基于彩色图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法

孙继平，程继杰，王云泉

（1. 中国矿业大学（北京） 机电与信息工程学院，北京 100083；2. 中国中煤能源集团有限公司，北京 100011）

0 引言

冲击地压和煤与瓦斯突出是煤矿重特大事故，严重威胁煤矿安全生产[1-4]。为避免或减少冲击地压和煤与瓦斯突出事故发生，学者研究了冲击地压和煤与瓦斯突出监测方法，主要包括应力测量法、钻屑法、微震法、声发射法和电磁辐射法等[5-11]。但我国煤炭赋存条件复杂多样，目前冲击地压和煤与瓦斯突出监测方法难以满足煤矿安全生产需求，冲击地压和煤与瓦斯突出事故时有发生。因此，有必要研究冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法。目前已研究了基于传感器、声音和图像的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法[12-14]，但未见有基于彩色图像特征的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法的研究。笔者提出了基于彩色图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法，当冲击地压和煤与瓦斯突出灾害发生时，通过监视区域内的彩色图像来感知大量抛向工作面和巷道空间的煤岩的颜色、亮度和速度等特征，进行冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警。该方法具有非接触、监测范围广、成本低、使用维护方便等优点。

1 冲击地压和煤与瓦斯突出图像特征

冲击地压和煤与瓦斯突出均是煤岩体承受压力超过自身的强度极限，突然破坏并抛向工作面和巷道空间的煤矿动力灾害。冲击地压和煤与瓦斯突出发生时，抛出大量煤岩，造成工作面和巷道空间有着不同于正常工况下的颜色和速度特征。因此，利用彩色图像感知冲击地压和煤与瓦斯突出，先通过颜色区分煤岩与背景设备，再测量移动物体的移动速度，通过颜色和速度感知冲击地压和煤与瓦斯突出灾害发生时抛出的煤岩，排除正常落煤、掘进机和采煤机等设备移动、井下人员和车辆移动等干扰。

1.1 颜色特征

冲击地压和煤与瓦斯突出发生时抛出的煤岩主要是黑色。但煤矿井下设备一般不是黑色：① 掘进工作面的悬臂式掘进机、连续采煤机、锚杆钻车、履带式转载破碎机、锚杆转载机组、掘锚机、梭车、带式输送机、风筒等，一般外表呈灰白色、橘黄色、橙红色、深红色或蓝色等。② 采煤工作面的采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、带式输送机等，一般外表呈灰白色、橘黄色、橙红色、深红色或蓝色等。③ 移动变电站一般外表呈橘黄色、深红色或蓝色等。因此，可利用上述非黑色矿用设备作为背景，采用彩色摄像机识别煤岩。

1.2 速度特征

以非黑色矿用设备为背景，采用彩色摄像机可以识别煤岩，但不能区分冲击地压和煤与瓦斯突出发生时抛出的煤岩与正常落煤等其他煤岩。冲击地压和煤与瓦斯突出虽然内在作用机理不同，但灾害发生时均会短时抛出大量煤岩，抛出的煤岩具有速度高的特征。文献[15-16]通过煤与瓦斯突出物理模拟实验，得到抛射的煤岩最大抛出速度约为50 m/s。正常情况下，煤矿井下人员、设备和车辆等移动速度不大于11.11 m/s[14，17]。目前8.8 m 大采高工作面的煤岩自由落体速度v==13.13 m/s （g为重力加速度，9.8 m/s2；h为最大落煤高度，8.8 m）。正常落煤速度、采煤机和掘进机等设备移动速度、井下人员和车辆移动速度远小于冲击地压和煤与瓦斯突出发生时抛出的煤岩速度。因此，可根据速度特征，排除正常落煤、采煤机和掘进机等设备移动、井下人员和车辆移动的干扰。

