YRH300本質安全型紅外熱成像儀

制造商：開元創杰（北京）科技有限公司 
煤安證號： MFA100168
安標查詢：http://www.aqbz.org/ABXX/AB_SHOW_Q.asp?mid=11660780

3.5寸超大顯示屏，便于黑暗條件下使用
配備防爆圖像發射和接收器、圖像無線傳輸超過200米
一、 簡介
當煤自燃發火時，煤層表面的溫度升高，但肉眼并不能觀察到，采用紅外熱像儀將煤層表面的溫度以圖像的形式呈現出來，高溫和低溫用不同的顏色標示，便于發現高溫區，尋找隱性火區分布，適合于通風部門防治煤自燃發火。
礦井中有很多大功率電氣設備，如電機、大型液壓泵站、變電站、反復運轉的軸承、絞車，長時間運轉后會產生高溫，但很難發現，采用紅外熱像儀就很直觀的檢查設備發熱、超溫、事故隱患，機電部門使用較為廣泛。
二、 用途
檢查井下煤自燃發火隱性火區分布、火源位置
檢查各種煤礦大型電氣設備及動力設備的發熱，超溫、事故隱患
礦難救援
檢查頂板冒落和采區透水
排查瞎炮
檢測地面矸子山發火

三、        技術參數

• 測溫范圍:0℃～+300℃

• 顯示屏：3.5" 彩色LCD

• IP等級：IP67

• 無線圖像發射距離：大于200米 7

• 電池類型: 鎳氫可充電電池，可現場更換

• 視場角/zui小焦距: 35°×26°/ 0.5m

• 空間分辨率: 3.8mrad

• 探測器類型: （UFPA） 非制冷焦平面探測器

• 分辨率: 160 x 120

• 工作波長: 8到14 µm

• 焦距調節方式: 固定焦距

• 電池工作時間: 約2.5小時連續工作

• 充電器: 鎳氫充電器

• 工作環境溫度: 長時間工作: -20°C 至 +55°C 短時間工作: 80°C 至 +260°C

• 儲存環境溫度: -40℃ 至 +70℃ （-40°F 至 +158°F）

• 抗沖擊性: 工作時: 25G

• 抗震動性: 工作時: 2G

• 重量（包括電池）: 1400克

• 尺寸: 175mm x 119mm x 125mm

四、        配置

主機

ZWZ4-X圖像發射器

ZWZ4-S接收顯示器

YRH300礦用本質安全型紅外熱成像儀
在煤礦安全領域的應用

1、檢查井下隱性火區分布、火源位置

煤層漏氧導致氧化，釋放一氧化碳和熱量，熱量逐漸累積，達到著火點發生自燃，造成井下火災。煤層總有一些微細縫，微氣體的熱傳導、熱對流和熱擴散，使煤層表面局部產生溫度變化，使用YRH300紅外熱像儀可以即時觀察巷道煤壁，通過聲光報警，及時發現存在溫度過熱的區域，從而采取有效措施，避免自燃的發生；YRH300紅外熱像儀采用整體實時成像技術，能將所觀測物體的熱分布情況*地顯現出來，從而能較好地區分出溫度過高區域找出隱患點（優于*的點測取），大大提高了工作效率，同時減少了誤判的幾率。YRH300紅外熱像儀具有圖像存儲功能，可凍結圖像存儲后在電腦中進行準確分析。
2、預防煤炭堆積引發的自燃
煤礦在開采后會被按等級在不同的區域堆放。我們并不能排除煤堆由于溫度的上升引發的自然。使用YRH300紅外熱像儀，您可以連續監測煤堆的熱點，當發現火災隱患時，YRH300紅外熱像儀會自動定位溫度過高點，同時自動觸發報警。接獲報警后可對溫度過高點采取淋水等降溫措施，避免火災的發生。
3、檢查頂板冒落和采取透水
YRH300礦用紅外熱像儀拍取熱圖不需要可見光，它能夠快速檢查出煤壁表面的溫度變化，并進行溫場分析，找出溫度zui高點或zui低點，特別適用于密閉墻、煤層斷面等，其表面溫度的變化趨勢能夠為是否出現大面積滲水、透水做出判斷提供依據。
4、檢查各種電氣及動力設備的運行狀態
YRH300紅外熱像儀亦可在供電設備和采礦設備正常運轉的情況下，檢測所有電氣設備、電纜的溫度變化情況、根據溫場分布及溫度變化情況，根據溫升情況判別是否存在故障、是否需要檢修。同時亦可采取非接觸方式檢測井下*與采區變電所各種開關、接頭、變壓器的事故隱患，水泵、局扇、防爆電機及動力設備（動力電纜）的溫升，運輸機及運輸皮帶的發熱狀態，及時判別設備的狀態，消除隱患。
5、判定識別瞎炮
煤礦的開采過程中，經常會采取爆破手段進行開采，爆破完成后如何有效地評估爆破效果，清除可能殘留的啞炮成為每次爆破實施完畢后亟需解決的問題。有了YRH300紅外熱像儀的幫助，一切變得“so easy”。運用YRH300紅外熱像儀對原鋪設的爆破面進行掃描，通過各炮眼殘留熱量和溫度分析，進而排查有無出現瞎炮，如存在瞎炮，準備定位方便采取措施及時清理。
6、礦難搜救
發生礦難后，井下沒有光源、煙氣濃重、煤塵彌漫，惡劣的井下環境*地阻礙了搜救人員的步伐.YRH300所采用的紅外熱成像技術是基于探測物體所輻射出的紅外能量進行成像而發展出的一種探測手段，該項技術能穿透粉塵、煙霧、水汽清晰地成像。有了YRH300的幫助，即使在濃煙、高熱、巷道黑暗等復雜環境下,救援人員也能迅速搜索到遇險人員及貴重物品, 還能及時發現著火點或隱蔽火源，從而減少搜救時間，拯救生命，降低財產損失。

技術文章

礦井煤炭自燃高溫火源點區域的探測方法分析

 發布日期：2005-10-23　信息來源：脈道采礦網 

摘　要　對國內外煤炭自燃火源點區域的探測方法進行了較詳細的分析，并提出了適于井下煤炭自燃高溫火源點（≤100℃）區域的探測方法。
　　關鍵詞　自燃　高溫點　區域　探測

　　1　概　　述

　　煤炭自燃高溫火源（≤100℃）區域的探測一直是煤礦安全生產中的重大難題之一。國內外許多學者和煤炭生產、科研單位對此都十分重視，近若干年來對相關課題開展了大量的研究。但由于這一問題的復雜性，至今仍沒有得到很好的解決。其主要原因有三：一是探測技術手段和途徑不成熟，所采用的各種技術手段都無法確定高溫火源點區域及其內部溫度；二是井下條件復雜，影響因素多，給準確探測井下火源區域帶來很多困難；三是目前對這一問題的研究還不夠深入，雖然許多相關課題的研究都取得了一定的進展，但并未揭示問題的實質，從而未得出有關規律性的、可直接應用的技術成果。

