基于水傳熱和紅外熱成像的煤矸識別方法

程剛， 陳杰， 潘澤燁， 魏溢凡， 陳森森

（1. 安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

我國煤炭行業正處于高質量發展期，為響應國家“雙碳”政策，煤炭行業逐漸向綠色低碳轉型[1-3]。矸石是采煤和洗煤過程中排放的固體廢物，是在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石。矸石的主要成分是Al2O3和SiO2[4]，發熱值低，不僅會影響煤的發熱量，而且燃燒時還會污染環境。煤矸識別是實現煤炭高效清潔利用不可或缺的步驟，對提高能源利用率和減少環境污染具有重要意義[5-6]。

目前，關于煤矸識別的方法主要包括基于可見光圖像和基于高能射線透射的方法[7-9]。李曼等[10]提出了一種基于傳統可見光圖像的灰度和紋理特征差異的煤矸識別方法，選取灰度均值、紋理對比度、熵作為特征參數，采用最小二乘支持向量機作為圖像識別分類器，但實際煤礦井下環境復雜，光線、粉塵等外部因素干擾會影響煤矸識別準確率。張釋如等[11]利用改進YOLOv5 模型對煤矸圖像進行識別，在黑暗環境中也能準確劃定目標邊界，但該網絡模型復雜，且需要大量的煤矸圖像數據集，對計算機硬件設備要求較高，處理時間長，不能快速識別。郭永存等[12]采用雙能X 射線對煤和矸石進行透射成像識別，通過研究X 射線圖像目標區域中的R值均值與密度和灰分的關系，以確定煤和矸石的物質屬性，但X 射線具有很大輻射，對人員身體造成一定傷害，因此應用較少。

紅外熱成像是一種應用廣泛、發展較快的新型數字化無損檢測技術[13-14]，具有穿透性強、不受光線影響等優點，在電力設備溫度監測、工業生產缺陷監測、煤礦事故報警和煤巖動力災害預防等領域已廣泛應用[15-18]。然而紅外熱成像技術在煤矸識別領域中的應用較少，這是因為煤和矸石的表面溫度在室溫下相對接近，導致煤和矸石在紅外熱圖像中沒有明顯差異。針對該問題，本文提出了一種基于水傳熱和紅外熱成像的煤矸識別方法。通過將煤和矸石與不同溫度的水混合，使用紅外熱像儀獲取煤矸表面的溫度分布紅外熱圖像，并記錄溫度的變化，根據煤和矸石紅外熱圖像及溫度之間的差異來識別煤和矸石。

1 紅外熱成像原理

紅外熱成像原理如圖1 所示。當被測物體吸收周圍環境的輻射后，溫度高于絕對零度時會向外輻射紅外線。首先，通過紅外熱像儀的鏡頭收集并聚焦物體表面發出的紅外輻射。其次，紅外輻射通過光柵進行分光，將不同波長的紅外輻射分離，使紅外輻射具有不同的頻率分布。然后，通過探測器將分光后的紅外輻射轉換為電信號。最后，探測器生成的電信號經過信號處理和圖像生成算法轉換后，得到被測物體表面溫度分布紅外熱圖像[19-20]。

圖1 紅外熱成像原理Fig. 1 Principle of infrared thermal imaging

2 煤矸紅外熱成像實驗

2.1 實驗系統

為研究不同水溫下煤和矸石的紅外熱圖像差異及表面溫度變化規律，搭建煤矸紅外熱成像實驗系統，如圖2 所示。

圖2 煤矸紅外熱成像實驗系統Fig. 2 Experimental system of coal and gangue infrared thermal imaging

