，y)为原始红外热像系列图第P帧的二维温度矩阵，M和N分别为温度矩阵的总行数和总列数，x和y分别为温度矩阵的行号和列号。
进一步的，所述步骤c建立基于IRTR的加卸载响应比，加卸载响应比Y表示为：
其中X-和X+分别为卸载和加载时的响应量；Δε-和Δε+分别为卸载和加载时的应变变化量；Δσ-和Δσ+分别为卸载和加载时的应力变化量；
式中X为响应量；ΔR为响应变化量，ΔP为载荷变化量，Δσ为应力变化量，M(i)为筛选出的第i个煤岩加卸载过程中IRTR的突变值。
进一步的，煤岩加卸载过程中IRTR的突变值，计算方法如下：
其中IRTRi是指第i个IRTR数值；Ti是指采集第i个AIRT数据时所对应的时间；AIRTi是指Ti时刻所采集到的AIRT数值；基于正态分布的小概率准则，以IRTR的二倍标准偏差作为IRTR突变的临界线对数据进行筛选，高于控制线的IRTR值为突变，表达式为：
其中
是IRTR的均值，σ是IRTR的标准偏差。
进一步的，所述步骤d建立基于AIRT的加卸载响应比，加卸载响应比Y为：
其中ΔAIRT+和ΔAIRT-分别为加载阶段AIRT的变化量和卸载阶段AIRT的变化量；X-和X+分别为卸载和加载时的响应量；Δσ-和Δσ+分别为卸载和加载时的应力变化量；
式中X为响应量，ΔR为响应变化量，ΔP为载荷变化量，Δσ为应力变化量，ΔAIRT为AIRT的变化量。
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：
本发明结合煤岩的早期前兆和临破坏前兆，实现对煤岩破坏失稳的“早期前兆－临破坏前兆”的分级预警。本发明方法采用红外辐射定义煤岩加卸载响应比，能更好地监测工程煤岩体的稳定性，分别基于IRTR和AIRT建立承载煤岩的加卸载响应比，实现了对煤岩破坏失稳的“早期前兆－临破坏前兆”的分级预警，研究结果对矿山灾害和煤岩工程灾害的红外遥感监测及预警具有科学意义。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的承载煤岩红外辐射监测系统的结构示意图；
图3是本发明的承载煤岩的应力路径与循环次数图；
图4是本发明某一煤岩样的循环加卸载过程中的应力-应变-AIRT曲线；
图5是本发明某一煤岩样的煤岩加卸载过程中的IRTR图；
图6是本发明某一煤岩样的应力-IRTR加卸载响应比；
图7是本发明某一煤岩应力-AIRT加卸载响应比；
图中：1-压力机；2-塑料薄膜；3-承载煤岩；4-隔离封闭箱体；5-红外热像仪；6-红外辐射采集仪。
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。
本发明所述的一种红外辐射技术监测煤岩破坏失稳的分级预警方法，具体流程如图1所示，包括以下步骤：
a、采集承载煤岩破坏失稳过程中的原始红外辐射信息：由于承载煤岩和充填体在局部易出现应力集中，而局部位置易破裂并导致其红外辐射温度场产生分异和离散化现象，红外辐射指标也会随之发生突变，因此采用红外辐射探测系统观测采掘、充填过程中煤岩体、充填体的表面红外辐射信息。
提前准备调试红外辐射探测系统，如图2所示，包括压力机1、塑料薄膜2、承载煤岩3、隔离封闭箱体4、红外热像仪5和数据采集仪6；压力机1、塑料薄膜2、承载煤岩3和红外热像仪5均位于隔离封闭箱体4的内部，隔离封闭箱体4的设置是为了避免外界环境影响承载煤岩3的红外辐射信息，从而提高红外辐射探测系统的准确性；承载煤岩3位于压力机1上，二者接触的上下表面设有塑料薄膜2，数据采集仪6分别与压力机1和红外热像仪5连接。利用红外辐射探测系统采集并存储承载煤岩3破裂过程中煤岩外表面的红外辐射信息，得到承载煤岩3破裂过程中原始红外辐射热像信息。开始监测承载煤岩破坏过程中红外辐射信息时，同时同步启动红外辐射探测系统的压力机1和红外热像仪5。
b、计算承载煤岩表面红外辐射温度的平均值(AIRT)：对步骤a得到的煤岩在破坏失稳过程中的原始红外辐射信息进行平均值的计算处理。