　　2　國內外煤炭自燃火源區域探測法分析

　　現將國內外目前所采取的一些主要方法分析敘述如下：
　　2.1　磁探測法^［1，2］
　　磁探測法的實質是，煤層上覆巖石中一般含有大量的菱鐵礦及黃鐵礦結核，煤層自燃時，上覆巖石受到高溫烘烤，其中鐵質成分發生物理化學變化，形成磁性物質，并且保留有較強的磁性。烘烤后的上覆巖石的磁性隨自燃溫度升高而增強。早在60年代我國西北各省就用磁法結合電法勘探煤田火區，取得了一定成果。印度也利用此法確定Jharia煤田的自燃火災區域范圍，得到了十分滿意的效果。俄羅斯、烏克蘭也曾用此法確定煤田自燃火區范圍。從這一方法的實質和目前應用的情況看，磁探測法主要用于煤田火區，而對于生產礦井自燃高溫的探測應用較少，這主要是因為：①當自燃火源溫度小于400℃時和烘烤時間短時，上覆巖石或煤層中就不能形成較高的磁性；且對于生產礦井而言，要處理的是煤自燃高溫區域，自燃煤溫較低和烘烤時間短，這樣用磁法探測的效果并不理想；②對于生產礦井，井下高溫區域周圍鐵性物質多,磁探測法則無法有效使用。③煤層頂底板和煤中分布的鐵質結核不均勻，給磁測法探測自燃火區帶來一定困難。
　　2.2　電阻率探測法^［2］
　　正常情況下，埋藏于地下的煤層，沿走向（或其它方向）因其結構狀態和含水性變化不大，電阻率基本保持不變。但當煤炭自然發火后，煤層的結構狀態和含水性發生較大變化，從而引起煤層和周圍巖石電阻率的變化。在自燃的初期，電阻率會下降；在自燃后期，由于煤較充分燃燒，其結構狀態發生較大變化，水分基本蒸發掉，表現為較高的電阻率。因此，可根據觀測結果比較未自燃區和自燃區的變化情況，判斷自燃區域的位置，這就是電阻率法探測自燃發火區域位置的原理。由于煤在自燃的初期，煤電阻率的變化不明顯，致使電阻率探測法的探測精度受限；加之井下雜散電流多，用于井下高溫區域的探測比較困難，目前國內外多用于露天開采和煤層露頭自燃火源的探測。
　　2.3　氣體探測法
　　煤自燃在不同的溫度，其產生的氣體種類和濃度是不同的；故根據氣體種類和濃度，依次判斷煤的自燃溫度，并據氣體濃度梯度大致確定高溫區域的范圍。氣體確定高溫區域范圍可在井下或地面進行。
　　2.3.1　井下氣體探測法
　　通常稱為氣體分析法，是目前國內外廣泛應用的煤炭自燃的預測預報方法。對某礦當煤質一定時，其煤自燃生成的氣體組分與溫度有一定規律，用儀器或束管監測系統檢測煤自燃釋放的氣體，以確定煤的氧化溫度和煤炭自燃區域的可能范圍，但它無法知道煤炭自燃的位置和發展變化速度，并且易受井下通風因素的影響。
　　2.3.2　地面氣體探測法
　　由于煤炭自燃火源區域與地面存在一定的壓差和分子擴散，使自燃火源向地面有著氣體流動，而在地表層中產生一些有代表性氣體是從煤炭自燃點垂直方向放射的，據此在地面可布置測點測量，來判斷火源點大致位置。這種方法對于煤層埋藏較深，氣體不能擴散至地面，且氣體向上運移發生物理化學變化時，就無法使用。
　　2.4　氡氣探測法
　　氡氣探測是一種放射性探測方法，它兼有物探和化探的特點。它的原理是煤層自燃后，隨煤溫升高，氡氣濃度上升，在地面布置觀測點，應用α卡法、²¹⁰Po法等，收集并測量氡氣濃度，依此判斷火區位置。國內山西礦業學院用此法在地面探測煤礦地下火源，并在古交北溝礦、潞安礦務局石圪節礦進行了成功應用，從應用情況來看，這種方法目前只在地面使用，自燃溫度一般超過200 ℃；且用氡氣量值也無法判斷自燃的燃燒程度及其溫度。
　　2.5　煤炭自燃溫度探測法
　　2.5.1　測溫儀表與測溫傳感器聯合測溫法
　　這是目前國內外應用的一種方法，兗州礦區東灘煤礦也采用此法測量煤溫。據探測地點不同分為地面探測和井下探測。
　　（1）地面探測法^［3］。在自燃火區的上部利用儀器探測熱流量或利用布置在測溫鉆孔內的傳感器測定溫度，根據測取的溫度場用溫度反演法來確定自燃火區火源的位置。這種方法常用于火源埋藏深度淺、火源溫度高，已燃燒較長時間的火區。波蘭、俄羅斯曾應用此法探測煤層露頭的自燃火區范圍，探測深度在30～50 m。
　　（2）井下探測法^［4］。此種方法是把測溫傳感器預埋或通過鉆孔布置在易自燃發火區域（采空區和煤層內），根據傳感器的溫度變化來確定高溫點的位置、發展變化速度，這種方法受外界干擾少，測定準確，煤溫只要升高，傳感器位置合適，就能有效探測。這是目前井下準確的探測方法。山東礦業學院已成功地開發了適于井下應用的MKT-Ⅰ，MKT-Ⅱ和MKT-Ⅲ（自動監控）電腦型測溫儀，此儀器的zui大特點是測定準確，和測定距離長度無關。東灘煤礦應用此法在井下進行了成功的探測。由于測溫及時、準確，為高溫點的消除起到了積極的作用。
　　（3）測溫儀表與測溫傳感器聯合測溫法的缺陷。盡管此種探測法測定準確、可靠，彌補了上述一些探測方法的不足，但它本身也存在一些問題值得研究：①傳感器的布置是探測自燃高溫區域的關鍵，數量、位置準確，就能有效控制自然區域高溫點；但這些布置參數受煤體溫度場傳導速度的限制，由于煤的導溫系數較小，要想測取煤體溫度，控制自燃位置，就要布置一定數量的傳感器；②測溫鉆孔：要測取煤體溫度，就必須在煤體內布置測溫傳感器，因而就需要測溫鉆孔，增加了工作量。
　　2.5.2　紅外探測法^［5，6］
　　在國內外這一方法已較廣泛用于地面煤堆自燃和井下煤炭自燃火源的探測。探測儀器有紅外測溫儀和紅外熱成像儀，應用zui多的是紅外測溫儀。俄羅斯采用紅外測溫儀，美國采用紅外測溫儀和熱成像儀探測煤壁和煤柱自燃溫度；國內兗州、開灤、徐州等礦區采用紅外測溫儀測定井下煤壁溫度。紅外測溫儀是測取點溫，紅外成像儀是掃描成像測取溫度。在國內，紅外熱成像儀井下沒見應用，而在煤田地質調查、地震預報、地下水探測、巖突、巖爆等方面得到了應用。隧道和巷道內由巖石的應力引起的表面0.2 ℃左右的溫度變化就可被測到，從而可分析引起災害的程度。
　　紅外探測法的實質是自然界的任何物體只要處于零度（0 K）之上，都會自行向外發射紅外線。其發射能量如下式

E=εαT⁴　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

式中　ε——輻射系數，其值為0＜ε＜1，巖石和煤體一般為0.7～0.98，輻射系數受物體化學組　　　　　分、表面狀態、內部結構、含水量、孔隙度等影響；
　　　α——斯蒂芬-玻爾茲曼常數，5.67×10^-12 cm^2.K⁴；
　　　T——物體的溫度，K。
　　從式（1）可看出，物體的溫度越高，輻射能量就越大，紅外測溫儀器接受輻射量而轉換的輻射溫度就越高，因此就可利用紅外測溫儀器對溫度的高分辨率來探測井下巷道自燃位置。
　　在通常情況下，自然界的紅外輻射區域是362K（89℃）至207K（-66℃），即波長在8～14 μm的大氣窗口區域內。紅外技術是探測物體表面的紅外輻射溫度，它不同于物理溫度，物體表面的紅外輻射溫度取決于物體表面物理溫度及其物體的物質成分、含水量、表面粗糙度、顆粒大小、孔隙度、熱慣量（比熱、熱傳導率、比重）等諸多因素；這些因素的任一項微小變化，都會引起紅外輻射溫度的變化。因此，在排除干擾因素后，提取同種物質的溫度變化異常信息是至關重要的。
　　紅外熱成像儀類似于攝像機,它將鏡頭視場內景物的紅外輻射溫度場（25°×20°的景物），通過鍺透鏡聚焦到紅外敏感原件上（單點掃描式、線陣或面陣排列）,轉換成電信號，經電路放大、模/數轉換、記錄并顯示，當然還得有一套復雜的處理軟件，其結果通常將其視為景物的溫度圖像，現以TVS-600熱像儀為例，在熱像儀距景物2 m時，攝得景物面積為：2×tan25.8°=0.97 m（水平方向）, 2×tan19.5°=0.71 m（垂直方向），在0.97 m×0.71 m內又有320×240個像點，每個像點的面積為2.8 mm×2.8 mm，就是說只要有7.84 mm²面積的熱異常（大于0.15℃）就能被發現。而煤壁總有一些微裂隙，微氣孔的熱傳導、熱對流和熱擴散，使表面局部產生溫度變化，從而觀測到紅外輻射溫度異常，故利用紅外熱成像儀準確探測自燃高溫區域成為可能。關鍵在于如何通過溫度異常來診斷自燃高溫點。
　　另外，非致冷的面陣探測器（紅外敏感元件）是當今紅外科學發展的新貢獻，它給行業使用帶來了方便，就不需要如液氮等致冷液體、氣體或壓縮機（小型循環致冷），同時減少了噪聲、耗電量和重量。
　　目前，紅外熱成像儀的種類較多，現國防、電力、醫學、工業生產線有較多應用。這里就適于測溫的紅外熱成像儀介紹如表1。