1.3 亮度特征

瓦斯和煤尘爆炸也会造成巷道中物体短时速度较高，并伴有高亮[18]。但冲击地压和煤与瓦斯突出不会产生高亮。因此，可根据图像平均亮度，排除瓦斯和煤尘爆炸的干扰。

2 摄像机设置

冲击地压和煤与瓦斯突出一般发生在掘进工作面和回采工作面。掘进工作面摄像机宜设置在掘进巷道顶板或掘进巷道两帮靠近顶板位置。回采工作面摄像机宜设置在液压支架顶部。

2.1 掘进工作面摄像机设置

掘进工作面冲击地压和煤与瓦斯突出一般发生在作业面。掘进机、锚杆钻车等设备靠近作业面依次排列。因此，掘进工作面摄像机宜设置在掘进巷道顶板或掘进巷道两帮靠近顶板位置，指向作业面方向并前倾，如图1 所示。

图 1 掘进工作面摄像机设置Fig. 1 Setting of camera at heading face

2.2 回采工作面摄像机设置

回采工作面冲击地压和煤与瓦斯突出一般发生在采煤工作面。回采工作面摄像机宜设置在液压支架顶部，指向采煤工作面或回风巷，如图2 所示。

图 2 回采工作面摄像机设置Fig. 2 Setting of camera at coal working face

3 冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法

基于彩色图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法流程如图3 所示，具体步骤如下。

（1） 在掘进巷道顶板或掘进巷道两帮靠近顶板位置、回采工作面液压支架顶部，以非黑色矿用设备为背景，设置具有补光灯的彩色摄像机。按AQ 1029-2019《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》设置甲烷传感器。

（2） 监测识别彩色图像颜色是否发生较大变化。

（3） 若图像颜色发生较大变化，则进行图像平均亮度识别，否则继续监测识别图像颜色变化。

图 3 基于彩色图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法流程Fig. 3 Flow of perception and alarm method of coal mine rock burst and coal and gas outburst based on color image

（4） 若图像平均亮度小于设定的亮度阈值，则识别导致图像颜色发生较大变化的物体的移动速度，否则继续监测识别图像颜色变化。

（5） 若物体移动速度大于设定的速度阈值，则对监视区域内甲烷浓度进行判别，否则继续监测识别图像颜色变化。

（6） 若甲烷浓度迅速升高或达到报警值，则进行煤与瓦斯突出报警，否则进行冲击地压报警。

4 结论

（1） 冲击地压和煤与瓦斯突出抛出的煤岩主要是黑色，但煤矿井下设备一般不是黑色。因此，可利用非黑色矿用设备作为背景，采用彩色摄像机识别煤岩。

（2） 正常落煤速度、采煤机和掘进机等设备移动速度、井下人员和车辆移动速度远小于冲击地压和煤与瓦斯突出发生时抛出的煤岩速度。因此，可根据速度特征，排除正常落煤、采煤机和掘进机等设备移动、井下人员和车辆移动的干扰。

（3） 瓦斯和煤尘爆炸也会造成巷道中物体短时速度较高，并伴有高亮。但冲击地压和煤与瓦斯突出不会产生高亮。因此，可根据图像平均亮度，排除瓦斯和煤尘爆炸的干扰。

（4） 冲击地压和煤与瓦斯突出一般发生在掘进工作面和回采工作面。掘进工作面摄像机宜设置在掘进巷道顶板或掘进巷道两帮靠近顶板位置。回采工作面摄像机宜设置在液压支架顶部。

（5） 基于彩色图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法：在掘进巷道顶板或掘进巷道两帮靠近顶板位置、回采工作面液压支架顶部，以非黑色矿用设备为背景，设置具有补光灯的彩色摄像机；监测识别彩色图像颜色是否发生较大变化；若图像颜色发生较大变化，则进行彩色图像平均亮度识别；若彩色图像平均亮度小于设定的亮度阈值，则识别导致图像颜色发生较大变化的物体的移动速度；若物体移动速度大于设定的速度阈值，则对监视区域内甲烷浓度进行判别；若甲烷浓度迅速升高或达到报警值，则进行煤与瓦斯突出报警，反之，进行冲击地压报警。