红外辐射的分析方法及在矿业中的应用

2012-06-15景广辉张艳博

华北理工大学学报(自然科学版) 2012年4期

景广辉，张艳博

(河北联合大学矿业学院，河北唐山 063009)

随着远红外技术的不断发展，远红外技术在矿业中的应用越来越广泛，如可用红外探测技术对岩体进行实时监测，及时发现裂缝和危石、观测顶底板围岩的破碎情况、避免煤矿自燃、冲击地压、突水等现象的发生。本文对远红外技术在矿业中的应用做了一些总结，并对目前几种比较常用的红外辐射的分析方法进行了综述，分析了各自的优点及不足，对我们以后的红外辐射实验的分析有一定的借鉴之处。

1 红外辐射原理和作用

根据红外辐射理论，凡是高于热力学温度零度的物体，由于物质分子或原子的热运动，都会辐射红外电磁波。在巷道周围良好的地温场中，煤岩层同样也每时每刻在向外进行红外辐射，同时将其内部的地质信息以表面红外辐射变化的形式，客观显示给外界，这为地质体的温度变化的红外探测提供了理论基础。如不考虑环境温度的影响，岩石的辐射度变化将遵守斯蒂芬-玻尔兹曼定律

式中:σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数;T为绝对温度。可见温度T或辐射源表面积发生的任何变化，都会影响辐射源的辐射功率，特别是温度的影响尤其显著。红外辐射技术就是根据上述原理来实现的。

红外辐射探测技术是利用目标与背景之间的红外辐射差异，所形成的热点或图像来获取目标和背景信息的。

红外热像仪和红外测温仪是目前矿业中使用最广泛的两种红外探测设备。红外热像仪是一种非接触式的通过探测器探测红外(热)能的测温设备，并将其转化成电子信号加以处理，进而在视频显示器生成热图像。而红外测温仪是利用光电探测器，利用红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值，即红外热像仪是检测热量的，而红外测温仪是测试温度的。

2 红外辐射的分析方法

红外辐射的分析方法很多，本文主要介绍以下几种比较常见的分析方法，以供读者借鉴之用。

2.1 单因素分析

2.1.1 平均红外辐射温度(Average infrared radiation temperature，AIRT)-time曲线法

岩石表面的平均红外辐射温度(AIRT)反映整个岩石试样的红外辐射能量，是表征岩石加载过程中红外辐射变化特征的一个重要指标。它是基于辐射温度的时间序列过程来定量分析岩石破裂的热红外前兆规律。

具体做法是:对岩石热像的一定区域(可以是一点、一条直线或圆形区域等)进行重采样，以区域内的平均热红外辐射温度(TAIR)作为分析指标，通过观察TAIR随时间的变化情况来获得岩石破裂的热红外前兆信息［1］。

2.1.2 热红外图像(Thermal infrared image)法

利用红外热像仪获得的红外热像是岩石试件表面红外辐射温度场的反映，它反映了红外辐射强度在试样表面的分布。它是基于辐射温度的空间序列过程来定性分析岩石破裂的热红外前兆规律。利用其可以获得目标表面辐射温度场的动态变化，了解岩石试件在加载过程中表面热场分布和迁移特征。

在实验结果的数据处理中，为了减少试件因各部位辐射率差异以及环境因素造成的辐射场不均所带来的影响，对加载过程中获得的热像要做差值处理，即把每幅图像和采样开始前的第一幅图像相减。利用差值后的图像进行辐射温度场的变化分析，以获取岩石加载过程中红外辐射场的空间变化特征［2-3］。

2.1.3 红外探测曲线(Infrared detected curve)法

任何物体都会发射出红外线，形成一个红外场。将一个稳定的质体作为探测对象的场源时，由该物体所形成的红外场强与场源本身的场强一致。当地质体中含异常构造时，地质异常体产生的红外场会对地质体场源产生的红外场产生影响，使其场强发生变化。场强的变化则可以用红外探测曲线来表示，根据红外探测曲线的变化来预报地质体异常情况［6-7］。

具体方法为:通常以测定巷道的长度为横坐标，温度为纵坐标，然后将测点红外数值(温度)标在坐标系里，并依次连接，所得曲线称为红外探测曲线。该方法在探测水害和火源的试验中得到了广泛的应用，并取得了很好的效果。

2.2 多因素分析

2.2.1 异常条带的升温面积(IRR)与异常条带的升温幅度(TIR)相结合的方法

IRR异常条带升温面积法即异常条带随时间(应力)的面积变化，它是热红外图像法的一种特殊形式;TIR异常条带的升温幅度法，顾名思义，就是异常条带随时间(应力)的升温幅度变化，是基于辐射温度的时间序列过程来定量分析岩石破裂的热红外前兆规律。

研究发现，许多岩石在临近破裂前，沿未来破裂带会出现热红外辐射高温或低温条带的红外异常现象。这种不同性质的辐射条带预示不同的破裂性质:高温条带预示剪性破裂，而低温条带则预示张性破裂。通过捕捉热像上异常条带的空间发展趋势，可以预测微破裂的空间发展趋向［4-5］。