表1　紅外熱成像儀

　　3　探測方法對比

　　各種探測法都有自己的優、缺點和使用范圍，磁探測法、電阻率探測法、氡探測法主要適用于封閉火區且火源溫度較高，準確性較好，而對于井下出現的高溫區域（≤100℃）則無能為力。氣體探測法能預測高溫區域溫度，但不能準確確定高溫區域位置和發展變化速度，并受井下通風壓力、風量的影響。探測煤的自燃溫度來確定自燃位置，是一種可靠的手段，關鍵是用那種方法探測出隱蔽的高溫區域及其自燃溫度。測溫儀表與測溫傳感器聯合測溫法，是一種實用的方法，但它受測溫傳感器布置數量和測溫鉆孔施工的影響；還受煤導熱性能的影響。在紅外探測法中，紅外測溫儀測的是點溫，無法綜合準確判斷煤的自燃區域，但它可找出整個巷道溫度異常的大致范圍；而紅外熱像儀，是通過掃描成像測取溫度，能在一個面上判斷煤自燃高溫區域；測溫又簡單、迅速、精確；紅外熱像儀測溫又是目前測溫領域的*設備，故應用熱像儀來探測煤自燃區域是可能的，它是煤炭自燃高溫火源點區域探測的發展方向。

　　4　結　　語

　　根據上述高溫區域探測方法的分析可知，紅外熱像儀測溫是一種新型的火災探測方法。它將圖像識別為主的多種探測方法進行信息融合后進行綜合判別，提高煤炭自燃預測的準確性，達到探測煤炭自燃發火的目的具有*的實用價值。

煤礦井下自燃火災的圖像識別及綜合判據系統

孫繼平教授 宋姝

（中國礦業大學（北京）信息工程研究所，北京）

【摘要】煤礦自燃火災的早期探測及預報是保證煤炭生產安全的有效手段。目前已有的各種預測預報技術，雖對煤炭自燃火災的防治起到一定的作用，但對于不同煤質和不同地質賦存情況下的煤礦，單一探測方法的預測精度有限，在探測的準確性和有效性方面尚不能*各種類型煤礦安全生產的需要。為了提高煤炭自燃災害早期探測的可靠性，筆者提出一種以圖像識別技術為基礎的煤炭自燃發火探測方法，并進一步利用信息融合技術結合其他探測方法建立一套煤礦自燃發火綜合判據系統，該系統有助于提高煤炭自燃預測的準確性，對煤礦的安全生產能發揮重要作用。

【關鍵詞】煤炭自燃； 預測預報； 圖像識別； 信息融合； 綜合判據

1 引言

煤炭自燃是煤炭在自然條件下燃燒的一種現象，煤礦自燃引發的火災是煤礦安全生產的一大隱患。煤炭自燃不僅快速侵蝕著優質的煤炭資源，而且嚴重破壞生態環境，并對煤礦生產構成嚴重危害。對其進行早期探測尤為重要。

近幾年來，自燃的早期預測預報作為行之有效的控制煤礦火災發生的方法而受到廣泛的注視。根據煤礦井下自燃發火的早期特征，其探測和判別方法有多種，常采用的有測溫法、指標氣體法等。值得注意的是，雖然這些預測預報技術對煤炭自燃火災的防治發揮了重要作用，但由于煤是一種非均質體，其化學結構、物理性質以及煤巖組分均有很大差別，煤層地質賦存條件、煤層的開采、開拓、通風條件和采煤的方法也存在多樣性，煤炭的自燃又是一個非常復雜的過程，對于不同變質程度和煤巖組分的煤炭在自燃發生前和發生時所出現的征兆及判別方法也有所差異。事實上，很難使用單一的方法探測各類地質條件下的煤炭自燃發火，因此，常見的探測方法在準確性和有效性方面尚不能*各種類型煤礦安全生產需要。

針對上述探測技術的現狀，筆者提出以圖像識別為主的煤礦自燃火災的探測方法、利用圖像信息的豐富和直觀性為煤炭自燃的早期識別奠定基礎。與此同時，發現已有的各種探測方法判別所依據的環境特征都是彼此獨立的，提供有煤炭自燃早期發火時的不同信息，這些信息又是互補的，即它們是被探測目標發生環境所表現各個不同側面。對于不同地質賦存情況下不同煤質的礦井，單獨使用某一種方法的預測精度往往不同，對發火判別的準確性也各不相同。如果只是單一地使用某種探測方法，將會浪費能提供發火判斷的其他有用信息。使用互補信息進行融合減少了由于缺少某些自燃發火的早期特征而產生的漏報、誤報，以提高探測系統進行發火識別的完整性和正確性。

筆者提出的綜合判據系統是一個以圖像識別技術為基礎，利用信息融合技術，結合傳統的測溫法、指標氣體法等多種探測方法的綜合系統。其將探測所得數據進行多級別、多方面、多層次的信息融合處理，從而得到比單個方法更精確的探測結果，實現對煤炭自燃發火的綜合判別。該法的推廣和應用，為煤礦的安全生產和經濟效益提供一個有力的保證。

2 常見煤礦自燃火災探測方法及存在的問題

煤的自燃一般常發生在煤礦的巷道內及采空區、淺層區或大量堆積煤炭的貯煤場所等處。它是由煤的自燃傾向性、熱量的集聚及有連續供氧的條件下發生的。常見的煤礦自燃探測方法有測溫法、指標氣體法、同位素測氡法、氣味檢測法、探測法、電阻率探測法等。各種探測法都有自己的優、缺點和適用范圍。

感溫探測法是以溫度的變化作為著火依據。與地面火災不同，煤礦井下的自燃屬于地下受限空間在低供氧條件下的發火。自燃時的熱物理現象主要以陰燃為主。陰燃是一種只在氣固相界面處的燃燒反應，無明顯氣相火焰的燃燒現象。其溫度較低，燃燒速度慢，一般是自我維持而無明火燃燒［!］。故不易為感溫探測器所發現。

*以來的觀測表明，當煤炭發生自燃后，可使附近區域的"#減少，增加，并出現$" 及烷類、烯類氣體。根據這一特性，井下現多采用在巷道內放置的擴散式氣體傳感器來進行指標氣體的檢測，從而發現火災，但指標氣體法不能準確確定高溫區域位置和發展變化速度，并且受井下通風壓力、風量的影響較大。

