景廣輝，張艷博

(河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，河北唐山 063009)

隨著遠紅外技術(shù)的不斷發(fā)展，遠紅外技術(shù)在礦業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，如可用紅外探測技術(shù)對巖體進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)裂縫和危石、觀測頂?shù)装鍑鷰r的破碎情況、避免煤礦自燃、沖擊地壓、突水等現(xiàn)象的發(fā)生。本文對遠紅外技術(shù)在礦業(yè)中的應(yīng)用做了一些總結(jié)，并對目前幾種比較常用的紅外輻射的分析方法進行了綜述，分析了各自的優(yōu)點及不足，對我們以后的紅外輻射實驗的分析有一定的借鑒之處。

1 紅外輻射原理和作用

根據(jù)紅外輻射理論，凡是高于熱力學(xué)溫度零度的物體，由于物質(zhì)分子或原子的熱運動，都會輻射紅外電磁波。在巷道周圍良好的地溫場中，煤巖層同樣也每時每刻在向外進行紅外輻射，同時將其內(nèi)部的地質(zhì)信息以表面紅外輻射變化的形式，客觀顯示給外界，這為地質(zhì)體的溫度變化的紅外探測提供了理論基礎(chǔ)。如不考慮環(huán)境溫度的影響，巖石的輻射度變化將遵守斯蒂芬-玻爾茲曼定律

式中:σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度?？梢姕囟萒或輻射源表面積發(fā)生的任何變化，都會影響輻射源的輻射功率，特別是溫度的影響尤其顯著。紅外輻射技術(shù)就是根據(jù)上述原理來實現(xiàn)的。

紅外輻射探測技術(shù)是利用目標(biāo)與背景之間的紅外輻射差異，所形成的熱點或圖像來獲取目標(biāo)和背景信息的。

紅外熱像儀和紅外測溫儀是目前礦業(yè)中使用最廣泛的兩種紅外探測設(shè)備。紅外熱像儀是一種非接觸式的通過探測器探測紅外(熱)能的測溫設(shè)備，并將其轉(zhuǎn)化成電子信號加以處理，進而在視頻顯示器生成熱圖像。而紅外測溫儀是利用光電探測器，利用紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，該信號再經(jīng)換算轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值，即紅外熱像儀是檢測熱量的，而紅外測溫儀是測試溫度的。

2 紅外輻射的分析方法

紅外輻射的分析方法很多，本文主要介紹以下幾種比較常見的分析方法，以供讀者借鑒之用。

2.1 單因素分析

2.1.1 平均紅外輻射溫度(Average infrared radiation temperature，AIRT)-time曲線法

巖石表面的平均紅外輻射溫度(AIRT)反映整個巖石試樣的紅外輻射能量，是表征巖石加載過程中紅外輻射變化特征的一個重要指標(biāo)。它是基于輻射溫度的時間序列過程來定量分析巖石破裂的熱紅外前兆規(guī)律。

具體做法是:對巖石熱像的一定區(qū)域(可以是一點、一條直線或圓形區(qū)域等)進行重采樣，以區(qū)域內(nèi)的平均熱紅外輻射溫度(TAIR)作為分析指標(biāo)，通過觀察TAIR隨時間的變化情況來獲得巖石破裂的熱紅外前兆信息［1］。

2.1.2 熱紅外圖像(Thermal infrared image)法

利用紅外熱像儀獲得的紅外熱像是巖石試件表面紅外輻射溫度場的反映，它反映了紅外輻射強度在試樣表面的分布。它是基于輻射溫度的空間序列過程來定性分析巖石破裂的熱紅外前兆規(guī)律。利用其可以獲得目標(biāo)表面輻射溫度場的動態(tài)變化，了解巖石試件在加載過程中表面熱場分布和遷移特征。

