YRH300本质安全型红外热成像仪

制造商：开元创杰（北京）科技有限公司 
煤安证号： MFA100168
安标查询：http://www.aqbz.org/ABXX/AB_SHOW_Q.asp?mid=11660780

3.5寸超大显示屏，便于黑暗条件下使用
配备防爆图像发射和接收器、图像无线传输超过200米
一、 简介
当煤自燃发火时，煤层表面的温度升高，但肉眼并不能观察到，采用红外热像仪将煤层表面的温度以图像的形式呈现出来，高温和低温用不同的颜色标示，便于发现高温区，寻找隐性火区分布，适合于通风部门防治煤自燃发火。
矿井中有很多大功率电气设备，如电机、大型液压泵站、变电站、反复运转的轴承、绞车，长时间运转后会产生高温，但很难发现，采用红外热像仪就很直观的检查设备发热、超温、事故隐患，机电部门使用较为广泛。
二、 用途
检查井下煤自燃发火隐性火区分布、火源位置
检查各种煤矿大型电气设备及动力设备的发热，超温、事故隐患
矿难救援
检查顶板冒落和采区透水
排查瞎炮
检测地面矸子山发火

三、        技术参数

• 测温范围:0℃～+300℃

• 显示屏：3.5" 彩色LCD

• IP等级：IP67

• 无线图像发射距离：大于200米 7

• 电池类型: 镍氢可充电电池，可现场更换

• 视场角/zui小焦距: 35°×26°/ 0.5m

• 空间分辨率: 3.8mrad

• 探测器类型: （UFPA） 非制冷焦平面探测器

• 分辨率: 160 x 120

• 工作波长: 8到14 µm

• 焦距调节方式: 固定焦距

• 电池工作时间: 约2.5小时连续工作

• 充电器: 镍氢充电器

• 工作环境温度: 长时间工作: -20°C 至 +55°C 短时间工作: 80°C 至 +260°C

• 储存环境温度: -40℃ 至 +70℃ （-40°F 至 +158°F）

• 抗冲击性: 工作时: 25G

• 抗震动性: 工作时: 2G

• 重量（包括电池）: 1400克

• 尺寸: 175mm x 119mm x 125mm

四、        配置

主机

ZWZ4-X图像发射器

ZWZ4-S接收显示器

YRH300矿用本质安全型红外热成像仪
在煤矿安全领域的应用

1、检查井下隐性火区分布、火源位置

煤层漏氧导致氧化，释放一氧化碳和热量，热量逐渐累积，达到着火点发生自燃，造成井下火灾。煤层总有一些微细缝，微气体的热传导、热对流和热扩散，使煤层表面局部产生温度变化，使用YRH300红外热像仪可以即时观察巷道煤壁，通过声光报警，及时发现存在温度过热的区域，从而采取有效措施，避免自燃的发生；YRH300红外热像仪采用整体实时成像技术，能将所观测物体的热分布情况*地显现出来，从而能较好地区分出温度过高区域找出隐患点（优于*的点测取），大大提高了工作效率，同时减少了误判的几率。YRH300红外热像仪具有图像存储功能，可冻结图像存储后在电脑中进行准确分析。
2、预防煤炭堆积引发的自燃
煤矿在开采后会被按等级在不同的区域堆放。我们并不能排除煤堆由于温度的上升引发的自然。使用YRH300红外热像仪，您可以连续监测煤堆的热点，当发现火灾隐患时，YRH300红外热像仪会自动定位温度过高点，同时自动触发报警。接获报警后可对温度过高点采取淋水等降温措施，避免火灾的发生。
3、检查顶板冒落和采取透水
YRH300矿用红外热像仪拍取热图不需要可见光，它能够快速检查出煤壁表面的温度变化，并进行温场分析，找出温度zui高点或zui低点，特别适用于密闭墙、煤层断面等，其表面温度的变化趋势能够为是否出现大面积渗水、透水做出判断提供依据。
4、检查各种电气及动力设备的运行状态
YRH300红外热像仪亦可在供电设备和采矿设备正常运转的情况下，检测所有电气设备、电缆的温度变化情况、根据温场分布及温度变化情况，根据温升情况判别是否存在故障、是否需要检修。同时亦可采取非接触方式检测井下*与采区变电所各种开关、接头、变压器的事故隐患，水泵、局扇、防爆电机及动力设备（动力电缆）的温升，运输机及运输皮带的发热状态，及时判别设备的状态，消除隐患。
5、判定识别瞎炮
煤矿的开采过程中，经常会采取爆破手段进行开采，爆破完成后如何有效地评估爆破效果，清除可能残留的哑炮成为每次爆破实施完毕后亟需解决的问题。有了YRH300红外热像仪的帮助，一切变得“so easy”。运用YRH300红外热像仪对原铺设的爆破面进行扫描，通过各炮眼残留热量和温度分析，进而排查有无出现瞎炮，如存在瞎炮，准备定位方便采取措施及时清理。
6、矿难搜救
发生矿难后，井下没有光源、烟气浓重、煤尘弥漫，恶劣的井下环境*地阻碍了搜救人员的步伐.YRH300所采用的红外热成像技术是基于探测物体所辐射出的红外能量进行成像而发展出的一种探测手段，该项技术能穿透粉尘、烟雾、水汽清晰地成像。有了YRH300的帮助，即使在浓烟、高热、巷道黑暗等复杂环境下,救援人员也能迅速搜索到遇险人员及贵重物品, 还能及时发现着火点或隐蔽火源，从而减少搜救时间，拯救生命，降低财产损失。