煤炭自燃發火氣味檢測法指標的確定，依賴于礦井檢測場所正常生產條件下的本底情況。該本底值不僅包括正常生產條件下的氣體、氣味本底值，還包括生產狀況改變（如采煤機開、停，放煤、落煤、帶式輸送機的開停、放炮等）引起檢測現場本底值的變化情況［#］。氣味傳感器在井下應用時，要連續監測巷道內的氣味變化，必須通過*監測，找出監測環境的背景氣味變化規律，才能進行是否發生自燃發火的判斷，依據經驗值較多且當被測礦井環境發生變化，原先的本底值必然跟著變化，將直接影響到探測的準確性。

如用遙感技術確定煤田大面積火災，只能對數十甚至數百平方千米的范圍進行圈定，主要用于火區普查，無法滿足生產礦井的需要；用物探的磁法、電法、地質雷達等進行火源探測，因受大地雜散電流、磁場、山區復雜地形等多因素的干擾，使得多解性的資料解釋非常困難，探測準確度很低［%］，對自燃的早期預測預報指導意義不大。

磁探側法、電阻率探測法、氡探測法主要適用于封閉火區且高溫點溫度較高時，準確性較好。但煤炭自燃早期一般溫度較低，燃燒速度慢，不易被探測。且氡探測法取得探測結果后還必須用軟件對探測結果進行判斷，影響了火情的及時發現。

因為煤礦井下自燃發火具有醞釀周期長，不易檢測等特點，加上現有的火災識別方法的可靠性和適用范圍有限，所以希望有一種更為直觀和有效的火災檢測方法。

3 基于圖像識別技術的煤炭自燃發火探測

圖像是人類視覺的延伸。通過視覺，可立即準確地發現火災。圖像監測快速性的基礎是視覺所接受的信息以光為傳播媒介；而圖像信息的豐富和直觀，更為早期火災的辨識和判斷奠定了基礎，其他任何火災探測技術均不能提供如此豐富和直觀的信息［!］。此外，圖像監測的關鍵器件，如敏感元件通過光學鏡頭與外界發生間接接觸，該結構保證了圖像監測技術在較惡劣（多粉塵、高濕度）的礦井環境中使用。圖像型火災探測技術是適用在煤礦井下環境的數字圖像處理技術和模式識別技術，依據火災火焰的圖像特性［&］解決礦井特殊場所火災探測的難題，實現火災自動報警。

對于火災采用圖像識別的方法進行探測和預警，國內外學者都有過一定的研究，但這些研究都一般地面火災的探測。對于煤礦井下火災圖像檢測的研究鮮有所聞，至于煤炭自燃火災圖像的識別尚未有人涉足。

對煤礦井下煤炭自燃進行圖像識別，zui主要的問題是煤礦井下具有濕度高，粉塵干擾大等環境特點。使得煤炭自燃的發火圖像具有介質散射和噪聲干擾等因素，導致采集成像后的圖像存在降質，所以煤礦井下圖像降質因素的分析和降質模型的建立是研究煤炭自燃發火圖像識別方法的一個重點問題。也正是煤礦井下的較惡劣環境使得對于處于礦井環境中煤炭自燃的圖像識別問題更具研究價值。

圖1自燃圖像識別流程框圖

首先將利用圖像采集設備在現場采集的待測煤體的圖像交由圖像處理集。圖像處理集包括了常用的圖像處理手段，包括濾波、分割、邊緣提取等。控制和識別規則庫實現系統識別策略。根據所采集到的原始圖像中關于目標圖像的粗略信息，選取圖像處理集中的一些處理方法，按照一定次序有機組合，并有選擇地根據煤炭自燃發火圖像知識庫中相關部分的知識模型，將處理后的目標圖像與知識模型相匹配，根據匹配后結果的置信度確定識別結果。

4 采用信息融合技術的綜合判據系統

鑒于發火時單個特征量（如溫度、煙霧、氣體成份等）發生變化的火災探測技術在探測多種類型煤礦所發生的自燃火災時不具備通用性，即可靠性和有效性方面已無法滿足多種類型煤礦自燃火災的探測需要，多元信息融合探測技術應運而生。采用信息融合技術的自燃探測系統不是原有單一參數自燃發火探測器的簡單組合，而是實施多元同步探測。根據不同類型的自燃參數應用智能算法對多傳感器的火災參數進行融合，通過模糊專家系統加以判斷發生自燃的可能性及程度。該方法克服了單個探測方法的探測局限。

基于信息融合的自燃火災綜合判據系統識別方法就是從多種不同的火災探測方法角度對待測目標進行探測，通過在不同層次將多個探測設備所測得的信息或數據進行特征提取及融合得到發火可能性的預報結果。

筆者提出采用以圖像識別技術為主結合測溫法和指標氣體法等其他綜合手段進行煤礦井下煤炭自燃的發火識別。擬建立起一套以圖像識別探測為主采用多判據信息融合技術的綜合判據系統。來實現煤炭自燃的探測和識別。系統采用信息層、特征層和決策層! 層融合結構［"］。信息層主要完成待測現場原始數據的采集和處理；特征層提取信息層輸出信號的數據特征；決策層則充分利用特征層所提取測量對象的各類特征信息，采取適當的模糊融合推理技術得出zui終的融合結果。

圖2 給出了綜合判據系統的示意框圖。各傳感器（如紅外熱像儀、溫度探測器，煙霧傳感器，$% 濃度探測器等）輸出的數據形式、對探測結果的描述和說明等都各不相同。為了能在數據融合過程中綜合處理各種不同來源的信息，首先必須對它們進行預處理，轉換成相同的數據形式或描述。由于對不同程度的自燃多傳感器系統測得的多個火情信息具有很大的不相關性，因此，系統將預先對一種傳感器采集的單一信號進行局部決策。

如果局部決策結果中的每個信號都是平穩變化，就不送特征層，直接交由決策層決策；如果局部決策過程中有某種信號出現非平穩變化，即提請特征層對所有信息進行特征提取，再根據提取的特征得出自燃的zui終判別結果。這樣有助于在早期識別自燃發火，又有利于減少特征層的計算處理，減少誤報警。特征層利用預先建立的自燃發火專家系統或人工神經網絡等工具對處理后的數據進行發火判斷特征提取。決策層的主要任務就是根據特征層提取的特征，采取模糊推理等適當的融合方法，給出zui終的判斷結果。

圖2 采取信息融合技術的自燃發火綜合判據系統框圖

由于圖像信息的豐富和直觀，使得基于圖像識別的探測方法成為煤炭自燃綜合判據系統中主要的判別依據，因此在特征層和決策層進行信息融合時將圖像探測結果的影響因子權值提高，達到突出該判別依據的目的［&］。當該系統在不同地質賦存條件的礦井中使用時，可根據煤礦地質賦存條件提高相應探測方法的權值，即某種方法探測結果的權值在其適用條件下可適當增加，達到zui大限度利用有效判據的目的。

5  結論

筆者提出的基于圖像識別技術的煤炭自燃發火的綜合判據系統法是一種新型的火災探測方法。它將圖像識別為主的多種探測方法進行信息融合后進行綜合判別，提高煤炭自燃預測的準確性，達到探測煤炭自燃發火的目的。該法不僅有其實用價值，而且具有很多優點：

1）圖像信息的豐富和直觀對于煤炭自燃發火的探測具有傳統測溫法、指標氣體法等所不能具備的直觀快速性和有效性。

2）在同一探測現場使用多種探測方法取得探測數據，作為綜合判據系統的輸入，使用模糊專家系統來進行發火的判別。無論同以往的單個自燃火災探測方法相比，還是和常規的圖像探測方法相比，都能實現更高的可靠性。

3）該套系統中重點要解決兩個問題

一個是對礦井特殊環境中自燃發火圖像的識別；

另一個則是在利用多元信息融合進行綜合判別時對各探測方法測得的數據進行有效融合的問題。關鍵在于如何用各種探測信號統計知識決定其權值和

判別門限以及模糊融合推理系統的建立。

4）筆者將以上兩個問題作為下一步研究的重點，力爭為煤礦自燃火災的探測提供一個直觀、高效的手段。

YRH300本質安全型紅外熱成像儀

制造商：開元創杰（北京）科技有限公司 
煤安證號： MFA100168
安標查詢：http://www.aqbz.org/ABXX/AB_SHOW_Q.asp?mid=11660780