在實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)處理中，為了減少試件因各部位輻射率差異以及環(huán)境因素造成的輻射場不均所帶來的影響，對加載過程中獲得的熱像要做差值處理，即把每幅圖像和采樣開始前的第一幅圖像相減。利用差值后的圖像進行輻射溫度場的變化分析，以獲取巖石加載過程中紅外輻射場的空間變化特征［2-3］。

2.1.3 紅外探測曲線(Infrared detected curve)法

任何物體都會發(fā)射出紅外線，形成一個紅外場。將一個穩(wěn)定的質(zhì)體作為探測對象的場源時，由該物體所形成的紅外場強與場源本身的場強一致。當(dāng)?shù)刭|(zhì)體中含異常構(gòu)造時，地質(zhì)異常體產(chǎn)生的紅外場會對地質(zhì)體場源產(chǎn)生的紅外場產(chǎn)生影響，使其場強發(fā)生變化。場強的變化則可以用紅外探測曲線來表示，根據(jù)紅外探測曲線的變化來預(yù)報地質(zhì)體異常情況［6-7］。

具體方法為:通常以測定巷道的長度為橫坐標(biāo)，溫度為縱坐標(biāo)，然后將測點紅外數(shù)值(溫度)標(biāo)在坐標(biāo)系里，并依次連接，所得曲線稱為紅外探測曲線。該方法在探測水害和火源的試驗中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了很好的效果。

2.2 多因素分析

2.2.1 異常條帶的升溫面積(IRR)與異常條帶的升溫幅度(TIR)相結(jié)合的方法

IRR異常條帶升溫面積法即異常條帶隨時間(應(yīng)力)的面積變化，它是熱紅外圖像法的一種特殊形式;TIR異常條帶的升溫幅度法，顧名思義，就是異常條帶隨時間(應(yīng)力)的升溫幅度變化，是基于輻射溫度的時間序列過程來定量分析巖石破裂的熱紅外前兆規(guī)律。

研究發(fā)現(xiàn)，許多巖石在臨近破裂前，沿未來破裂帶會出現(xiàn)熱紅外輻射高溫或低溫條帶的紅外異?，F(xiàn)象。這種不同性質(zhì)的輻射條帶預(yù)示不同的破裂性質(zhì):高溫條帶預(yù)示剪性破裂，而低溫條帶則預(yù)示張性破裂。通過捕捉熱像上異常條帶的空間發(fā)展趨勢，可以預(yù)測微破裂的空間發(fā)展趨向［4-5］。

2.2.2 AIRT-time與熱紅外圖象相結(jié)合的方法

巖石破裂的紅外前兆有兩種表現(xiàn)形式，分別為熱像異常和AIRT-time曲線異常。前者表現(xiàn)為在巖石臨破裂前在未來破裂位置出現(xiàn)條帶狀輻射異常，異常具有由一端向另一端遷移發(fā)展的特點，反映了異常的空間信息;AIRT-time曲線異常反映異常的時間信息［2-3］。吳立新等在研究巖石破裂的紅外前兆時發(fā)現(xiàn)，采用AIRT-time曲線異常和熱像異常結(jié)合的方法來分析巖石破裂的紅外前兆，能夠更有效的獲取巖石破裂前兆的時空信息。

2.2.3 AIRT-time與應(yīng)力-time相結(jié)合的方法

巖石表面的平均紅外輻射溫度(AIRT)反映了異常的空間信息，是表征巖石加載過程中紅外輻射變化特征的一個重要指標(biāo);應(yīng)力-time曲線反映了巖石破裂過程中巖石受力隨時間的變化。在分析AIRT-time曲線時結(jié)合應(yīng)力隨時間的變化能夠更好的得出紅外輻射溫度與巖石受力的關(guān)系。