2.2.2 AIRT-time与热红外图象相结合的方法

岩石破裂的红外前兆有两种表现形式，分别为热像异常和AIRT-time曲线异常。前者表现为在岩石临破裂前在未来破裂位置出现条带状辐射异常，异常具有由一端向另一端迁移发展的特点，反映了异常的空间信息;AIRT-time曲线异常反映异常的时间信息［2-3］。吴立新等在研究岩石破裂的红外前兆时发现，采用AIRT-time曲线异常和热像异常结合的方法来分析岩石破裂的红外前兆，能够更有效的获取岩石破裂前兆的时空信息。

2.2.3 AIRT-time与应力-time相结合的方法

岩石表面的平均红外辐射温度(AIRT)反映了异常的空间信息，是表征岩石加载过程中红外辐射变化特征的一个重要指标;应力-time曲线反映了岩石破裂过程中岩石受力随时间的变化。在分析AIRT-time曲线时结合应力随时间的变化能够更好的得出红外辐射温度与岩石受力的关系。

2.2.4 热红外图像与应力-time相结合的方法

热红外图像反映了红外辐射强度在试样表面的分布。它是基于辐射温度的空间序列过程来定性分析岩石破裂的热红外前兆规律。在分析热红外图像时，结合应力-time曲线的变化，分析红外异常变化的各个阶段所对应的应力变化，能够更好的得出红外辐射温度与岩石受力的关系。

3 红外辐射的应用

随着红外物理与技术的不断发展，远红外辐射技术己广泛地应用于煤矿井下的安全生产中，本文主要介绍以下几种主要应用类型:

3.1 锚杆支护稳定性的监测

近年来中国矿业大学的安里千［8］教授进行了锚杆-围岩相互作用等一系列的红外辐射探测实验，发现无锚杆试块红外辐射温度随着荷载增加，呈现整体均匀升温变化;试块布置锚杆后其承载能力增加，红外辐射温度也明显升高。应力峰值后，在锚杆周围形成一个由不同等温线组成的区域，由内向外温度逐步降低。该研究成果对于揭示锚杆支护作用机理、矿山煤岩灾害监测等具有重要意义。

后来张拥军［9］等又利用数值模拟和红外探测技术对锚杆作用范围进行了实验研究，发现红外探测的图像处理结果和数值模拟结果一致，验证了红外辐射温度场测试用于巷道围岩支护参数设计以及工作状态监测的可行性，为巷道围岩控制以及锚杆支护机理研究提供了一个新的有效手段。

3.2 超前探水的预报

该技术的原理是当探测前方不存在隐伏的含水体时，红外辐射场就是一常值。当探测前方一定范围内存在隐伏的含水体时，含水体产生的辐射场就要叠加在正常辐射场上，从而使得正常辐射场发生畸变。根据红外辐射场曲线的变化规律，就可以全空间、全方位探查隐伏的含水体［10-11］。

从现场的应用情况看，红外探水技术对定性预报掌子面前方有无隐伏的含水体是有效的，但对含水层的位置、赋存形态、出水量、出水压力等都无法定量分析，对无水情况下的地质灾害更难以预报。因此，红外探测技术在应用过程中有待于进一步开发研究，找到确定水量大小和含水层位置的方法。

3.3 煤与瓦斯突出的监测

根据红外辐射理论，凡是高于热力学温度零度的物体，都会辐射红外电磁波。在巷道周围良好的地温场中，煤岩层同样也每时每刻在向外进行红外辐射，同时将其内部的地质信息以表面红外辐射变化的形式显示给外界，这为煤体的温度变化的红外探测提供了理论基础。

赵庆珍［12］在试验中根据红外图像法进行分析，提出了绝对温差Δtjd，临界温差Δtij，温差比g3个红外特征指标，在与同步测定的K1值、f值、钻屑量防突指标进行对比分析后显示，这两种方法在反映煤与瓦斯突出危险性程度方面有很好的对应性，说明可以利用红外特征指标来预测煤与瓦斯突出。该结论在实践中得到了证实。

3.4 隐蔽火源的探测

近年来，随着红外技术的日趋成熟及各种红外探测器的研制成功，红外技术应用于自燃火源探测已成为一种新的趋势。

程卫民［13］等研究了煤巷煤自燃火源红外探测的影响因素，并给出了诊断方法。他认为根据不间断的探测煤巷红外能量场的数据变化，即红外探测可判断是否有自燃火源点存在及其相应的位置。并在工程实践中对其做了验证。刘辉［14］在研究红外热像技术探测硫化矿石自燃火源的影响因素时，得出硫化矿石表面热发射率、感温距离、背景噪声、井下环境以及热像仪的稳定性等是影响应用红外热像系统探测自燃矿石火源的主要因素，同时也给出了相应的解决方法。

综上所述，在矿山施工中，我们还可用远红外辐射技术对岩体进行实时监测，及时发现裂缝和危石、检测供电设备运行状况、判断电气故障、预测冲击地压等。