3.5寸超大顯示屏，便于黑暗條件下使用
配備防爆圖像發射和接收器、圖像無線傳輸超過200米
一、 簡介
當煤自燃發火時，煤層表面的溫度升高，但肉眼并不能觀察到，采用紅外熱像儀將煤層表面的溫度以圖像的形式呈現出來，高溫和低溫用不同的顏色標示，便于發現高溫區，尋找隱性火區分布，適合于通風部門防治煤自燃發火。
礦井中有很多大功率電氣設備，如電機、大型液壓泵站、變電站、反復運轉的軸承、絞車，長時間運轉后會產生高溫，但很難發現，采用紅外熱像儀就很直觀的檢查設備發熱、超溫、事故隱患，機電部門使用較為廣泛。
二、 用途
檢查井下煤自燃發火隱性火區分布、火源位置
檢查各種煤礦大型電氣設備及動力設備的發熱，超溫、事故隱患
礦難救援
檢查頂板冒落和采區透水
排查瞎炮
檢測地面矸子山發火

三、        技術參數

• 測溫范圍:0℃～+300℃

• 顯示屏：3.5" 彩色LCD

• IP等級：IP67

• 無線圖像發射距離：大于200米 7

• 電池類型: 鎳氫可充電電池，可現場更換

• 視場角/zui小焦距: 35°×26°/ 0.5m

• 空間分辨率: 3.8mrad

• 探測器類型: （UFPA） 非制冷焦平面探測器

• 分辨率: 160 x 120

• 工作波長: 8到14 µm

• 焦距調節方式: 固定焦距

• 電池工作時間: 約2.5小時連續工作

• 充電器: 鎳氫充電器

• 工作環境溫度: 長時間工作: -20°C 至 +55°C 短時間工作: 80°C 至 +260°C

• 儲存環境溫度: -40℃ 至 +70℃ （-40°F 至 +158°F）

• 抗沖擊性: 工作時: 25G

• 抗震動性: 工作時: 2G

• 重量（包括電池）: 1400克

• 尺寸: 175mm x 119mm x 125mm

四、        配置

主機

ZWZ4-X圖像發射器

ZWZ4-S接收顯示器

YRH300礦用本質安全型紅外熱成像儀
在煤礦安全領域的應用

1、檢查井下隱性火區分布、火源位置

煤層漏氧導致氧化，釋放一氧化碳和熱量，熱量逐漸累積，達到著火點發生自燃，造成井下火災。煤層總有一些微細縫，微氣體的熱傳導、熱對流和熱擴散，使煤層表面局部產生溫度變化，使用YRH300紅外熱像儀可以即時觀察巷道煤壁，通過聲光報警，及時發現存在溫度過熱的區域，從而采取有效措施，避免自燃的發生；YRH300紅外熱像儀采用整體實時成像技術，能將所觀測物體的熱分布情況*地顯現出來，從而能較好地區分出溫度過高區域找出隱患點（優于*的點測取），大大提高了工作效率，同時減少了誤判的幾率。YRH300紅外熱像儀具有圖像存儲功能，可凍結圖像存儲后在電腦中進行準確分析。
2、預防煤炭堆積引發的自燃
煤礦在開采后會被按等級在不同的區域堆放。我們并不能排除煤堆由于溫度的上升引發的自然。使用YRH300紅外熱像儀，您可以連續監測煤堆的熱點，當發現火災隱患時，YRH300紅外熱像儀會自動定位溫度過高點，同時自動觸發報警。接獲報警后可對溫度過高點采取淋水等降溫措施，避免火災的發生。
3、檢查頂板冒落和采取透水
YRH300礦用紅外熱像儀拍取熱圖不需要可見光，它能夠快速檢查出煤壁表面的溫度變化，并進行溫場分析，找出溫度zui高點或zui低點，特別適用于密閉墻、煤層斷面等，其表面溫度的變化趨勢能夠為是否出現大面積滲水、透水做出判斷提供依據。
4、檢查各種電氣及動力設備的運行狀態
YRH300紅外熱像儀亦可在供電設備和采礦設備正常運轉的情況下，檢測所有電氣設備、電纜的溫度變化情況、根據溫場分布及溫度變化情況，根據溫升情況判別是否存在故障、是否需要檢修。同時亦可采取非接觸方式檢測井下*與采區變電所各種開關、接頭、變壓器的事故隱患，水泵、局扇、防爆電機及動力設備（動力電纜）的溫升，運輸機及運輸皮帶的發熱狀態，及時判別設備的狀態，消除隱患。
5、判定識別瞎炮
煤礦的開采過程中，經常會采取爆破手段進行開采，爆破完成后如何有效地評估爆破效果，清除可能殘留的啞炮成為每次爆破實施完畢后亟需解決的問題。有了YRH300紅外熱像儀的幫助，一切變得“so easy”。運用YRH300紅外熱像儀對原鋪設的爆破面進行掃描，通過各炮眼殘留熱量和溫度分析，進而排查有無出現瞎炮，如存在瞎炮，準備定位方便采取措施及時清理。
6、礦難搜救
發生礦難后，井下沒有光源、煙氣濃重、煤塵彌漫，惡劣的井下環境*地阻礙了搜救人員的步伐.YRH300所采用的紅外熱成像技術是基于探測物體所輻射出的紅外能量進行成像而發展出的一種探測手段，該項技術能穿透粉塵、煙霧、水汽清晰地成像。有了YRH300的幫助，即使在濃煙、高熱、巷道黑暗等復雜環境下,救援人員也能迅速搜索到遇險人員及貴重物品, 還能及時發現著火點或隱蔽火源，從而減少搜救時間，拯救生命，降低財產損失。

技術文章

礦井煤炭自燃高溫火源點區域的探測方法分析

 發布日期：2005-10-23　信息來源：脈道采礦網 

摘　要　對國內外煤炭自燃火源點區域的探測方法進行了較詳細的分析，并提出了適于井下煤炭自燃高溫火源點（≤100℃）區域的探測方法。
　　關鍵詞　自燃　高溫點　區域　探測

　　1　概　　述

　　煤炭自燃高溫火源（≤100℃）區域的探測一直是煤礦安全生產中的重大難題之一。國內外許多學者和煤炭生產、科研單位對此都十分重視，近若干年來對相關課題開展了大量的研究。但由于這一問題的復雜性，至今仍沒有得到很好的解決。其主要原因有三：一是探測技術手段和途徑不成熟，所采用的各種技術手段都無法確定高溫火源點區域及其內部溫度；二是井下條件復雜，影響因素多，給準確探測井下火源區域帶來很多困難；三是目前對這一問題的研究還不夠深入，雖然許多相關課題的研究都取得了一定的進展，但并未揭示問題的實質，從而未得出有關規律性的、可直接應用的技術成果。

