山東科技大學：張強——基於主動紅外激勵的煤巖界面識別

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創新點

（1）構建了主動熱成像煤巖識別系統試驗臺，研發的Vario CAM hr靈敏型專家紅外熱成像系統，利用煤粉、水泥、沙子、黏合劑等材料分別澆築全煤、全巖和煤巖混合3種試件，在單光源9kLux的激勵強度下，開展煤巖界面識別研究。

（2）採用了IRBIS3紅外分析軟體對3種試件檢測表面不同時刻的溫度場信息進行提取和分析，綜合考慮溫度場信息差異增長幅度和主動激勵能源消耗等問題後，選在主動激勵30min 時進行紅外圖像的提取。

（3）建立了溫度場梯度模型，直觀地觀察到煤和巖的分布位置及分布趨勢，通過對溫度梯度模型進行溫線劃分、煤巖分布劃分處理以及建立煤巖分布模擬還原圖像後可以準確判定煤巖分布的過渡區域，提升煤巖識別的精度，降低採煤機在截割過程中的截齒磨損程度，有效延長截齒的使用壽命。

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作 者

張 強^1,2,孫紹安¹,張 坤²,張 旭¹,郭 桐¹

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單 位

1. 遼寧工程技術大學 機械工程學院；2. 山東科技大學 機械電子工程學院

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研究背景

在煤礦開採過程中,當採煤機截割到巖層時,截割設備會受到嚴重磨損,導致其使用壽命降低,甚至可能導致山體環境被破壞和安全事故的發生。同時,截割過程中破碎的巖石混落到原煤中,降低了煤炭開採質量,對後期的選煤及質量評估造成影響。故此,精準有效的煤巖界面識別技術是實現煤礦自動化與智能化開採,推動煤炭工業走新型產業化道路的有效措施,其能有效降低人工成本及人工技術局限性,在提高煤炭開採作業的安全係數及降低設備維護費用的同時,更大程度地提高煤炭開採率,實現了高產高效的目的。

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摘 要

針對綜採工作面採煤機智能化截割時存在的煤巖識別精度低等問題,採用紅外熱像技術,建立了煤巖界面檢測實驗臺。利用煤粉、水泥、沙子、黏合劑等材料分別澆築全煤、全巖和煤巖混合3種試件,在單光源9kLux的激勵強度下,開展煤巖界面識別研究。實驗過程中通過IRBIS3紅外分析軟體對3種試件檢測表面不同時刻的溫度場信息進行提取和分析,並建立溫度場梯度模型加以研究。

研究結果表明:煤、巖兩種物質在相同的激勵下的溫度場特性有明顯差異,當存在煤巖混合情況時,檢測區域內的溫差範圍和標準方差會明顯增大,可以此作為煤巖混合的一種預測識別依據;對煤巖試件進行主動激勵時,檢測區域前10min內溫升變化最為明顯,溫差範圍和標準方差增大較快,10~30min內溫度緩慢上升,溫差範圍和標準方差緩慢增大,30min後溫度相對穩定,溫差範圍和標準方差無明顯變化。

激勵時間的越長,煤和巖的溫度場信息差異就越大,更利於提升煤巖識別的精度。但綜合考慮溫度場信息差異增長幅度和主動激勵能源消耗等問題後,選在主動激勵30min時進行紅外圖像的提取較為合理;通過提取檢測區域內的溫度場信息,建立的溫度場梯度模型可以較為直觀地觀察到煤和巖的分布位置及分布趨勢,通過對溫度梯度模型進行溫線劃分、煤巖分布劃分處理以及建立煤巖分布模擬還原圖像後可以準確判定煤巖分布的過渡區域,提升煤巖識別的精度,降低採煤機在截割過程中的截齒磨損程度,有效延長截齒的使用壽命。

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部分圖片

紅外測溫原理示意

主動紅外檢測技術示意

紅外熱成像煤巖識別實驗臺

煤巖試件

煤、巖試件被動紅外監測圖像

煤、巖試件主動激勵紅外檢測圖像

煤巖混合試件初始紅外雲圖

3號試件主動激勵下不同時刻紅外圖像

檢測區域及監測點升溫圖像

不同試件溫度場趨於穩定後溫度梯度模型

3號試件溫度梯度模型等溫線標定

3號試件煤巖分布模擬還原圖像

3號試件煤巖分布模擬還原圖像與真實分布情況對比示意

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作者簡介

張強，男，1980年8月生，遼寧岫巖人，博士，博士後，教授，博士生導師，山東科技大學機械電子工程學院院長。山東省機械工程學會理事、中國煤炭工業協會設備管理分會理事、中國煤炭工業協會青年專家委員會委員、煤炭科學技術編委、露天採礦技術編委。榮獲孫越崎青年科技獎、遼寧省青年科技獎、全國煤炭青年五四獎章稱號，工業裝備結構分析國家重點實驗室訪問學者，機械傳動國家重點實驗室訪問學者，入選山東省泰山學者青年專家、遼寧省「百千萬人才工程」百人層次、遼寧省高等學校傑出人才支持計劃、遼寧省高等學校優秀人才支持計劃。

研究方向

礦山機械成套裝備系統理論，礦山智能化控制技術研究

主要成果

致力於煤炭高效自動化開採技術與理論的研究，形成了採掘機械預裂誘導煤巖卸荷機理、工作面自動化聯動控制技術等多項創新性成果。已發表學術論文140餘篇，其中SCI、EI檢索30餘篇；擁有國際PCT專利12項，國家發明專利33項，軟體著作權12項。獲省部級一等獎5項，二等獎12項，三等獎10項。獲省部級教學成果獎二等獎2項。獲省優秀碩士學位論文指導教師稱號。承擔國家級項目5項，省部級項目12項，主編國家行業技術標準6項，出版學術專著1部。

來源：

張強,孫紹安,張坤,等.基於主動紅外激勵的煤巖界面識別[J].煤炭學報,2020,45(9):3363-3370.

ZHANG Qiang,SUN Shaoan,ZHANG Kun,et al.Coal and rock interface identification based on active infrared excitation[J].Journal of China Coal Society,2020,45(9):3363-3370.

責任編輯：韓晉平編輯整理：郭曉煒審 核：常琛

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