技术文章

矿井煤炭自燃高温火源点区域的探测方法分析

 发布日期：2005-10-23　信息来源：脉道采矿网 

摘　要　对国内外煤炭自燃火源点区域的探测方法进行了较详细的分析，并提出了适于井下煤炭自燃高温火源点（≤100℃）区域的探测方法。
　　关键词　自燃　高温点　区域　探测

　　1　概　　述

　　煤炭自燃高温火源（≤100℃）区域的探测一直是煤矿安全生产中的重大难题之一。国内外许多学者和煤炭生产、科研单位对此都十分重视，近若干年来对相关课题开展了大量的研究。但由于这一问题的复杂性，至今仍没有得到很好的解决。其主要原因有三：一是探测技术手段和途径不成熟，所采用的各种技术手段都无法确定高温火源点区域及其内部温度；二是井下条件复杂，影响因素多，给准确探测井下火源区域带来很多困难；三是目前对这一问题的研究还不够深入，虽然许多相关课题的研究都取得了一定的进展，但并未揭示问题的实质，从而未得出有关规律性的、可直接应用的技术成果。

　　2　国内外煤炭自燃火源区域探测法分析

　　现将国内外目前所采取的一些主要方法分析叙述如下：
　　2.1　磁探测法^［1，2］
　　磁探测法的实质是，煤层上覆岩石中一般含有大量的菱铁矿及黄铁矿结核，煤层自燃时，上覆岩石受到高温烘烤，其中铁质成分发生物理化学变化，形成磁性物质，并且保留有较强的磁性。烘烤后的上覆岩石的磁性随自燃温度升高而增强。早在60年代我国西北各省就用磁法结合电法勘探煤田火区，取得了一定成果。印度也利用此法确定Jharia煤田的自燃火灾区域范围，得到了十分满意的效果。俄罗斯、乌克兰也曾用此法确定煤田自燃火区范围。从这一方法的实质和目前应用的情况看，磁探测法主要用于煤田火区，而对于生产矿井自燃高温的探测应用较少，这主要是因为：①当自燃火源温度小于400℃时和烘烤时间短时，上覆岩石或煤层中就不能形成较高的磁性；且对于生产矿井而言，要处理的是煤自燃高温区域，自燃煤温较低和烘烤时间短，这样用磁法探测的效果并不理想；②对于生产矿井，井下高温区域周围铁性物质多,磁探测法则无法有效使用。③煤层顶底板和煤中分布的铁质结核不均匀，给磁测法探测自燃火区带来一定困难。
　　2.2　电阻率探测法^［2］
　　正常情况下，埋藏于地下的煤层，沿走向（或其它方向）因其结构状态和含水性变化不大，电阻率基本保持不变。但当煤炭自然发火后，煤层的结构状态和含水性发生较大变化，从而引起煤层和周围岩石电阻率的变化。在自燃的初期，电阻率会下降；在自燃后期，由于煤较充分燃烧，其结构状态发生较大变化，水分基本蒸发掉，表现为较高的电阻率。因此，可根据观测结果比较未自燃区和自燃区的变化情况，判断自燃区域的位置，这就是电阻率法探测自燃发火区域位置的原理。由于煤在自燃的初期，煤电阻率的变化不明显，致使电阻率探测法的探测精度受限；加之井下杂散电流多，用于井下高温区域的探测比较困难，目前国内外多用于露天开采和煤层露头自燃火源的探测。
　　2.3　气体探测法
　　煤自燃在不同的温度，其产生的气体种类和浓度是不同的；故根据气体种类和浓度，依次判断煤的自燃温度，并据气体浓度梯度大致确定高温区域的范围。气体确定高温区域范围可在井下或地面进行。
　　2.3.1　井下气体探测法
　　通常称为气体分析法，是目前国内外广泛应用的煤炭自燃的预测预报方法。对某矿当煤质一定时，其煤自燃生成的气体组分与温度有一定规律，用仪器或束管监测系统检测煤自燃释放的气体，以确定煤的氧化温度和煤炭自燃区域的可能范围，但它无法知道煤炭自燃的位置和发展变化速度，并且易受井下通风因素的影响。