　　2　國內外煤炭自燃火源區域探測法分析

　　現將國內外目前所采取的一些主要方法分析敘述如下：
　　2.1　磁探測法^［1，2］
　　磁探測法的實質是，煤層上覆巖石中一般含有大量的菱鐵礦及黃鐵礦結核，煤層自燃時，上覆巖石受到高溫烘烤，其中鐵質成分發生物理化學變化，形成磁性物質，并且保留有較強的磁性。烘烤后的上覆巖石的磁性隨自燃溫度升高而增強。早在60年代我國西北各省就用磁法結合電法勘探煤田火區，取得了一定成果。印度也利用此法確定Jharia煤田的自燃火災區域范圍，得到了十分滿意的效果。俄羅斯、烏克蘭也曾用此法確定煤田自燃火區范圍。從這一方法的實質和目前應用的情況看，磁探測法主要用于煤田火區，而對于生產礦井自燃高溫的探測應用較少，這主要是因為：①當自燃火源溫度小于400℃時和烘烤時間短時，上覆巖石或煤層中就不能形成較高的磁性；且對于生產礦井而言，要處理的是煤自燃高溫區域，自燃煤溫較低和烘烤時間短，這樣用磁法探測的效果并不理想；②對于生產礦井，井下高溫區域周圍鐵性物質多,磁探測法則無法有效使用。③煤層頂底板和煤中分布的鐵質結核不均勻，給磁測法探測自燃火區帶來一定困難。
　　2.2　電阻率探測法^［2］
　　正常情況下，埋藏于地下的煤層，沿走向（或其它方向）因其結構狀態和含水性變化不大，電阻率基本保持不變。但當煤炭自然發火后，煤層的結構狀態和含水性發生較大變化，從而引起煤層和周圍巖石電阻率的變化。在自燃的初期，電阻率會下降；在自燃后期，由于煤較充分燃燒，其結構狀態發生較大變化，水分基本蒸發掉，表現為較高的電阻率。因此，可根據觀測結果比較未自燃區和自燃區的變化情況，判斷自燃區域的位置，這就是電阻率法探測自燃發火區域位置的原理。由于煤在自燃的初期，煤電阻率的變化不明顯，致使電阻率探測法的探測精度受限；加之井下雜散電流多，用于井下高溫區域的探測比較困難，目前國內外多用于露天開采和煤層露頭自燃火源的探測。
　　2.3　氣體探測法
　　煤自燃在不同的溫度，其產生的氣體種類和濃度是不同的；故根據氣體種類和濃度，依次判斷煤的自燃溫度，并據氣體濃度梯度大致確定高溫區域的范圍。氣體確定高溫區域范圍可在井下或地面進行。
　　2.3.1　井下氣體探測法
　　通常稱為氣體分析法，是目前國內外廣泛應用的煤炭自燃的預測預報方法。對某礦當煤質一定時，其煤自燃生成的氣體組分與溫度有一定規律，用儀器或束管監測系統檢測煤自燃釋放的氣體，以確定煤的氧化溫度和煤炭自燃區域的可能范圍，但它無法知道煤炭自燃的位置和發展變化速度，并且易受井下通風因素的影響。
　　2.3.2　地面氣體探測法
　　由于煤炭自燃火源區域與地面存在一定的壓差和分子擴散，使自燃火源向地面有著氣體流動，而在地表層中產生一些有代表性氣體是從煤炭自燃點垂直方向放射的，據此在地面可布置測點測量，來判斷火源點大致位置。這種方法對于煤層埋藏較深，氣體不能擴散至地面，且氣體向上運移發生物理化學變化時，就無法使用。
　　2.4　氡氣探測法
　　氡氣探測是一種放射性探測方法，它兼有物探和化探的特點。它的原理是煤層自燃后，隨煤溫升高，氡氣濃度上升，在地面布置觀測點，應用α卡法、²¹⁰Po法等，收集并測量氡氣濃度，依此判斷火區位置。國內山西礦業學院用此法在地面探測煤礦地下火源，并在古交北溝礦、潞安礦務局石圪節礦進行了成功應用，從應用情況來看，這種方法目前只在地面使用，自燃溫度一般超過200 ℃；且用氡氣量值也無法判斷自燃的燃燒程度及其溫度。
　　2.5　煤炭自燃溫度探測法
　　2.5.1　測溫儀表與測溫傳感器聯合測溫法
　　這是目前國內外應用的一種方法，兗州礦區東灘煤礦也采用此法測量煤溫。據探測地點不同分為地面探測和井下探測。
　　（1）地面探測法^［3］。在自燃火區的上部利用儀器探測熱流量或利用布置在測溫鉆孔內的傳感器測定溫度，根據測取的溫度場用溫度反演法來確定自燃火區火源的位置。這種方法常用于火源埋藏深度淺、火源溫度高，已燃燒較長時間的火區。波蘭、俄羅斯曾應用此法探測煤層露頭的自燃火區范圍，探測深度在30～50 m。
　　（2）井下探測法^［4］。此種方法是把測溫傳感器預埋或通過鉆孔布置在易自燃發火區域（采空區和煤層內），根據傳感器的溫度變化來確定高溫點的位置、發展變化速度，這種方法受外界干擾少，測定準確，煤溫只要升高，傳感器位置合適，就能有效探測。這是目前井下準確的探測方法。山東礦業學院已成功地開發了適于井下應用的MKT-Ⅰ，MKT-Ⅱ和MKT-Ⅲ（自動監控）電腦型測溫儀，此儀器的zui大特點是測定準確，和測定距離長度無關。東灘煤礦應用此法在井下進行了成功的探測。由于測溫及時、準確，為高溫點的消除起到了積極的作用。
　　（3）測溫儀表與測溫傳感器聯合測溫法的缺陷。盡管此種探測法測定準確、可靠，彌補了上述一些探測方法的不足，但它本身也存在一些問題值得研究：①傳感器的布置是探測自燃高溫區域的關鍵，數量、位置準確，就能有效控制自然區域高溫點；但這些布置參數受煤體溫度場傳導速度的限制，由于煤的導溫系數較小，要想測取煤體溫度，控制自燃位置，就要布置一定數量的傳感器；②測溫鉆孔：要測取煤體溫度，就必須在煤體內布置測溫傳感器，因而就需要測溫鉆孔，增加了工作量。
　　2.5.2　紅外探測法^［5，6］
　　在國內外這一方法已較廣泛用于地面煤堆自燃和井下煤炭自燃火源的探測。探測儀器有紅外測溫儀和紅外熱成像儀，應用zui多的是紅外測溫儀。俄羅斯采用紅外測溫儀，美國采用紅外測溫儀和熱成像儀探測煤壁和煤柱自燃溫度；國內兗州、開灤、徐州等礦區采用紅外測溫儀測定井下煤壁溫度。紅外測溫儀是測取點溫，紅外成像儀是掃描成像測取溫度。在國內，紅外熱成像儀井下沒見應用，而在煤田地質調查、地震預報、地下水探測、巖突、巖爆等方面得到了應用。隧道和巷道內由巖石的應力引起的表面0.2 ℃左右的溫度變化就可被測到，從而可分析引起災害的程度。
　　紅外探測法的實質是自然界的任何物體只要處于零度（0 K）之上，都會自行向外發射紅外線。其發射能量如下式

E=εαT⁴　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

式中　ε——輻射系數，其值為0＜ε＜1，巖石和煤體一般為0.7～0.98，輻射系數受物體化學組　　　　　分、表面狀態、內部結構、含水量、孔隙度等影響；
　　　α——斯蒂芬-玻爾茲曼常數，5.67×10^-12 cm^2.K⁴；
　　　T——物體的溫度，K。
　　從式（1）可看出，物體的溫度越高，輻射能量就越大，紅外測溫儀器接受輻射量而轉換的輻射溫度就越高，因此就可利用紅外測溫儀器對溫度的高分辨率來探測井下巷道自燃位置。
　　在通常情況下，自然界的紅外輻射區域是362K（89℃）至207K（-66℃），即波長在8～14 μm的大氣窗口區域內。紅外技術是探測物體表面的紅外輻射溫度，它不同于物理溫度，物體表面的紅外輻射溫度取決于物體表面物理溫度及其物體的物質成分、含水量、表面粗糙度、顆粒大小、孔隙度、熱慣量（比熱、熱傳導率、比重）等諸多因素；這些因素的任一項微小變化，都會引起紅外輻射溫度的變化。因此，在排除干擾因素后，提取同種物質的溫度變化異常信息是至關重要的。
　　紅外熱成像儀類似于攝像機,它將鏡頭視場內景物的紅外輻射溫度場（25°×20°的景物），通過鍺透鏡聚焦到紅外敏感原件上（單點掃描式、線陣或面陣排列）,轉換成電信號，經電路放大、模/數轉換、記錄并顯示，當然還得有一套復雜的處理軟件，其結果通常將其視為景物的溫度圖像，現以TVS-600熱像儀為例，在熱像儀距景物2 m時，攝得景物面積為：2×tan25.8°=0.97 m（水平方向）, 2×tan19.5°=0.71 m（垂直方向），在0.97 m×0.71 m內又有320×240個像點，每個像點的面積為2.8 mm×2.8 mm，就是說只要有7.84 mm²面積的熱異常（大于0.15℃）就能被發現。而煤壁總有一些微裂隙，微氣孔的熱傳導、熱對流和熱擴散，使表面局部產生溫度變化，從而觀測到紅外輻射溫度異常，故利用紅外熱成像儀準確探測自燃高溫區域成為可能。關鍵在于如何通過溫度異常來診斷自燃高溫點。
　　另外，非致冷的面陣探測器（紅外敏感元件）是當今紅外科學發展的新貢獻，它給行業使用帶來了方便，就不需要如液氮等致冷液體、氣體或壓縮機（小型循環致冷），同時減少了噪聲、耗電量和重量。
　　目前，紅外熱成像儀的種類較多，現國防、電力、醫學、工業生產線有較多應用。這里就適于測溫的紅外熱成像儀介紹如表1。