式中AIRTP为原始红外热像系列图第P帧的平均值，fP(x，y)为原始红外热像系列图第P帧的二维温度矩阵，M和N分别为温度矩阵的总行数和总列数，x和y分别为温度矩阵的行号和列号。
c、确定承载煤岩破坏失稳的早期前兆：在步骤b的基础上，采用IRTR的定量分析指标，即单位时间内AIRT的变化量，建立基于IRTR的煤岩加卸载响应比，加卸载响应比在循环加卸载的中后期存在明显的“突增-迅速回落”过程，即加卸载响应比在循环加卸载中一定时间段内变化量超过阈值，该特征作为煤岩破坏的早期前兆。图3是本发明实施例的承载煤岩的应力路径与循环次数图。
基于IRTR的加卸载响应比Y表示为：
其中X-和X+分别为卸载和加载时的响应量；Δε-和Δε+分别为卸载和加载时的应变变化量；Δσ-和Δσ+分别为卸载和加载时的应力变化量；
式中X为响应量；ΔR为响应变化量，ΔP为载荷变化量，Δσ为应力变化量，M(i)为筛选出的第i个煤岩加卸载过程中IRTR的突变值。
煤岩加卸载过程中IRTR的突变值，计算方法如下：
其中IRTRi是指第i个IRTR数值；Ti是指采集第i个AIRT数据时所对应的时间；AIRTi是指Ti时刻所采集到的AIRT数值；基于正态分布的小概率准则，以IRTR的二倍标准偏差作为IRTR突变的临界线对数据进行筛选，高于控制线的IRTR值为突变，表达式为：
其中
是IRTR的均值，σ是IRTR的标准偏差。
d、确定承载煤岩破坏失稳的临破坏前兆：在步骤b的基础上，建立基于AIRT的加卸载响应比，加卸载响应比整体呈上升的趋势，且在最后一次循环发生突增，将最后一次循环的加卸载响应比的突变作为煤岩的临破坏前兆。
基于AIRT的加卸载响应比Y为：
其中ΔAIRT+和ΔAIRT-分别为加载阶段AIRT的变化量和卸载阶段AIRT的变化量；X-和X+分别为卸载和加载时的响应量；Δσ-和Δσ+分别为卸载和加载时的应力变化量；
式中X为响应量，ΔR为响应变化量，ΔP为载荷变化量，Δσ为应力变化量，ΔAIRT为AIRT的变化量。
图4为某一煤岩样的循环加卸载过程中的应力-应变-AIRT曲线。在煤岩加卸载的全过程应变与应力具有较好的一致性，第一次循环加载过程以不可恢复的塑性变形为主，这是因为煤岩内部的孔隙和微裂隙压密，之后的循环加卸载过程中煤岩的变形以可恢复的弹性变形为主。而AIRT整体呈下降的趋势。煤岩在加卸载循环过程中初期AIRT呈下降的趋势，之后煤岩加载过程中AIRT呈上升的趋势，而卸载过程中AIRT呈下降的趋势，并且卸载阶段AIRT的变化量高于加载阶段的AIRT的变化量。煤岩最终发生破坏时AIRT均发生了突增。
图5为某一煤岩样的煤岩加卸载过程中的IRTR图。为了有效筛选IRTR突变值，本方法基于正态分布的小概率准则，以IRTR的二倍标准偏差作为控制线对数据进行筛选，高于控制线的IRTR值为突变。
图6为某一煤岩循环加卸载过程中应力-IRTR加卸载响应比。煤岩样加载阶段IRTR响应量呈W型波动的变化趋势，卸载阶段IRTR响应量整体呈下降趋势，而岩样加卸载响应比整体呈上升的趋势，且加卸载响应比中后期时发生突变-快速下降，该特征作为煤岩破坏失稳的早期前兆。
图7为某一煤岩加载、卸载阶段的AIRT响应量以及加卸载响应比随应力的变化趋势图。岩样卸载阶段AIRT响应量整体呈下降的趋势，而加卸载响应比整体呈上升的趋势，且在煤岩最后一次循环时发生突变，这是因为最后一次循环时试样内部损伤迅速加剧，微裂隙快速增加，煤岩塑性变形继续增加，因此加载阶段AIRT响应量增加或保持平稳，而卸载阶段AIRT响应量降低，从而导致加卸载响应比发生突变。因此，可将基于AIRT的加卸载响应比最后一次循环时的突变作为临破坏前兆。
因此，本发明采用分别基于IRTR和AIRT建立承载煤岩的加卸载响应比，能更好的监测承载煤岩破坏失稳前的早期前兆和临破坏前兆问题，实现了对煤岩破坏失稳的“早期前兆-临破坏前兆”的分级预警，能够很好地对承载煤岩损伤破裂进行监测预警。
