混合煤矸放落態(tài)勢(shì)特征研究

摘要：傳統(tǒng)的基于圖像檢測(cè)技術(shù)的放頂煤過(guò)程中煤流動(dòng)態(tài)特性研究多側(cè)重于某一特定階段的圖像分析，未結(jié)合全階段的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行綜合分析；現(xiàn)有研究較少將放頂煤過(guò)程中上覆巖層的松散區(qū)變化與放煤過(guò)程中的煤矸分離和煤流特性相結(jié)合，缺乏對(duì)放煤過(guò)程的全局性系統(tǒng)分析。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)放頂煤過(guò)程中的煤流動(dòng)態(tài)特性、煤矸分離效果及上覆巖層松散區(qū)凹陷變化進(jìn)行了系統(tǒng)研究。首先，提出了一種基于雙光流網(wǎng)絡(luò)的放頂煤過(guò)程動(dòng)態(tài)分析方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同放煤方案下，放煤速度不隨放煤形式和規(guī)律的變化而改變，平均檢測(cè)準(zhǔn)確率隨著放煤口數(shù)量的增多而提高，尤其在不同放煤步距階段呈明顯線性增長(zhǎng)；頂煤放出率與平均檢測(cè)準(zhǔn)確率呈正相關(guān)關(guān)系，驗(yàn)證了該方法在放頂煤過(guò)程監(jiān)測(cè)中的有效性。其次，利用OpenCV 技術(shù)對(duì)上覆巖層松散區(qū)凹陷面積進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，初始放煤階段松散區(qū)凹陷面積急劇增長(zhǎng)，隨后隨時(shí)間推移逐漸趨于穩(wěn)定；通過(guò)凹陷面積的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，可有效判斷頂煤的放出過(guò)程，實(shí)現(xiàn)透明化放煤監(jiān)測(cè)。最后，結(jié)合稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了放煤量、放出率與含矸率之間的關(guān)系。結(jié)果表明，初始放煤階段純煤放出量最大，周期放煤階段純煤放出量趨于穩(wěn)定，含矸率則隨著放煤口數(shù)量的增多而減少。該結(jié)果進(jìn)一步揭示了放煤方式對(duì)煤矸分離和頂煤放出率的影響。

關(guān)鍵詞：放頂煤；頂煤放出率；初始放煤階段；周期放煤階段；松散區(qū)凹陷；煤流動(dòng)態(tài)特性；煤矸分離；雙光流網(wǎng)絡(luò)；OpenCV

中圖分類(lèi)號(hào)：TD853.34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

頂煤開(kāi)采是煤礦生產(chǎn)中常見(jiàn)且重要的采煤方式之一[1-4]，在厚煤層中得到了廣泛應(yīng)用。然而，放頂煤過(guò)程中，煤與矸石的分離及控制具有復(fù)雜的非線性特點(diǎn)，導(dǎo)致頂煤采出率和煤矸分離效率較低，直接影響到生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益[5-8]。因此，如何提高頂煤采出率并減少矸石混入，成為放頂煤研究中的重要課題。隨著圖像分析技術(shù)的發(fā)展，基于圖像的動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)為頂煤開(kāi)采過(guò)程中的煤矸分離和煤量控制提供了新的研究方法和手段。

針對(duì)放頂煤過(guò)程中煤流的動(dòng)態(tài)特性，傳統(tǒng)研究多采用物理實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)稱(chēng)重和觀察記錄不同放煤方式下的煤流量和含矸率。劉國(guó)方等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示了不同放煤方式對(duì)煤流采出率的影響，但這種基于物理實(shí)驗(yàn)的研究手段存在一定局限性，即難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤流的動(dòng)態(tài)變化，且數(shù)據(jù)采集的時(shí)效性較差。為突破這些局限性，圖像檢測(cè)技術(shù)逐漸引入到放頂煤過(guò)程研究中。單海超等[10]利用高幀率攝像技術(shù)對(duì)煤流下落過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)捕捉，并通過(guò)圖像處理算法定量分析了不同放煤階段的煤矸分離效果。然而，該類(lèi)研究多側(cè)重于某一特定階段的圖像分析，未能結(jié)合全階段的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行綜合分析，導(dǎo)致研究結(jié)果的系統(tǒng)性不足。視頻流檢測(cè)技術(shù)在采礦行業(yè)中的應(yīng)用大多集中在開(kāi)采后輸送帶的監(jiān)測(cè)[11-13]，放頂煤狀態(tài)下的視頻流監(jiān)測(cè)相對(duì)較少，導(dǎo)致該環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性缺乏實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和分析。

此外，現(xiàn)有研究較少將放頂煤過(guò)程中上覆巖層的松散區(qū)變化與放煤過(guò)程中的煤矸分離和煤流特性相結(jié)合，缺乏對(duì)放煤過(guò)程全局性的系統(tǒng)分析。已有研究多通過(guò)數(shù)值模擬和理論分析來(lái)研究巖層的凹陷特征[14-18]。劉闖等[19]采用FLAC3D 模擬了不同放煤方式對(duì)上覆巖層松散區(qū)凹陷的影響，研究表明，巖層的松散面積與煤流量及放煤方式密切相關(guān)。盡管數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)巖層的變形和凹陷情況，但模擬研究在一定程度上受模型假設(shè)的影響，難以與實(shí)際生產(chǎn)條件完全一致。為了更好地結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖像處理技術(shù)被應(yīng)用于松散區(qū)的研究中。張錦旺等[20]通過(guò)視頻監(jiān)測(cè)松散區(qū)的表面積變化，結(jié)合圖像分析算法定量計(jì)算松散區(qū)的凹陷面積。然而，圖像檢測(cè)技術(shù)多用于松散區(qū)靜態(tài)圖像分析，無(wú)法動(dòng)態(tài)捕捉松散區(qū)的變化過(guò)程，無(wú)法反映松散區(qū)的實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)。

針對(duì)上述問(wèn)題， 本文采用基于雙光流網(wǎng)絡(luò)與OpenCV（Open Source Computer Vision Library） 算法的圖像檢測(cè)方法，對(duì)煤矸放落過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性和煤矸分離效果進(jìn)行全面分析，并探討上覆巖層松散區(qū)的變化特征。雙光流網(wǎng)絡(luò)通過(guò)捕捉放煤過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，監(jiān)測(cè)煤流在不同階段的速度、方向及穩(wěn)定性，進(jìn)而分析煤矸分離狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。OpenCV 算法用于精確量化松散區(qū)凹陷面積的變化，提供實(shí)時(shí)的定量分析。該方法不僅突破了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的局限性，還能夠提升對(duì)煤矸放落態(tài)勢(shì)和分離效果的綜合分析能力。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

針對(duì)散體頂煤放出的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，本文使用了多功能頂煤破碎放出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 如圖1 所示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為2 個(gè)部分：放煤口上部分模擬煤層，是一個(gè)2.0 m×0.5 m×0.5 m 的立方體裝置；放煤口下部分裝置稱(chēng)為暗盒裝置，總體是一個(gè)全封閉梯形體，底面為2 m×1 m 的矩形，頂面為2 m×0.5 m 的矩形，高度為1.5 m。