表1　紅外熱成像儀

　　3　探測方法對比

　　各種探測法都有自己的優、缺點和使用范圍，磁探測法、電阻率探測法、氡探測法主要適用于封閉火區且火源溫度較高，準確性較好，而對于井下出現的高溫區域（≤100℃）則無能為力。氣體探測法能預測高溫區域溫度，但不能準確確定高溫區域位置和發展變化速度，并受井下通風壓力、風量的影響。探測煤的自燃溫度來確定自燃位置，是一種可靠的手段，關鍵是用那種方法探測出隱蔽的高溫區域及其自燃溫度。測溫儀表與測溫傳感器聯合測溫法，是一種實用的方法，但它受測溫傳感器布置數量和測溫鉆孔施工的影響；還受煤導熱性能的影響。在紅外探測法中，紅外測溫儀測的是點溫，無法綜合準確判斷煤的自燃區域，但它可找出整個巷道溫度異常的大致范圍；而紅外熱像儀，是通過掃描成像測取溫度，能在一個面上判斷煤自燃高溫區域；測溫又簡單、迅速、精確；紅外熱像儀測溫又是目前測溫領域的*設備，故應用熱像儀來探測煤自燃區域是可能的，它是煤炭自燃高溫火源點區域探測的發展方向。

　　4　結　　語

　　根據上述高溫區域探測方法的分析可知，紅外熱像儀測溫是一種新型的火災探測方法。它將圖像識別為主的多種探測方法進行信息融合后進行綜合判別，提高煤炭自燃預測的準確性，達到探測煤炭自燃發火的目的具有*的實用價值。

煤礦井下自燃火災的圖像識別及綜合判據系統

孫繼平教授 宋姝

（中國礦業大學（北京）信息工程研究所，北京）

【摘要】煤礦自燃火災的早期探測及預報是保證煤炭生產安全的有效手段。目前已有的各種預測預報技術，雖對煤炭自燃火災的防治起到一定的作用，但對于不同煤質和不同地質賦存情況下的煤礦，單一探測方法的預測精度有限，在探測的準確性和有效性方面尚不能*各種類型煤礦安全生產的需要。為了提高煤炭自燃災害早期探測的可靠性，筆者提出一種以圖像識別技術為基礎的煤炭自燃發火探測方法，并進一步利用信息融合技術結合其他探測方法建立一套煤礦自燃發火綜合判據系統，該系統有助于提高煤炭自燃預測的準確性，對煤礦的安全生產能發揮重要作用。

【關鍵詞】煤炭自燃； 預測預報； 圖像識別； 信息融合； 綜合判據

1 引言

煤炭自燃是煤炭在自然條件下燃燒的一種現象，煤礦自燃引發的火災是煤礦安全生產的一大隱患。煤炭自燃不僅快速侵蝕著優質的煤炭資源，而且嚴重破壞生態環境，并對煤礦生產構成嚴重危害。對其進行早期探測尤為重要。

近幾年來，自燃的早期預測預報作為行之有效的控制煤礦火災發生的方法而受到廣泛的注視。根據煤礦井下自燃發火的早期特征，其探測和判別方法有多種，常采用的有測溫法、指標氣體法等。值得注意的是，雖然這些預測預報技術對煤炭自燃火災的防治發揮了重要作用，但由于煤是一種非均質體，其化學結構、物理性質以及煤巖組分均有很大差別，煤層地質賦存條件、煤層的開采、開拓、通風條件和采煤的方法也存在多樣性，煤炭的自燃又是一個非常復雜的過程，對于不同變質程度和煤巖組分的煤炭在自燃發生前和發生時所出現的征兆及判別方法也有所差異。事實上，很難使用單一的方法探測各類地質條件下的煤炭自燃發火，因此，常見的探測方法在準確性和有效性方面尚不能*各種類型煤礦安全生產需要。

針對上述探測技術的現狀，筆者提出以圖像識別為主的煤礦自燃火災的探測方法、利用圖像信息的豐富和直觀性為煤炭自燃的早期識別奠定基礎。與此同時，發現已有的各種探測方法判別所依據的環境特征都是彼此獨立的，提供有煤炭自燃早期發火時的不同信息，這些信息又是互補的，即它們是被探測目標發生環境所表現各個不同側面。對于不同地質賦存情況下不同煤質的礦井，單獨使用某一種方法的預測精度往往不同，對發火判別的準確性也各不相同。如果只是單一地使用某種探測方法，將會浪費能提供發火判斷的其他有用信息。使用互補信息進行融合減少了由于缺少某些自燃發火的早期特征而產生的漏報、誤報，以提高探測系統進行發火識別的完整性和正確性。

筆者提出的綜合判據系統是一個以圖像識別技術為基礎，利用信息融合技術，結合傳統的測溫法、指標氣體法等多種探測方法的綜合系統。其將探測所得數據進行多級別、多方面、多層次的信息融合處理，從而得到比單個方法更精確的探測結果，實現對煤炭自燃發火的綜合判別。該法的推廣和應用，為煤礦的安全生產和經濟效益提供一個有力的保證。

2 常見煤礦自燃火災探測方法及存在的問題

煤的自燃一般常發生在煤礦的巷道內及采空區、淺層區或大量堆積煤炭的貯煤場所等處。它是由煤的自燃傾向性、熱量的集聚及有連續供氧的條件下發生的。常見的煤礦自燃探測方法有測溫法、指標氣體法、同位素測氡法、氣味檢測法、探測法、電阻率探測法等。各種探測法都有自己的優、缺點和適用范圍。

感溫探測法是以溫度的變化作為著火依據。與地面火災不同，煤礦井下的自燃屬于地下受限空間在低供氧條件下的發火。自燃時的熱物理現象主要以陰燃為主。陰燃是一種只在氣固相界面處的燃燒反應，無明顯氣相火焰的燃燒現象。其溫度較低，燃燒速度慢，一般是自我維持而無明火燃燒［!］。故不易為感溫探測器所發現。

*以來的觀測表明，當煤炭發生自燃后，可使附近區域的"#減少，增加，并出現$" 及烷類、烯類氣體。根據這一特性，井下現多采用在巷道內放置的擴散式氣體傳感器來進行指標氣體的檢測，從而發現火災，但指標氣體法不能準確確定高溫區域位置和發展變化速度，并且受井下通風壓力、風量的影響較大。