以上实施方式仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述的各个实施方式对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.红外辐射技术监测煤岩破坏失稳的分级预警方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、采集承载煤岩破坏失稳过程中的原始红外辐射信息：采用红外辐射探测系统采集承载煤岩的表面红外辐射信息；
b、计算承载煤岩表面红外辐射温度的平均值AIRT：对步骤a得到的煤岩在破坏失稳过程中的原始红外辐射信息进行平均值的计算处理；
c、确定承载煤岩破坏失稳的早期前兆：在步骤b的基础上，采用IRTR的定量分析指标，即单位时间内AIRT的变化量，建立基于IRTR的煤岩加卸载响应比，加卸载响应比在循环加卸载中一定时间段内变化量超过阈值，该特征作为煤岩破坏的早期前兆；
d、确定承载煤岩破坏失稳的临破坏前兆：在步骤b的基础上，建立基于AIRT的加卸载响应比，将最后一次循环的加卸载响应比的突变作为煤岩的临破坏前兆。
2.根据权利要求1所述的红外辐射技术监测煤岩破坏失稳的分级预警方法，其特征在于：所述步骤a的红外辐射探测系统包括压力机、塑料薄膜、承载煤岩、隔离封闭箱体、红外热像仪和数据采集仪；压力机、塑料薄膜、承载煤岩和红外热像仪均位于隔离封闭箱体的内部，承载煤岩位于压力机上，二者接触的上下表面设有塑料薄膜，数据采集仪分别与压力机和红外热像仪连接，开始监测承载煤岩破坏过程中红外辐射信息时，同时同步启动红外辐射探测系统的压力机和红外热像仪。
3.根据权利要求1所述的红外辐射技术监测煤岩破坏失稳的分级预警方法，其特征在于：所述步骤b对煤岩在破坏失稳过程中的原始红外热像系列进行平均值的计算处理，方法如下：
式中AIRTP为原始红外热像系列图第P帧的平均值，fP(x,y)为原始红外热像系列图第P帧的二维温度矩阵，M和N分别为温度矩阵的总行数和总列数，x和y分别为温度矩阵的行号和列号。
4.根据权利要求1所述的红外辐射技术监测煤岩破坏失稳的分级预警方法，其特征在于：所述步骤c建立基于IRTR的加卸载响应比，加卸载响应比Y表示为：
其中X_和X+分别为卸载和加载时的响应量；Δε-和Δε+分别为卸载和加载时的应变变化量；Δσ-和Δσ+分别为卸载和加载时的应力变化量；
式中X为响应量，ΔR为响应变化量，ΔP为载荷变化量，Δσ为应力变化量，M(i)为筛选出的第i个煤岩加卸载过程中IRTR的突变值。
5.根据权利要求4所述的红外辐射技术监测煤岩破坏失稳的分级预警方法，其特征在于：煤岩加卸载过程中IRTR的突变值，计算方法如下：
其中IRTRi是指第i个IRTR数值；Ti是指采集第i个AIRT数据时所对应的时间；AIRTi是指Ti时刻所采集到的AIRT数值；基于正态分布的小概率准则，以IRTR的二倍标准偏差作为IRTR突变的临界线对数据进行筛选，高于控制线的IRTR值为突变，表达式为：
其中
是IRTR的均值，σ是IRTR的标准偏差。
6.根据权利要求1-5任一所述的红外辐射技术监测煤岩破坏失稳的分级预警方法，其特征在于：所述步骤d建立基于AIRT的加卸载响应比，加卸载响应比Y为：
其中ΔAIRT+和ΔAIRT-分别为加载阶段AIRT的变化量和卸载阶段AIRT的变化量；X-和X+分别为卸载和加载时的响应量；Δσ-和Δσ+分别为卸载和加载时的应力变化量；
式中X为响应量，ΔR为响应变化量，ΔP为载荷变化量，Δσ为应力变化量，ΔAIRT为AIRT的变化量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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