實驗系統由UTi320E 紅外熱像儀、電加熱板、可調三腳架、耐高溫結晶皿、燒杯、電子溫度計、樣品夾、計算機及煤和矸石的實驗樣品等組成。紅外熱像儀同時具有紅外光和可見光2 種鏡頭，可監測物體表面溫度和實時熱成像；紅外光譜帶寬為8～14 μm，測溫范圍為-40～400 ℃，測溫精度為±2%，紅外分辨率為320×240，熱靈敏度為65 mK。紅外熱像儀可實現高低溫自動捕捉和樣品特定區域溫度的實時監測，監測的熱圖像和溫度數據可通過計算機進行后處理分析。

2.2 實驗方案

根據《煤礦安全規程》[21]規定，煤礦井下各工作地點的溫度不允許超過30 ℃，最低溫度一般在18 ℃。為更好地模擬煤礦井下實際溫度變化，實驗共設置了6 組方案。方案1-方案5 采用水加熱，水溫分別設定為18，21，24，27，30 ℃；考慮到環境溫度對實驗結果的影響，設置了空白組（方案6）為對照實驗，空白組為環境溫度（22.5 ℃）條件下不進行水加熱。實驗前將煤和矸石樣品在相同環境中放置12 h，防止煤矸初始溫差對實驗結果帶來干擾。在整個實驗過程中，水的體積均相等，每組實驗共持續3 min，通過紅外熱像儀每間隔10 s 采集煤和矸石的紅外熱圖像，并記錄表面溫度的變化。

3 煤矸紅外熱成像實驗結果及分析

3.1 紅外熱圖像變化

煤和矸石在不同水溫條件下不同時刻的紅外熱圖像如圖3 所示（左邊為煤，右邊為矸石）。

圖3 不同水溫下不同時刻的煤和矸石紅外熱圖像Fig. 3 Infrared thermal images of coal and gangue under different water temperatures and time

由圖3 可看出，不同水溫下的煤和矸石紅外熱圖像不同，隨著水溫逐漸升高，紅外熱圖像的背景顏色由藍逐漸變紅。當水溫為18，21 ℃時，即水溫低于環境溫度時，煤和矸石紅外熱圖像之間的差異較為明顯；當水溫為24，27，30 ℃時，即水溫高于環境溫度時，煤和矸石紅外熱圖像沒有明顯差異。在相同水溫條件下，180 s 時的煤和矸石紅外熱圖像比60，120 s 時的煤和矸石紅外熱圖像更具有顯著的差異性，表明隨著時間增加，煤和矸石紅外熱圖像之間的差異逐漸增大。出現這種現象的原因主要是煤和矸石紅外輻射能力的差異，煤通常具有較高的紅外輻射能力，而矸石的紅外輻射能力較低。隨著水溫升高，煤的紅外輻射能力逐漸增強，熱量會較快地傳導到周圍環境中，導致紅外熱圖像中的背景顏色呈紅色。通過煤和矸石紅外熱圖像之間的差異可以很好地識別煤和矸石，表明基于水傳熱和紅外熱成像進行煤矸識別是一種可行有效的方法。

3.2 溫度變化

為研究不同水溫下煤和矸石表面溫度的變化規律，定義煤和矸石的表面溫度變化 ?t：

式中：ts為紅外熱像儀記錄的表面溫度；t0為初始表面溫度，為消除環境溫度對煤和矸石傳熱特性的影響，t0與環境溫度相同。

根據式（1）可知：當?t＞0，表示煤和矸石表面溫度大于初始溫度，溫度上升；當?t＜0，表示煤和矸石表面溫度小于初始溫度，溫度下降。

不同水溫下煤和矸石表面溫度的變化隨時間變化曲線如圖4 所示。可看出煤和矸石與不同溫度的水混合發生熱傳導后，其表面溫度會發生變化。當水溫低于環境溫度時，煤和矸石表面溫度逐漸下降，溫度變化?t＜0；當水溫高于環境溫度時，導致煤和矸石與水之間發生熱傳導，煤和矸石表面溫度有所升高，溫度變化?t＞0。實驗開始時，煤和矸石表面溫度變化均為零；隨著時間增加，矸石表面溫度變化大于煤表面溫度變化。水溫越高，矸石表面溫度上升越快；在相同水溫情況下，矸石表面溫度變化大于煤表面溫度變化。

