一
研究背景
目前，关于煤矸识别的方法主要包括基于可见光图像和基于高能射线透射的方法，但存在以下问题：实际煤矿井下环境复杂，光线、粉尘等外部因素干扰会影响煤矸识别准确率，且需要大量的煤矸图像数据集，对计算机硬件设备要求较高，处理时间长，不能快速识别；X射线具有很大辐射，对人员身体造成一定伤害，因此应用较少。红外热成像是一种应用广泛、发展较快的新型数字化无损检测技术，具有穿透性强、不受光线影响等优点。然而红外热成像技术在煤矸识别领域中的应用较少，这是因为煤和矸石的表面温度在室温下相对接近，导致煤和矸石在红外热图像中没有明显差异。针对该问题，本文提出了一种基于水传热和红外热成像的煤矸识别方法。通过将煤和矸石与不同温度的水混合，使用红外热像仪获取煤矸表面的温度分布红外热图像，并记录温度的变化，根据煤和矸石红外热图像及温度之间的差异来识别煤和矸石。
二
煤矸红外热成像实验结果及分析
1、红外热图像变化
煤和矸石在不同水温条件下不同时刻的红外热图像如下图所示（左边为煤，右边为矸石）。可看出不同水温下的煤和矸石红外热图像不同，随着水温逐渐升高，红外热图像的背景颜色由蓝逐渐变红。当水温为 18，21 ℃ ，即水温低于环境温度时，煤和矸石红外热图像之间的差异较为明显；当水温为 24，27，30 ℃，即水温高于环境温度时，煤和矸石红外热图像没有明显差异。在相同水温条件下，随着时间增加，煤和矸石红外热图像之间的差异逐渐增大。通过煤和矸石红外热图像之间的差异可以很好地识别煤和矸石，表明基于水传热和红外热成像进行煤矸识别是一种可行有效的方法。
2、温度变化
不同水温下煤和矸石表面温度的变化随时间变化曲线如下图所示。可看出当水温低于环境温度时，煤和矸石表面温度逐渐下降，温度变化小于零；当水温高于环境温度时，煤和矸石与水之间发生热传导，煤和矸石表面温度有所升高，温度变化大于零。实验开始时，煤和矸石表面温度变化均为零；随着时间增加，矸石表面温度变化大于煤表面温度变化。水温越高，矸石表面温度上升越快；在相同水温情况下，矸石表面温度变化大于煤表面温度变化。
不同水温下煤和矸石表面温差随时间变化曲线如下图所示。可看出在相同水温下，煤和矸石表面温差随时间的增加而增大；当水温为 18 ℃、时间为 180 s 时，煤和矸石之间的表面温差达到最大，为0.6 ℃。表明当水温低于环境温度时，煤和矸石之间会形成较大的温差，有利于实现煤矸准确识别。
作者简介
程刚（1986—），男，安徽桐城人，副教授，博士，研究方向为煤矿智能开采，E-mail:chgmech@mail.ustc.edu.cn。通信作者：陈杰（1997—），男，安徽铜陵人，硕士研究生，研究方向为矿山机电工程，E-mail:ChenJie7197@163.com。
引用格式
程刚，陈杰，潘泽烨，等.基于水传热和红外热成像的煤矸识别方法[J].工矿自动化，2024，50（1）：66-71,137.
CHENG Gang,CHEN Jie,PAN Zeye,et al.Coal gangue recognition method based on water heat transfer and infrared thermal imaging[J].Journal of Mine Automation，2024，50（1）：66-71,137.
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