2.2.4 熱紅外圖像與應(yīng)力-time相結(jié)合的方法

熱紅外圖像反映了紅外輻射強度在試樣表面的分布。它是基于輻射溫度的空間序列過程來定性分析巖石破裂的熱紅外前兆規(guī)律。在分析熱紅外圖像時，結(jié)合應(yīng)力-time曲線的變化，分析紅外異常變化的各個階段所對應(yīng)的應(yīng)力變化，能夠更好的得出紅外輻射溫度與巖石受力的關(guān)系。

3 紅外輻射的應(yīng)用

隨著紅外物理與技術(shù)的不斷發(fā)展，遠紅外輻射技術(shù)己廣泛地應(yīng)用于煤礦井下的安全生產(chǎn)中，本文主要介紹以下幾種主要應(yīng)用類型:

3.1 錨桿支護穩(wěn)定性的監(jiān)測

近年來中國礦業(yè)大學(xué)的安里千［8］教授進行了錨桿-圍巖相互作用等一系列的紅外輻射探測實驗，發(fā)現(xiàn)無錨桿試塊紅外輻射溫度隨著荷載增加，呈現(xiàn)整體均勻升溫變化;試塊布置錨桿后其承載能力增加，紅外輻射溫度也明顯升高。應(yīng)力峰值后，在錨桿周圍形成一個由不同等溫線組成的區(qū)域，由內(nèi)向外溫度逐步降低。該研究成果對于揭示錨桿支護作用機理、礦山煤巖災(zāi)害監(jiān)測等具有重要意義。

后來張擁軍［9］等又利用數(shù)值模擬和紅外探測技術(shù)對錨桿作用范圍進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)紅外探測的圖像處理結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果一致，驗證了紅外輻射溫度場測試用于巷道圍巖支護參數(shù)設(shè)計以及工作狀態(tài)監(jiān)測的可行性，為巷道圍巖控制以及錨桿支護機理研究提供了一個新的有效手段。

3.2 超前探水的預(yù)報

該技術(shù)的原理是當(dāng)探測前方不存在隱伏的含水體時，紅外輻射場就是一常值。當(dāng)探測前方一定范圍內(nèi)存在隱伏的含水體時，含水體產(chǎn)生的輻射場就要疊加在正常輻射場上，從而使得正常輻射場發(fā)生畸變。根據(jù)紅外輻射場曲線的變化規(guī)律，就可以全空間、全方位探查隱伏的含水體［10-11］。

從現(xiàn)場的應(yīng)用情況看，紅外探水技術(shù)對定性預(yù)報掌子面前方有無隱伏的含水體是有效的，但對含水層的位置、賦存形態(tài)、出水量、出水壓力等都無法定量分析，對無水情況下的地質(zhì)災(zāi)害更難以預(yù)報。因此，紅外探測技術(shù)在應(yīng)用過程中有待于進一步開發(fā)研究，找到確定水量大小和含水層位置的方法。

3.3 煤與瓦斯突出的監(jiān)測

根據(jù)紅外輻射理論，凡是高于熱力學(xué)溫度零度的物體，都會輻射紅外電磁波。在巷道周圍良好的地溫場中，煤巖層同樣也每時每刻在向外進行紅外輻射，同時將其內(nèi)部的地質(zhì)信息以表面紅外輻射變化的形式顯示給外界，這為煤體的溫度變化的紅外探測提供了理論基礎(chǔ)。

趙慶珍［12］在試驗中根據(jù)紅外圖像法進行分析，提出了絕對溫差Δtjd，臨界溫差Δtij，溫差比g3個紅外特征指標(biāo)，在與同步測定的K1值、f值、鉆屑量防突指標(biāo)進行對比分析后顯示，這兩種方法在反映煤與瓦斯突出危險性程度方面有很好的對應(yīng)性，說明可以利用紅外特征指標(biāo)來預(yù)測煤與瓦斯突出。該結(jié)論在實踐中得到了證實。