　　2.3.2　地面气体探测法
　　由于煤炭自燃火源区域与地面存在一定的压差和分子扩散，使自燃火源向地面有着气体流动，而在地表层中产生一些有代表性气体是从煤炭自燃点垂直方向放射的，据此在地面可布置测点测量，来判断火源点大致位置。这种方法对于煤层埋藏较深，气体不能扩散至地面，且气体向上运移发生物理化学变化时，就无法使用。
　　2.4　氡气探测法
　　氡气探测是一种放射性探测方法，它兼有物探和化探的特点。它的原理是煤层自燃后，随煤温升高，氡气浓度上升，在地面布置观测点，应用α卡法、²¹⁰Po法等，收集并测量氡气浓度，依此判断火区位置。国内山西矿业学院用此法在地面探测煤矿地下火源，并在古交北沟矿、潞安矿务局石圪节矿进行了成功应用，从应用情况来看，这种方法目前只在地面使用，自燃温度一般超过200 ℃；且用氡气量值也无法判断自燃的燃烧程度及其温度。
　　2.5　煤炭自燃温度探测法
　　2.5.1　测温仪表与测温传感器联合测温法
　　这是目前国内外应用的一种方法，兖州矿区东滩煤矿也采用此法测量煤温。据探测地点不同分为地面探测和井下探测。
　　（1）地面探测法^［3］。在自燃火区的上部利用仪器探测热流量或利用布置在测温钻孔内的传感器测定温度，根据测取的温度场用温度反演法来确定自燃火区火源的位置。这种方法常用于火源埋藏深度浅、火源温度高，已燃烧较长时间的火区。波兰、俄罗斯曾应用此法探测煤层露头的自燃火区范围，探测深度在30～50 m。
　　（2）井下探测法^［4］。此种方法是把测温传感器预埋或通过钻孔布置在易自燃发火区域（采空区和煤层内），根据传感器的温度变化来确定高温点的位置、发展变化速度，这种方法受外界干扰少，测定准确，煤温只要升高，传感器位置合适，就能有效探测。这是目前井下准确的探测方法。山东矿业学院已成功地开发了适于井下应用的MKT-Ⅰ，MKT-Ⅱ和MKT-Ⅲ（自动监控）电脑型测温仪，此仪器的zui大特点是测定准确，和测定距离长度无关。东滩煤矿应用此法在井下进行了成功的探测。由于测温及时、准确，为高温点的消除起到了积极的作用。
　　（3）测温仪表与测温传感器联合测温法的缺陷。尽管此种探测法测定准确、可靠，弥补了上述一些探测方法的不足，但它本身也存在一些问题值得研究：①传感器的布置是探测自燃高温区域的关键，数量、位置准确，就能有效控制自然区域高温点；但这些布置参数受煤体温度场传导速度的限制，由于煤的导温系数较小，要想测取煤体温度，控制自燃位置，就要布置一定数量的传感器；②测温钻孔：要测取煤体温度，就必须在煤体内布置测温传感器，因而就需要测温钻孔，增加了工作量。
　　2.5.2　红外探测法^［5，6］
　　在国内外这一方法已较广泛用于地面煤堆自燃和井下煤炭自燃火源的探测。探测仪器有红外测温仪和红外热成像仪，应用zui多的是红外测温仪。俄罗斯采用红外测温仪，美国采用红外测温仪和热成像仪探测煤壁和煤柱自燃温度；国内兖州、开滦、徐州等矿区采用红外测温仪测定井下煤壁温度。红外测温仪是测取点温，红外成像仪是扫描成像测取温度。在国内，红外热成像仪井下没见应用，而在煤田地质调查、地震预报、地下水探测、岩突、岩爆等方面得到了应用。隧道和巷道内由岩石的应力引起的表面0.2 ℃左右的温度变化就可被测到，从而可分析引起灾害的程度。
　　红外探测法的实质是自然界的任何物体只要处于零度（0 K）之上，都会自行向外发射红外线。其发射能量如下式

