CN113188909B - 承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法 - Google Patents

承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法，进行单轴压缩煤岩的红外辐射观测实验，分别设置加载煤岩试样和参照煤岩试样，并采用红外热像仪对加载煤岩试样和参照煤岩试样分别录制；得到加载试样红外辐射温度矩阵IRlo、参照试样红外辐射温度矩阵IRre；计算IRre每一行元素的平均值得到参照试样红外辐射温度行平均值集合AIRTLre；计算加载试样绝对红外辐射温度矩阵AIRlo；计算加载试样红外辐射温度绝对方差VIRT；对VIRT进行一层小波分解得到小波变化一层分量，并通过小波变化一层分量计算裂纹萌生和稳定扩展起点的阈值。本发明利用红外辐射遥感监测技术，实现了煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的实时、准确识别，对提升矿井等岩土工程的安全生产水平有重要意义。

Description

承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法
技术领域
本发明涉及矿山煤岩体破裂失稳的监测预警技术领域，具体涉及一种承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法。
背景技术
承载煤岩裂纹的萌生和扩展是造成冲击矿压、煤柱失稳以及突水等灾害的根本原因。Brace和Bieniawski通过应力应变曲线，将单轴压缩下煤岩裂纹演化过程划分为：孔隙压密、线弹性变形、裂纹萌生和稳定扩展、裂纹非稳定扩展、破坏和峰后五个阶段。以往研究中常用电阻应变计检测煤岩裂纹闭合和扩展过程中产生的微小应变，以实现煤岩裂纹演化阶段的识别。然而，体积应变法很难识别裂纹萌生和稳定扩展阶段，尤其是试样含有高密度的原生裂纹时。一些学者使用电子显微镜扫描、激光散斑、超声波、电阻率识别煤岩裂纹演化阶段，但检测结果准确性仍较低。此外，一些学者采用声发射技术检测煤岩裂纹萌生扩展阶段，取得了较好的效果，但在应用过程中费时费力。因此，提出一种简单有效的煤岩裂纹萌生、扩展识别方法，是目前亟需解决的问题。
以往研究表明，承载煤岩裂纹演化过程中，其表面红外辐射温度会发生动态响应。红外辐射监测技术已逐步被引入地震、滑坡等自然灾害以及煤柱失稳、隧道渗漏水等工程灾害的监测预警中。相比其他方法，红外辐射监测技术具有实时性、无损性及非接触性等优点，并且操作方法简单，是识别裂纹萌生和扩展的理想手段。
发明内容
针对现有煤岩裂纹演化阶段的识别方法存在的准确率低、费时费力问题，本发明提出一种承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法，包括如下步骤：
S1：进行单轴压缩煤岩的红外辐射观测实验，同一水平高度上分别设置加载煤岩试样和参照煤岩试样，实验过程中加载煤岩试样施加载荷、参照煤岩试样不施加载荷，并采用红外热像仪对加载煤岩试样和参照煤岩试样分别录制；
S2：以加载煤岩试样轮廓为边界设置采集框，采集加载煤岩试样红外辐射数据，得到加载试样红外辐射温度矩阵IRlo；然后，平移采集框，采集相同水平高度的参照煤岩试样红外辐射数据，得到参照试样红外辐射温度矩阵IRre；
S3：计算参照试样红外辐射温度矩阵IRre每一行元素的平均值，得到参照试样红外辐射温度行平均值集合AIRTLre；
S4：根据加载试样红外辐射温度矩阵IRlo、参照试样红外辐射温度行平均值集合AIRTLre计算加载试样绝对红外辐射温度矩阵AIRlo；
S5：计算加载试样红外辐射温度绝对方差VIRT；
S6：对加载试样红外辐射温度绝对方差VIRT进行一层小波分解得到小波变化一层分量，并通过小波变化一层分量计算裂纹萌生和稳定扩展起点的阈值。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明利用红外辐射监测技术实现了承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的实时、准确识别，相比其他技术，本发明具有实时性、无损性及非接触性特点，并且操作简便，可识别度高，对提升矿井等岩土工程的安全生产水平有重要意义。具体包括：(1)本发明通过参照试样红外辐射温度行平均值集合对加载试样红外辐射温度矩阵进行噪声校正，以克服红外辐射温度场分布的不均匀性对去噪效果的影响。(2)本发明提出的红外辐射温度绝对方差(VIRT)可以有效反映加载试样岩石裂隙发育导致的红外温度变化，相比其他红外指标(平均红外辐射温度、红外辐射温度方差等)，其对裂隙发育的敏感性更高，从而为裂纹萌生和稳定扩展起点的识别提供便利。(3)本发明提出的针对裂纹萌生和稳定扩展起点识别的阈值，可以实现实时、动态监测，对岩石破坏失稳的前兆预警有重要意义。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法流程图；