煤炭自燃發火氣味檢測法指標的確定，依賴于礦井檢測場所正常生產條件下的本底情況。該本底值不僅包括正常生產條件下的氣體、氣味本底值，還包括生產狀況改變（如采煤機開、停，放煤、落煤、帶式輸送機的開停、放炮等）引起檢測現場本底值的變化情況［#］。氣味傳感器在井下應用時，要連續監測巷道內的氣味變化，必須通過*監測，找出監測環境的背景氣味變化規律，才能進行是否發生自燃發火的判斷，依據經驗值較多且當被測礦井環境發生變化，原先的本底值必然跟著變化，將直接影響到探測的準確性。

如用遙感技術確定煤田大面積火災，只能對數十甚至數百平方千米的范圍進行圈定，主要用于火區普查，無法滿足生產礦井的需要；用物探的磁法、電法、地質雷達等進行火源探測，因受大地雜散電流、磁場、山區復雜地形等多因素的干擾，使得多解性的資料解釋非常困難，探測準確度很低［%］，對自燃的早期預測預報指導意義不大。

磁探側法、電阻率探測法、氡探測法主要適用于封閉火區且高溫點溫度較高時，準確性較好。但煤炭自燃早期一般溫度較低，燃燒速度慢，不易被探測。且氡探測法取得探測結果后還必須用軟件對探測結果進行判斷，影響了火情的及時發現。

因為煤礦井下自燃發火具有醞釀周期長，不易檢測等特點，加上現有的火災識別方法的可靠性和適用范圍有限，所以希望有一種更為直觀和有效的火災檢測方法。

3 基于圖像識別技術的煤炭自燃發火探測

圖像是人類視覺的延伸。通過視覺，可立即準確地發現火災。圖像監測快速性的基礎是視覺所接受的信息以光為傳播媒介；而圖像信息的豐富和直觀，更為早期火災的辨識和判斷奠定了基礎，其他任何火災探測技術均不能提供如此豐富和直觀的信息［!］。此外，圖像監測的關鍵器件，如敏感元件通過光學鏡頭與外界發生間接接觸，該結構保證了圖像監測技術在較惡劣（多粉塵、高濕度）的礦井環境中使用。圖像型火災探測技術是適用在煤礦井下環境的數字圖像處理技術和模式識別技術，依據火災火焰的圖像特性［&］解決礦井特殊場所火災探測的難題，實現火災自動報警。

對于火災采用圖像識別的方法進行探測和預警，國內外學者都有過一定的研究，但這些研究都一般地面火災的探測。對于煤礦井下火災圖像檢測的研究鮮有所聞，至于煤炭自燃火災圖像的識別尚未有人涉足。

對煤礦井下煤炭自燃進行圖像識別，zui主要的問題是煤礦井下具有濕度高，粉塵干擾大等環境特點。使得煤炭自燃的發火圖像具有介質散射和噪聲干擾等因素，導致采集成像后的圖像存在降質，所以煤礦井下圖像降質因素的分析和降質模型的建立是研究煤炭自燃發火圖像識別方法的一個重點問題。也正是煤礦井下的較惡劣環境使得對于處于礦井環境中煤炭自燃的圖像識別問題更具研究價值。

圖1自燃圖像識別流程框圖

首先將利用圖像采集設備在現場采集的待測煤體的圖像交由圖像處理集。圖像處理集包括了常用的圖像處理手段，包括濾波、分割、邊緣提取等。控制和識別規則庫實現系統識別策略。根據所采集到的原始圖像中關于目標圖像的粗略信息，選取圖像處理集中的一些處理方法，按照一定次序有機組合，并有選擇地根據煤炭自燃發火圖像知識庫中相關部分的知識模型，將處理后的目標圖像與知識模型相匹配，根據匹配后結果的置信度確定識別結果。

4 采用信息融合技術的綜合判據系統

鑒于發火時單個特征量（如溫度、煙霧、氣體成份等）發生變化的火災探測技術在探測多種類型煤礦所發生的自燃火災時不具備通用性，即可靠性和有效性方面已無法滿足多種類型煤礦自燃火災的探測需要，多元信息融合探測技術應運而生。采用信息融合技術的自燃探測系統不是原有單一參數自燃發火探測器的簡單組合，而是實施多元同步探測。根據不同類型的自燃參數應用智能算法對多傳感器的火災參數進行融合，通過模糊專家系統加以判斷發生自燃的可能性及程度。該方法克服了單個探測方法的探測局限。

基于信息融合的自燃火災綜合判據系統識別方法就是從多種不同的火災探測方法角度對待測目標進行探測，通過在不同層次將多個探測設備所測得的信息或數據進行特征提取及融合得到發火可能性的預報結果。

筆者提出采用以圖像識別技術為主結合測溫法和指標氣體法等其他綜合手段進行煤礦井下煤炭自燃的發火識別。擬建立起一套以圖像識別探測為主采用多判據信息融合技術的綜合判據系統。來實現煤炭自燃的探測和識別。系統采用信息層、特征層和決策層! 層融合結構［"］。信息層主要完成待測現場原始數據的采集和處理；特征層提取信息層輸出信號的數據特征；決策層則充分利用特征層所提取測量對象的各類特征信息，采取適當的模糊融合推理技術得出zui終的融合結果。

圖2 給出了綜合判據系統的示意框圖。各傳感器（如紅外熱像儀、溫度探測器，煙霧傳感器，$% 濃度探測器等）輸出的數據形式、對探測結果的描述和說明等都各不相同。為了能在數據融合過程中綜合處理各種不同來源的信息，首先必須對它們進行預處理，轉換成相同的數據形式或描述。由于對不同程度的自燃多傳感器系統測得的多個火情信息具有很大的不相關性，因此，系統將預先對一種傳感器采集的單一信號進行局部決策。

如果局部決策結果中的每個信號都是平穩變化，就不送特征層，直接交由決策層決策；如果局部決策過程中有某種信號出現非平穩變化，即提請特征層對所有信息進行特征提取，再根據提取的特征得出自燃的zui終判別結果。這樣有助于在早期識別自燃發火，又有利于減少特征層的計算處理，減少誤報警。特征層利用預先建立的自燃發火專家系統或人工神經網絡等工具對處理后的數據進行發火判斷特征提取。決策層的主要任務就是根據特征層提取的特征，采取模糊推理等適當的融合方法，給出zui終的判斷結果。

圖2 采取信息融合技術的自燃發火綜合判據系統框圖

由于圖像信息的豐富和直觀，使得基于圖像識別的探測方法成為煤炭自燃綜合判據系統中主要的判別依據，因此在特征層和決策層進行信息融合時將圖像探測結果的影響因子權值提高，達到突出該判別依據的目的［&］。當該系統在不同地質賦存條件的礦井中使用時，可根據煤礦地質賦存條件提高相應探測方法的權值，即某種方法探測結果的權值在其適用條件下可適當增加，達到zui大限度利用有效判據的目的。

5  結論

筆者提出的基于圖像識別技術的煤炭自燃發火的綜合判據系統法是一種新型的火災探測方法。它將圖像識別為主的多種探測方法進行信息融合后進行綜合判別，提高煤炭自燃預測的準確性，達到探測煤炭自燃發火的目的。該法不僅有其實用價值，而且具有很多優點：

1）圖像信息的豐富和直觀對于煤炭自燃發火的探測具有傳統測溫法、指標氣體法等所不能具備的直觀快速性和有效性。

2）在同一探測現場使用多種探測方法取得探測數據，作為綜合判據系統的輸入，使用模糊專家系統來進行發火的判別。無論同以往的單個自燃火災探測方法相比，還是和常規的圖像探測方法相比，都能實現更高的可靠性。

3）該套系統中重點要解決兩個問題

一個是對礦井特殊環境中自燃發火圖像的識別；

另一個則是在利用多元信息融合進行綜合判別時對各探測方法測得的數據進行有效融合的問題。關鍵在于如何用各種探測信號統計知識決定其權值和

判別門限以及模糊融合推理系統的建立。

4）筆者將以上兩個問題作為下一步研究的重點，力爭為煤礦自燃火災的探測提供一個直觀、高效的手段。