E=εαT⁴　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

式中　ε——辐射系数，其值为0＜ε＜1，岩石和煤体一般为0.7～0.98，辐射系数受物体化学组　　　　　分、表面状态、内部结构、含水量、孔隙度等影响；
　　　α——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10^-12 cm^2.K⁴；
　　　T——物体的温度，K。
　　从式（1）可看出，物体的温度越高，辐射能量就越大，红外测温仪器接受辐射量而转换的辐射温度就越高，因此就可利用红外测温仪器对温度的高分辨率来探测井下巷道自燃位置。
　　在通常情况下，自然界的红外辐射区域是362K（89℃）至207K（-66℃），即波长在8～14 μm的大气窗口区域内。红外技术是探测物体表面的红外辐射温度，它不同于物理温度，物体表面的红外辐射温度取决于物体表面物理温度及其物体的物质成分、含水量、表面粗糙度、颗粒大小、孔隙度、热惯量（比热、热传导率、比重）等诸多因素；这些因素的任一项微小变化，都会引起红外辐射温度的变化。因此，在排除干扰因素后，提取同种物质的温度变化异常信息是至关重要的。
　　红外热成像仪类似于摄像机,它将镜头视场内景物的红外辐射温度场（25°×20°的景物），通过锗透镜聚焦到红外敏感原件上（单点扫描式、线阵或面阵排列）,转换成电信号，经电路放大、模/数转换、记录并显示，当然还得有一套复杂的处理软件，其结果通常将其视为景物的温度图像，现以TVS-600热像仪为例，在热像仪距景物2 m时，摄得景物面积为：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内又有320×240个像点，每个像点的面积为2.8 mm×2.8 mm，就是说只要有7.84 mm²面积的热异常（大于0.15℃）就能被发现。而煤壁总有一些微裂隙，微气孔的热传导、热对流和热扩散，使表面局部产生温度变化，从而观测到红外辐射温度异常，故利用红外热成像仪准确探测自燃高温区域成为可能。关键在于如何通过温度异常来诊断自燃高温点。
　　另外，非致冷的面阵探测器（红外敏感元件）是当今红外科学发展的新贡献，它给行业使用带来了方便，就不需要如液氮等致冷液体、气体或压缩机（小型循环致冷），同时减少了噪声、耗电量和重量。
　　目前，红外热成像仪的种类较多，现国防、电力、医学、工业生产线有较多应用。这里就适于测温的红外热成像仪介绍如表1。

表1　红外热成像仪

　　3　探测方法对比

　　各种探测法都有自己的优、缺点和使用范围，磁探测法、电阻率探测法、氡探测法主要适用于封闭火区且火源温度较高，准确性较好，而对于井下出现的高温区域（≤100℃）则无能为力。气体探测法能预测高温区域温度，但不能准确确定高温区域位置和发展变化速度，并受井下通风压力、风量的影响。探测煤的自燃温度来确定自燃位置，是一种可靠的手段，关键是用那种方法探测出隐蔽的高温区域及其自燃温度。测温仪表与测温传感器联合测温法，是一种实用的方法，但它受测温传感器布置数量和测温钻孔施工的影响；还受煤导热性能的影响。在红外探测法中，红外测温仪测的是点温，无法综合准确判断煤的自燃区域，但它可找出整个巷道温度异常的大致范围；而红外热像仪，是通过扫描成像测取温度，能在一个面上判断煤自燃高温区域；测温又简单、迅速、精确；红外热像仪测温又是目前测温领域的*设备，故应用热像仪来探测煤自燃区域是可能的，它是煤炭自燃高温火源点区域探测的发展方向。

　　4　结　　语

　　根据上述高温区域探测方法的分析可知，红外热像仪测温是一种新型的火灾探测方法。它将图像识别为主的多种探测方法进行信息融合后进行综合判别，提高煤炭自燃预测的准确性，达到探测煤炭自燃发火的目的具有*的实用价值。

煤矿井下自燃火灾的图像识别及综合判据系统

孙继平教授 宋姝

（中国矿业大学（北京）信息工程研究所，北京）

【摘要】煤矿自燃火灾的早期探测及预报是保证煤炭生产安全的有效手段。目前已有的各种预测预报技术，虽对煤炭自燃火灾的防治起到一定的作用，但对于不同煤质和不同地质赋存情况下的煤矿，单一探测方法的预测精度有限，在探测的准确性和有效性方面尚不能*各种类型煤矿安全生产的需要。为了提高煤炭自燃灾害早期探测的可靠性，笔者提出一种以图像识别技术为基础的煤炭自燃发火探测方法，并进一步利用信息融合技术结合其他探测方法建立一套煤矿自燃发火综合判据系统，该系统有助于提高煤炭自燃预测的准确性，对煤矿的安全生产能发挥重要作用。

【关键词】煤炭自燃； 预测预报； 图像识别； 信息融合； 综合判据

1 引言

煤炭自燃是煤炭在自然条件下燃烧的一种现象，煤矿自燃引发的火灾是煤矿安全生产的一大隐患。煤炭自燃不仅快速侵蚀着优质的煤炭资源，而且严重破坏生态环境，并对煤矿生产构成严重危害。对其进行早期探测尤为重要。