图2为实验系统示意图；
图3为加载煤岩试样A1红外辐射温度绝对方差和应力随时间变化曲线；
图4为加载煤岩试样A1红外辐射温度绝对方差的一层小波分解及阈值曲线。
图中：1、加载煤岩试样；2、参照煤岩试样；3、压力机；4、红外热像仪；5、第一计算机；6、第二计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图2所示，一种承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法，包括如下步骤：
S1：进行单轴压缩煤岩的红外辐射观测实验，同一水平高度上分别设置加载煤岩试样1和参照煤岩试样2，加载煤岩试样左侧10cm处设置参照煤岩试样。红外热像仪4放置于加载试样1正前方1m处。实验过程中采用压力机3对加载煤岩试样施加载荷，参照煤岩试样不施加载荷，并采用红外热像仪以每秒30帧的速率对加载煤岩试样和参照煤岩试样分别录制，并利用第一计算机5和第二计算机6分别收集压力数据和红外辐射数据。
S2：以加载煤岩试样A1轮廓为边界设置采集框，采集框小于煤岩轮廓，采集加载煤岩试样红外辐射数据，得到加载试样红外辐射温度矩阵IRlo；然后，平移采集框，采集相同水平高度的参照煤岩试样B1红外辐射数据，得到参照试样红外辐射温度矩阵IRre；步骤S2得到的第i帧加载试样红外辐射温度矩阵
Figure BDA0003043590220000031
参照试样红外辐射温度矩阵
Figure BDA0003043590220000032
分别为：
Figure BDA0003043590220000033
其中，y、x分别为加载试样和参照试样的红外辐射温度矩阵的元素；下标m、n分别为行数和列数，上标i表示第i帧。
S3：计算参照试样红外辐射温度矩阵IRre每一行元素的平均值，得到参照试样红外辐射温度行平均值集合AIRTLre；步骤S3得到的第i帧参照试样红外辐射温度行平均值集合
Figure BDA0003043590220000034
为：
Figure BDA0003043590220000041
其中，
Figure BDA0003043590220000042
为第i帧参照试样红外辐射温度第j行的平均值，j＝1，2…m。
S4：根据加载试样红外辐射温度矩阵IRlo、参照试样红外辐射温度行平均值集合AIRTLre计算加载试样绝对红外辐射温度矩阵AIRlo；步骤S4用第i帧加载试样红外辐射温度矩阵
Figure BDA0003043590220000043
第j行的每个元素分别减去第i帧参照试样红外辐射温度行平均值集合
Figure BDA0003043590220000044
第j行的元素
Figure BDA0003043590220000045
得到第i帧加载试样绝对红外辐射温度矩阵
Figure BDA0003043590220000046
如下：
Figure BDA0003043590220000047
其中，T为加载试样绝对红外辐射温度矩阵AIRlo中的元素。
S5：如图3所示，计算加载试样红外辐射温度绝对方差VIRT；步骤S5计算第i帧加载试样红外辐射温度绝对方差VIRTi方法如下：
用第i帧加载试样绝对红外辐射温度矩阵
Figure BDA0003043590220000048
减去第一帧加载试样绝对红外辐射温度矩阵
Figure BDA0003043590220000049
得到第i帧加载试样绝对红外辐射温度增量矩阵
Figure BDA00030435902200000410
Figure BDA00030435902200000411
其中，h为加载试样绝对红外辐射温度增量矩阵
Figure BDA00030435902200000412
中的元素；
并通过下式计算第i帧加载试样红外辐射温度绝对方差VIRTi：
Figure BDA00030435902200000413
其中，hi j,k为第i帧加载试样绝对红外辐射温度增量矩阵
Figure BDA0003043590220000051
第j行第k列的元素，k＝1，2…n。
S6：如图4所示，采用haar函数对加载试样红外辐射温度绝对方差VIRT进行一层小波分解得到小波变化一层分量，并通过小波变化一层分量计算裂纹萌生和稳定扩展起点的阈值。步骤S6计算裂纹萌生和稳定扩展起点的阈值方法如下：
Figure BDA0003043590220000052
其中，ks为第s帧时判断裂纹萌生和稳定扩展起点的阈值；ai为第i帧加载试样红外辐射温度绝对方差VIRTi的小波变化一层分量；
第i帧加载试样红外辐射温度绝对方差VIRTi的小波变化一层分量ai(i＝1，2…p，p为实验过程的总帧数)首次超出阈值ks的时刻即为承载煤岩第s帧时裂纹萌生和稳定扩展起点。