3.4 隱蔽火源的探測

近年來，隨著紅外技術(shù)的日趨成熟及各種紅外探測器的研制成功，紅外技術(shù)應(yīng)用于自燃火源探測已成為一種新的趨勢。

程衛(wèi)民［13］等研究了煤巷煤自燃火源紅外探測的影響因素，并給出了診斷方法。他認為根據(jù)不間斷的探測煤巷紅外能量場的數(shù)據(jù)變化，即紅外探測可判斷是否有自燃火源點存在及其相應(yīng)的位置。并在工程實踐中對其做了驗證。劉輝［14］在研究紅外熱像技術(shù)探測硫化礦石自燃火源的影響因素時，得出硫化礦石表面熱發(fā)射率、感溫距離、背景噪聲、井下環(huán)境以及熱像儀的穩(wěn)定性等是影響應(yīng)用紅外熱像系統(tǒng)探測自燃礦石火源的主要因素，同時也給出了相應(yīng)的解決方法。

綜上所述，在礦山施工中，我們還可用遠紅外輻射技術(shù)對巖體進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)裂縫和危石、檢測供電設(shè)備運行狀況、判斷電氣故障、預(yù)測沖擊地壓等。

4 結(jié)束語

總體來說，我們對遠紅外輻射技術(shù)的應(yīng)用處于嘗試階段，技術(shù)也不夠成熟，很多還存在著一些不足之處:

4.1 分析方法方面

1)AIRT-time曲線法主要得到前兆的時間信息，卻缺乏前兆的空間信息。

2)熱紅外圖像法簡單、直觀，是人們使用最普遍的一種紅外分析方法。但該方法受熱像儀溫度分辨率和肉眼對熱像分辨能力的影響，當(dāng)前兆幅值較低時，在熱像上直接分析熱紅外輻射場的空間特征可能帶有一定的主觀性，而且其分析缺乏時間動態(tài)。

3)紅外探測曲線法具有簡單、迅速、精確的特點，但對探測曲線的分析判定比較難。

4)異常條帶的升溫面積與異常條帶的升溫幅度相結(jié)合法除了能獲取巖石破裂紅外前兆的時空信息之外，還能夠鑒別巖石破裂的性質(zhì)。但該方法只適合有異常條帶出現(xiàn)的巖石破裂分析。

5)AIRT與熱紅外圖象相結(jié)合法是目前使用最普遍的一種方法，該法可以同時獲得巖石破裂過程的時空信息，但對于特殊情況如鑒別巖石破裂的性質(zhì)等，還有不足之處。

6)AIRT與應(yīng)力-time相結(jié)合法同AIRT曲線法一樣，只能得到紅外異常的時間信息，且不能從定性方面分析紅外輻射溫度隨應(yīng)力的變化。

7)熱紅外圖像與應(yīng)力-time相結(jié)合法同熱紅外圖像法一樣，分析結(jié)果也容易受人為因素的影響，不能從定量上來反映紅外輻射溫度隨應(yīng)力的變化。

總之，在分析紅外圖像時，我們要根據(jù)所要獲取的紅外信息選取適合自己的紅外分析方法。一般來說，多因素法要比單因素法精確度更高，我們可以選取上述方法再結(jié)合其它方法分析，會取得更好的效果。

4.2 應(yīng)用方面

1)預(yù)測煤與瓦斯突出以及錨桿與圍巖相互作用的紅外特征德實驗以定性研究居多，定量研究不夠，而且理論和實驗研究不夠深入，多采用數(shù)值模擬研究。

2)在探測隱蔽火源方面還不能對火源點距巷道的垂直距離、溫度大小進行探測，探測距離也不夠遠。

3)在探水方面，紅外線技術(shù)只是一種輔助探水的方法，這種方法只能確定有無水，至于水量大小、水體寬度、具體的位置沒有定量的解釋等。

由此可見，在紅外技術(shù)的應(yīng)用方面，我們還需要更深一步的進行探索，不斷地改進紅外探測技術(shù)，以便更好的為礦區(qū)安全生產(chǎn)工作服務(wù)。

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