近几年来，自燃的早期预测预报作为行之有效的控制煤矿火灾发生的方法而受到广泛的注视。根据煤矿井下自燃发火的早期特征，其探测和判别方法有多种，常采用的有测温法、指标气体法等。值得注意的是，虽然这些预测预报技术对煤炭自燃火灾的防治发挥了重要作用，但由于煤是一种非均质体，其化学结构、物理性质以及煤岩组分均有很大差别，煤层地质赋存条件、煤层的开采、开拓、通风条件和采煤的方法也存在多样性，煤炭的自燃又是一个非常复杂的过程，对于不同变质程度和煤岩组分的煤炭在自燃发生前和发生时所出现的征兆及判别方法也有所差异。事实上，很难使用单一的方法探测各类地质条件下的煤炭自燃发火，因此，常见的探测方法在准确性和有效性方面尚不能*各种类型煤矿安全生产需要。

针对上述探测技术的现状，笔者提出以图像识别为主的煤矿自燃火灾的探测方法、利用图像信息的丰富和直观性为煤炭自燃的早期识别奠定基础。与此同时，发现已有的各种探测方法判别所依据的环境特征都是彼此独立的，提供有煤炭自燃早期发火时的不同信息，这些信息又是互补的，即它们是被探测目标发生环境所表现各个不同侧面。对于不同地质赋存情况下不同煤质的矿井，单独使用某一种方法的预测精度往往不同，对发火判别的准确性也各不相同。如果只是单一地使用某种探测方法，将会浪费能提供发火判断的其他有用信息。使用互补信息进行融合减少了由于缺少某些自燃发火的早期特征而产生的漏报、误报，以提高探测系统进行发火识别的完整性和正确性。

笔者提出的综合判据系统是一个以图像识别技术为基础，利用信息融合技术，结合传统的测温法、指标气体法等多种探测方法的综合系统。其将探测所得数据进行多级别、多方面、多层次的信息融合处理，从而得到比单个方法更精确的探测结果，实现对煤炭自燃发火的综合判别。该法的推广和应用，为煤矿的安全生产和经济效益提供一个有力的保证。

2 常见煤矿自燃火灾探测方法及存在的问题

煤的自燃一般常发生在煤矿的巷道内及采空区、浅层区或大量堆积煤炭的贮煤场所等处。它是由煤的自燃倾向性、热量的集聚及有连续供氧的条件下发生的。常见的煤矿自燃探测方法有测温法、指标气体法、同位素测氡法、气味检测法、探测法、电阻率探测法等。各种探测法都有自己的优、缺点和适用范围。

感温探测法是以温度的变化作为着火依据。与地面火灾不同，煤矿井下的自燃属于地下受限空间在低供氧条件下的发火。自燃时的热物理现象主要以阴燃为主。阴燃是一种只在气固相界面处的燃烧反应，无明显气相火焰的燃烧现象。其温度较低，燃烧速度慢，一般是自我维持而无明火燃烧［!］。故不易为感温探测器所发现。

*以来的观测表明，当煤炭发生自燃后，可使附近区域的"#减少，增加，并出现$" 及烷类、烯类气体。根据这一特性，井下现多采用在巷道内放置的扩散式气体传感器来进行指标气体的检测，从而发现火灾，但指标气体法不能准确确定高温区域位置和发展变化速度，并且受井下通风压力、风量的影响较大。

煤炭自燃发火气味检测法指标的确定，依赖于矿井检测场所正常生产条件下的本底情况。该本底值不仅包括正常生产条件下的气体、气味本底值，还包括生产状况改变（如采煤机开、停，放煤、落煤、带式输送机的开停、放炮等）引起检测现场本底值的变化情况［#］。气味传感器在井下应用时，要连续监测巷道内的气味变化，必须通过*监测，找出监测环境的背景气味变化规律，才能进行是否发生自燃发火的判断，依据经验值较多且当被测矿井环境发生变化，原先的本底值必然跟着变化，将直接影响到探测的准确性。

如用遥感技术确定煤田大面积火灾，只能对数十甚至数百平方千米的范围进行圈定，主要用于火区普查，无法满足生产矿井的需要；用物探的磁法、电法、地质雷达等进行火源探测，因受大地杂散电流、磁场、山区复杂地形等多因素的干扰，使得多解性的资料解释非常困难，探测准确度很低［%］，对自燃的早期预测预报指导意义不大。