Claims (8)

1.一种承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：进行单轴压缩煤岩的红外辐射观测实验，同一水平高度上分别设置加载煤岩试样和参照煤岩试样，实验过程中加载煤岩试样施加载荷、参照煤岩试样不施加载荷，并采用红外热像仪对加载煤岩试样和参照煤岩试样进行录制；
S2：以加载煤岩试样轮廓为边界设置采集框，采集加载煤岩试样红外辐射数据，得到加载试样红外辐射温度矩阵IRlo；然后，平移采集框，采集相同水平高度的参照煤岩试样红外辐射数据，得到参照试样红外辐射温度矩阵IRre；
S3：计算参照试样红外辐射温度矩阵IRre每一行元素的平均值，得到参照试样红外辐射温度行平均值集合AIRTLre；
S4：根据加载试样红外辐射温度矩阵IRlo、参照试样红外辐射温度行平均值集合AIRTLre计算加载试样绝对红外辐射温度矩阵AIRlo；
S5：计算加载试样红外辐射温度绝对方差VIRT；
S6：对加载试样红外辐射温度绝对方差VIRT进行一层小波分解得到小波变化一层分量，并通过小波变化一层分量计算裂纹萌生和稳定扩展起点的阈值。
2.根据权利要求1所述的承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法，其特征在于：步骤S2得到的第i帧加载试样红外辐射温度矩阵
Figure FDA0003043590210000011
参照试样红外辐射温度矩阵
Figure FDA0003043590210000012
分别为：
Figure FDA0003043590210000013
其中，y、x分别为加载试样和参照试样的红外辐射温度矩阵的元素；下标m、n分别为行数和列数，上标i表示第i帧。
3.根据权利要求2所述的承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法，其特征在于：步骤S3得到的第i帧参照试样红外辐射温度行平均值集合
Figure FDA0003043590210000014
为：
Figure FDA0003043590210000021
其中，
Figure FDA0003043590210000022
为第i帧参照试样红外辐射温度第j行的平均值，j＝1，2…m。
4.根据权利要求3所述的承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法，其特征在于：步骤S4用第i帧加载试样红外辐射温度矩阵
Figure FDA0003043590210000023
第j行的每个元素分别减去第i帧参照试样红外辐射温度行平均值集合
Figure FDA0003043590210000024
第j行的元素
Figure FDA0003043590210000025
得到第i帧加载试样绝对红外辐射温度矩阵
Figure FDA0003043590210000026
如下：
Figure FDA0003043590210000027
其中，T为加载试样绝对红外辐射温度矩阵AIRlo中的元素。
5.根据权利要求4所述的承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法，其特征在于：步骤S5计算第i帧加载试样红外辐射温度绝对方差VIRTi方法如下：
用第i帧加载试样绝对红外辐射温度矩阵
Figure FDA0003043590210000028
减去第一帧加载试样绝对红外辐射温度矩阵
Figure FDA0003043590210000029
得到第i帧加载试样绝对红外辐射温度增量矩阵
Figure FDA00030435902100000210
Figure FDA00030435902100000211
其中，h为加载试样绝对红外辐射温度增量矩阵
Figure FDA00030435902100000212
中的元素；
并通过下式计算第i帧加载试样红外辐射温度绝对方差VIRTi：
Figure FDA00030435902100000213
其中，hi j,k为第i帧加载试样绝对红外辐射温度增量矩阵
Figure FDA0003043590210000031
第j行第k列的元素，k＝1，2…n。
6.根据权利要求5所述的承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法，其特征在于：步骤S6计算裂纹萌生和稳定扩展起点的阈值方法如下：
Figure FDA0003043590210000032
其中，ks为第s帧时判断裂纹萌生和稳定扩展起点的阈值；ai为第i帧加载试样红外辐射温度绝对方差VIRTi的小波变化一层分量；
第i帧加载试样红外辐射温度绝对方差VIRTi的小波变化一层分量ai， i＝1，2…p，p为实验过程的总帧数， 首次超出阈值ks的时刻，即为承载煤岩第s帧时裂纹萌生和稳定扩展起点。
7.根据权利要求1所述的承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法，其特征在于：步骤S1中加载煤岩试样左侧10cm处设置参照煤岩试样。
8.根据权利要求1所述的承载煤岩裂纹萌生和稳定扩展起点的红外辐射识别方法，其特征在于：步骤S6中采用haar函数对加载试样红外辐射温度绝对方差VIRT进行一层小波分解。
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