圖4 不同水溫下煤和矸石表面溫度變化曲線Fig. 4 Surface temperature variation curves of coal and gangue under different water temperatures

根據圖4 繪制了煤和矸石表面溫度變化與水溫和時間的關系，如圖5 所示。可看出煤和矸石表面溫度變化均隨水溫升高和時間增加呈增大趨勢，但矸石表面溫度變化速度大于煤。這是因為當煤和矸石與水接觸時，由于熱傳導，導致煤和矸石表面溫度均會逐漸增大，但矸石的熱傳導能力大于煤的熱傳導能力，所以矸石表面溫度的變化比煤表面溫度的變化大。

圖5 煤和矸石表面溫度變化與水溫和時間的關系Fig. 5 Surface temperature variation of coal and gangue in relation to water temperature and time

為了更直觀地反映不同水溫條件下煤和矸石表面溫度變化差異的程度，計算煤和矸石在不同水溫下表面溫度變化的均值和方差，如圖6 所示，表面溫度變化的均值可反映平均熱傳導能力，表面溫度變化的方差可反映熱傳導穩定性。可看出矸石表面溫度變化的均值和方差均大于煤，表明在不同水溫下，矸石具有較好的熱傳導能力，即矸石通過熱傳導使其表面溫度上升的能力較好；而煤表面溫度變化的均值和方差較低，表明其熱傳導能力較低，熱傳導過程相對穩定。煤和矸石在水傳熱過程中表現出不同的熱傳導能力和穩定性，可作為區分煤和矸石的有效依據，以此實現煤矸精確識別。

圖6 不同水溫下煤和矸石表面溫度變化的均值和方差Fig. 6 Mean and variance of surface temperature variation of coal and gangue under different water temperatures

為進一步研究在不同水溫條件下煤和矸石之間的表面溫差變化，定義煤和矸石表面溫差 ?t′：

式中：tC為煤表面溫度；tG為矸石表面溫度。

不同水溫下煤和矸石表面溫差 ?t′隨時間變化曲線如圖7 所示。可看出在相同水溫下，煤和矸石表面溫差隨時間的增加而增大；當水溫為18 ℃、時間為180 s 時，煤和矸石之間的表面溫差達到最大，為0.6 ℃。表明當水溫低于環境溫度時，煤和矸石之間會形成較大的溫差，從而有利于實現煤矸準確識別。這是因為低溫的水可作為一種輔助傳熱介質，煤和矸石在與低溫的水混合后產生的溫差較大，這種溫差使煤和矸石在紅外熱圖像中呈現出明顯的差異，可據此進行煤矸識別。

圖7 不同水溫下煤和矸石表面溫差Fig. 7 Surface temperature difference between coal and gangue under different water temperatures

4 結論

1） 由于煤和矸石紅外輻射能力的差異，不同水溫下的煤和矸石紅外熱圖像不同，當水溫低于環境溫度時，煤和矸石紅外熱圖像之間的差異較為明顯；在相同水溫條件下，煤和矸石紅外熱圖像之間的差異隨著時間增加逐漸增大。

2） 煤和矸石與水之間發生熱傳導，導致煤和矸石表面溫度變化，均隨水溫升高和時間增加呈增大趨勢，但由于矸石的熱傳導能力大于煤的熱傳導能力，矸石表面溫度變化大于煤表面溫度變化。

3） 當水溫為18 ℃、時間為180 s 時，煤和矸石紅外熱圖像之間差異和溫差均達到最大。低溫的水更有利于使煤和矸石之間產生較大的溫差，進一步使煤和矸石在紅外熱圖像中呈現明顯的差異，從而實現煤和矸石紅外熱圖像準確、快速識別。