磁探侧法、电阻率探测法、氡探测法主要适用于封闭火区且高温点温度较高时，准确性较好。但煤炭自燃早期一般温度较低，燃烧速度慢，不易被探测。且氡探测法取得探测结果后还必须用软件对探测结果进行判断，影响了火情的及时发现。

因为煤矿井下自燃发火具有酝酿周期长，不易检测等特点，加上现有的火灾识别方法的可靠性和适用范围有限，所以希望有一种更为直观和有效的火灾检测方法。

3 基于图像识别技术的煤炭自燃发火探测

图像是人类视觉的延伸。通过视觉，可立即准确地发现火灾。图像监测快速性的基础是视觉所接受的信息以光为传播媒介；而图像信息的丰富和直观，更为早期火灾的辨识和判断奠定了基础，其他任何火灾探测技术均不能提供如此丰富和直观的信息［!］。此外，图像监测的关键器件，如敏感元件通过光学镜头与外界发生间接接触，该结构保证了图像监测技术在较恶劣（多粉尘、高湿度）的矿井环境中使用。图像型火灾探测技术是适用在煤矿井下环境的数字图像处理技术和模式识别技术，依据火灾火焰的图像特性［&］解决矿井特殊场所火灾探测的难题，实现火灾自动报警。

对于火灾采用图像识别的方法进行探测和预警，国内外学者都有过一定的研究，但这些研究都一般地面火灾的探测。对于煤矿井下火灾图像检测的研究鲜有所闻，至于煤炭自燃火灾图像的识别尚未有人涉足。

对煤矿井下煤炭自燃进行图像识别，zui主要的问题是煤矿井下具有湿度高，粉尘干扰大等环境特点。使得煤炭自燃的发火图像具有介质散射和噪声干扰等因素，导致采集成像后的图像存在降质，所以煤矿井下图像降质因素的分析和降质模型的建立是研究煤炭自燃发火图像识别方法的一个重点问题。也正是煤矿井下的较恶劣环境使得对于处于矿井环境中煤炭自燃的图像识别问题更具研究价值。

图1自燃图像识别流程框图

首先将利用图像采集设备在现场采集的待测煤体的图像交由图像处理集。图像处理集包括了常用的图像处理手段，包括滤波、分割、边缘提取等。控制和识别规则库实现系统识别策略。根据所采集到的原始图像中关于目标图像的粗略信息，选取图像处理集中的一些处理方法，按照一定次序有机组合，并有选择地根据煤炭自燃发火图像知识库中相关部分的知识模型，将处理后的目标图像与知识模型相匹配，根据匹配后结果的置信度确定识别结果。

4 采用信息融合技术的综合判据系统

鉴于发火时单个特征量（如温度、烟雾、气体成份等）发生变化的火灾探测技术在探测多种类型煤矿所发生的自燃火灾时不具备通用性，即可靠性和有效性方面已无法满足多种类型煤矿自燃火灾的探测需要，多元信息融合探测技术应运而生。采用信息融合技术的自燃探测系统不是原有单一参数自燃发火探测器的简单组合，而是实施多元同步探测。根据不同类型的自燃参数应用智能算法对多传感器的火灾参数进行融合，通过模糊专家系统加以判断发生自燃的可能性及程度。该方法克服了单个探测方法的探测局限。

基于信息融合的自燃火灾综合判据系统识别方法就是从多种不同的火灾探测方法角度对待测目标进行探测，通过在不同层次将多个探测设备所测得的信息或数据进行特征提取及融合得到发火可能性的预报结果。

笔者提出采用以图像识别技术为主结合测温法和指标气体法等其他综合手段进行煤矿井下煤炭自燃的发火识别。拟建立起一套以图像识别探测为主采用多判据信息融合技术的综合判据系统。来实现煤炭自燃的探测和识别。系统采用信息层、特征层和决策层! 层融合结构［"］。信息层主要完成待测现场原始数据的采集和处理；特征层提取信息层输出信号的数据特征；决策层则充分利用特征层所提取测量对象的各类特征信息，采取适当的模糊融合推理技术得出zui终的融合结果。

图2 给出了综合判据系统的示意框图。各传感器（如红外热像仪、温度探测器，烟雾传感器，$% 浓度探测器等）输出的数据形式、对探测结果的描述和说明等都各不相同。为了能在数据融合过程中综合处理各种不同来源的信息，首先必须对它们进行预处理，转换成相同的数据形式或描述。由于对不同程度的自燃多传感器系统测得的多个火情信息具有很大的不相关性，因此，系统将预先对一种传感器采集的单一信号进行局部决策。

