基于图像识别的煤岩界面识别方法研究

基于图像识别的煤岩界面识别方法研究

1煤矿安全生产保障方面，应建立机械化、自动化和信息化，减少煤矿工作面作业人员采区是煤矿事故频发的地方。2009年全国煤矿发生68起一次死亡3人及以上瓦斯事故，其中采掘工作面发生45起，占66.2%;20起一次死亡3人及以上水灾事故中，采掘工作面发生14起，占70%;16起一次死亡3人及以上顶板事故中，采掘工作面发生11起，占68.8%。因此，有必要通过煤矿机械化、自动化和信息化，减少煤矿采掘工作面作业人员。减少煤矿采掘工作面作业人员既是煤矿安全生产的需要，又是减轻作业人员劳动强度和改善作业环境的需要，特别是薄煤层作业人员。煤矿信息化与自动化是煤矿安全生产的重要保障。近年来，煤矿安全监控、煤矿井下人员位置监测、煤炭产量远程监测、全矿井移动通信、无人值守远程监控技术及系统取得了突破和快速发展，在煤矿安全生产工作中发挥着重要作用。实现了煤矿井下机电硐室、压风机房、水泵房、输送带等岗位无人值守远程监控。实现了采煤工作面有人巡视条件下的回采巷道遥控和记忆割煤，但不能自动识别煤岩界面，不能实现工作面无人控制。因此笔者分析了目前煤岩界面识别技术研究现状，提出了基于图像识别的多信息融合煤岩界面识别方法，以提高煤岩界面识别的正确率和适用范围。2煤层厚度的测算方法煤岩界面识别是采煤工作面无人开采的关键技术之一。通过煤岩界面自动识别，及时调整采煤机滚筒截割高度等，这既能减少丢煤、提高资源采出率，又能减少截割岩石、降低煤中含矸量、提高运输效率;同时可减少由于截割岩石对截齿等磨损和破坏，也能避免截割岩石所产生的危险温度引爆瓦斯。因此，需要研究煤岩界面识别等技术，实现无人工作面地面遥控。世界各主要产煤国都十分重视煤岩界面识别方法的研究，提出了γ射线探测法、雷达探测法、红外探测法、有功功率监测法、震动检测法、声音检测法、粉尘检测法等。1)γ射线探测法。岩石中放射性元素含量一般比煤炭高很多。岩层放射性辐射穿透煤层后，其辐射强度随煤层厚度的增加而减小。因此，通过检测经煤层衰减后的γ射线强度，即可测算出顶底板煤层厚度。该方法具有无放射源、便于管理、非接触测量、不易损坏等优点;但不适用于放射性元素含量较低的岩层和煤层中夹矸较多等情况。2)雷达探测法。由于煤炭与岩石介质不同，当电磁波穿透煤层时，在煤岩界面上会发生电磁波反射。反射波滞后时间除与煤、岩层介质等可测因素有关外，还与煤层厚度有关。因此，通过检测反射波滞后时间可测算出煤层厚度。该方法具有不需要预先测取煤岩物理特性、适用范围广等优点，但存在着当煤层厚度增加时，信号衰减严重，难以检测等问题。3)红外探测法。由于煤炭与岩石普氏系数等物理特性不同，采煤机截割时产生的温度也不同。因此，采用红外探测法检测采煤机滚筒截齿温度，即可测算出煤岩界面。该方法只有截割到岩石时，才能测算出煤岩界面。当煤炭与岩石普氏系数相近时，即使截割到岩石，也很难测算出煤岩界面。4)有功功率监测法。在单位时间内截割量等不变的情况下，被截割物越硬，所需要的有功功率越大。因此，通过检测有功功率，即可测算出煤岩界面。该方法要求煤炭与岩层普氏系数等差异大，并且只有截割到岩层时，才能测算出煤岩界面。5)震动检测法。由于煤炭与岩层普氏系数等不同，采煤机截割煤炭和岩层时震动频谱不同。因此，通过检测震动频谱，可测算出煤岩界面。该方法同样要求煤炭与岩层普氏系数等差异大，并且只有截割到岩层时，才能测算出煤岩界面。6)声音检测法。由于煤炭与岩石密度等不同，落在刮板输送机中部槽发出的声音也不同。因此，通过检测煤炭或岩石撞击中部槽发出的声音，可测算出煤岩界面。该方法要求煤炭与岩石介质差异大，只有截割到岩层并且有岩石撞击到中部槽时，才能测算出煤岩界面。7)粉尘检测法。采煤机截割煤炭时会产生煤尘，截割岩石时会产生岩尘。因此，通过检测粉尘，可测算出煤岩界面。该方法只有截割到岩石时，才能测算出煤岩界面，并且受已有粉尘影响。3基于图像识别的多信息整合煤炭界面的识别方法3.1基于图像特征的煤岩界面检测方法煤的种类主要有褐煤、烟煤、无烟煤，烟煤又分为贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤、气煤、1/2中黏煤、弱黏煤、不黏煤、长焰煤等。煤层的顶底板岩石主要有泥岩、页岩和砂岩。煤的颜色、光泽、纹理、断口形状等与顶底板岩石明显不同。并且同一煤层(或岩层)的颜色、光泽、纹理、断口形状等特征基本相同。因此，笔者提出通过实时摄取煤岩图像，提取其图像特征，识别煤岩界面的方法。基于可见光图像识别的煤岩界面检测方法又分为黑白图像和彩色图像2种。黑白图像特征主要有灰度、纹理、形状等。彩色图像特征主要有色彩、灰度、纹理、形状等。3.2煤岩图像界面识别煤炭与岩石的红外图像具有不同的特征。因此，笔者提出通过实时摄取煤岩红外图像，提取其图像特征，识别煤岩界面的方法。基于红外图像识别的煤岩界面检测方法又分为主动红外图像和被动红外图像2种。3.3煤岩界面识别方法为满足不同煤岩界面识别的需求，笔者提出基于可见光图像识别、红外图像识别、γ射线、雷达、红外、有功功率、震动、声音等多参数信息融合煤岩界面识别方法。根据不同的煤岩介质，采用专家系统、神经网络、模糊数学等方法，建立相应的辨识模型。4煤岩界面识别方法，应遵循以下方法采掘工作面是煤矿事故多发地点。因此，要通过煤矿机械化、自动化和信息化，减少煤矿采掘工作面作业人员。煤岩界面识别是采煤工作面无人开采的关键技术之一。通过煤岩界面自动识别，及时调整采煤机滚筒截割高度等，既能减少丢煤、提高资源采出率，又能减少截割岩石、降低煤中含矸量、提高运输效率;既能减少由于截割岩石对截齿等磨损和破坏，又能避免截割岩石所产生的危险温度引爆瓦斯。γ射线探测法、雷达探测法、红外探测法、有功功率监测