如果局部决策结果中的每个信号都是平稳变化，就不送特征层，直接交由决策层决策；如果局部决策过程中有某种信号出现非平稳变化，即提请特征层对所有信息进行特征提取，再根据提取的特征得出自燃的zui终判别结果。这样有助于在早期识别自燃发火，又有利于减少特征层的计算处理，减少误报警。特征层利用预先建立的自燃发火专家系统或人工神经网络等工具对处理后的数据进行发火判断特征提取。决策层的主要任务就是根据特征层提取的特征，采取模糊推理等适当的融合方法，给出zui终的判断结果。

图2 采取信息融合技术的自燃发火综合判据系统框图

由于图像信息的丰富和直观，使得基于图像识别的探测方法成为煤炭自燃综合判据系统中主要的判别依据，因此在特征层和决策层进行信息融合时将图像探测结果的影响因子权值提高，达到突出该判别依据的目的［&］。当该系统在不同地质赋存条件的矿井中使用时，可根据煤矿地质赋存条件提高相应探测方法的权值，即某种方法探测结果的权值在其适用条件下可适当增加，达到zui大限度利用有效判据的目的。

5  结论

笔者提出的基于图像识别技术的煤炭自燃发火的综合判据系统法是一种新型的火灾探测方法。它将图像识别为主的多种探测方法进行信息融合后进行综合判别，提高煤炭自燃预测的准确性，达到探测煤炭自燃发火的目的。该法不仅有其实用价值，而且具有很多优点：

1）图像信息的丰富和直观对于煤炭自燃发火的探测具有传统测温法、指标气体法等所不能具备的直观快速性和有效性。

2）在同一探测现场使用多种探测方法取得探测数据，作为综合判据系统的输入，使用模糊专家系统来进行发火的判别。无论同以往的单个自燃火灾探测方法相比，还是和常规的图像探测方法相比，都能实现更高的可靠性。

3）该套系统中重点要解决两个问题

一个是对矿井特殊环境中自燃发火图像的识别；

另一个则是在利用多元信息融合进行综合判别时对各探测方法测得的数据进行有效融合的问题。关键在于如何用各种探测信号统计知识决定其权值和

判别门限以及模糊融合推理系统的建立。

4）笔者将以上两个问题作为下一步研究的重点，力争为煤矿自燃火灾的探测提供一个直观、高效的手段。

YRH300本质安全型红外热成像仪

制造商：开元创杰（北京）科技有限公司 
煤安证号： MFA100168
安标查询：http://www.aqbz.org/ABXX/AB_SHOW_Q.asp?mid=11660780

3.5寸超大显示屏，便于黑暗条件下使用
配备防爆图像发射和接收器、图像无线传输超过200米
一、 简介
当煤自燃发火时，煤层表面的温度升高，但肉眼并不能观察到，采用红外热像仪将煤层表面的温度以图像的形式呈现出来，高温和低温用不同的颜色标示，便于发现高温区，寻找隐性火区分布，适合于通风部门防治煤自燃发火。
矿井中有很多大功率电气设备，如电机、大型液压泵站、变电站、反复运转的轴承、绞车，长时间运转后会产生高温，但很难发现，采用红外热像仪就很直观的检查设备发热、超温、事故隐患，机电部门使用较为广泛。
二、 用途
检查井下煤自燃发火隐性火区分布、火源位置
检查各种煤矿大型电气设备及动力设备的发热，超温、事故隐患
矿难救援
检查顶板冒落和采区透水
排查瞎炮
检测地面矸子山发火

三、        技术参数

• 测温范围:0℃～+300℃

• 显示屏：3.5" 彩色LCD

• IP等级：IP67

• 无线图像发射距离：大于200米 7

• 电池类型: 镍氢可充电电池，可现场更换

• 视场角/zui小焦距: 35°×26°/ 0.5m

• 空间分辨率: 3.8mrad

• 探测器类型: （UFPA） 非制冷焦平面探测器

• 分辨率: 160 x 120

• 工作波长: 8到14 µm

• 焦距调节方式: 固定焦距

• 电池工作时间: 约2.5小时连续工作

• 充电器: 镍氢充电器

• 工作环境温度: 长时间工作: -20°C 至 +55°C 短时间工作: 80°C 至 +260°C

• 储存环境温度: -40℃ 至 +70℃ （-40°F 至 +158°F）

• 抗冲击性: 工作时: 25G

• 抗震动性: 工作时: 2G

• 重量（包括电池）: 1400克

• 尺寸: 175mm x 119mm x 125mm

四、        配置

主机

ZWZ4-X图像发射器

ZWZ4-S接收显示器

YRH300矿用本质安全型红外热成像仪
在煤矿安全领域的应用

1、检查井下隐性火区分布、火源位置

煤层漏氧导致氧化，释放一氧化碳和热量，热量逐渐累积，达到着火点发生自燃，造成井下火灾。煤层总有一些微细缝，微气体的热传导、热对流和热扩散，使煤层表面局部产生温度变化，使用YRH300红外热像仪可以即时观察巷道煤壁，通过声光报警，及时发现存在温度过热的区域，从而采取有效措施，避免自燃的发生；YRH300红外热像仪采用整体实时成像技术，能将所观测物体的热分布情况*地显现出来，从而能较好地区分出温度过高区域找出隐患点（优于*的点测取），大大提高了工作效率，同时减少了误判的几率。YRH300红外热像仪具有图像存储功能，可冻结图像存储后在电脑中进行准确分析。
2、预防煤炭堆积引发的自燃
煤矿在开采后会被按等级在不同的区域堆放。我们并不能排除煤堆由于温度的上升引发的自然。使用YRH300红外热像仪，您可以连续监测煤堆的热点，当发现火灾隐患时，YRH300红外热像仪会自动定位温度过高点，同时自动触发报警。接获报警后可对温度过高点采取淋水等降温措施，避免火灾的发生。
3、检查顶板冒落和采取透水
YRH300矿用红外热像仪拍取热图不需要可见光，它能够快速检查出煤壁表面的温度变化，并进行温场分析，找出温度zui高点或zui低点，特别适用于密闭墙、煤层断面等，其表面温度的变化趋势能够为是否出现大面积渗水、透水做出判断提供依据。
4、检查各种电气及动力设备的运行状态
YRH300红外热像仪亦可在供电设备和采矿设备正常运转的情况下，检测所有电气设备、电缆的温度变化情况、根据温场分布及温度变化情况，根据温升情况判别是否存在故障、是否需要检修。同时亦可采取非接触方式检测井下*与采区变电所各种开关、接头、变压器的事故隐患，水泵、局扇、防爆电机及动力设备（动力电缆）的温升，运输机及运输皮带的发热状态，及时判别设备的状态，消除隐患。
5、判定识别瞎炮
煤矿的开采过程中，经常会采取爆破手段进行开采，爆破完成后如何有效地评估爆破效果，清除可能残留的哑炮成为每次爆破实施完毕后亟需解决的问题。有了YRH300红外热像仪的帮助，一切变得“so easy”。运用YRH300红外热像仪对原铺设的爆破面进行扫描，通过各炮眼残留热量和温度分析，进而排查有无出现瞎炮，如存在瞎炮，准备定位方便采取措施及时清理。
6、矿难搜救
发生矿难后，井下没有光源、烟气浓重、煤尘弥漫，恶劣的井下环境*地阻碍了搜救人员的步伐.YRH300所采用的红外热成像技术是基于探测物体所辐射出的红外能量进行成像而发展出的一种探测手段，该项技术能穿透粉尘、烟雾、水汽清晰地成像。有了YRH300的帮助，即使在浓烟、高热、巷道黑暗等复杂环境下,救援人员也能迅速搜索到遇险人员及贵重物品, 还能及时发现着火点或隐蔽火源，从而减少搜救时间，拯救生命，降低财产损失。

技术文章

矿井煤炭自燃高温火源点区域的探测方法分析

 发布日期：2005-10-23　信息来源：脉道采矿网 

摘　要　对国内外煤炭自燃火源点区域的探测方法进行了较详细的分析，并提出了适于井下煤炭自燃高温火源点（≤100℃）区域的探测方法。
　　关键词　自燃　高温点　区域　探测

　　1　概　　述

　　煤炭自燃高温火源（≤100℃）区域的探测一直是煤矿安全生产中的重大难题之一。国内外许多学者和煤炭生产、科研单位对此都十分重视，近若干年来对相关课题开展了大量的研究。但由于这一问题的复杂性，至今仍没有得到很好的解决。其主要原因有三：一是探测技术手段和途径不成熟，所采用的各种技术手段都无法确定高温火源点区域及其内部温度；二是井下条件复杂，影响因素多，给准确探测井下火源区域带来很多困难；三是目前对这一问题的研究还不够深入，虽然许多相关课题的研究都取得了一定的进展，但并未揭示问题的实质，从而未得出有关规律性的、可直接应用的技术成果。

　　2　国内外煤炭自燃火源区域探测法分析

　　现将国内外目前所采取的一些主要方法分析叙述如下：
　　2.1　磁探测法^［1，2］
　　磁探测法的实质是，煤层上覆岩石中一般含有大量的菱铁矿及黄铁矿结核，煤层自燃时，上覆岩石受到高温烘烤，其中铁质成分发生物理化学变化，形成磁性物质，并且保留有较强的磁性。烘烤后的上覆岩石的磁性随自燃温度升高而增强。早在60年代我国西北各省就用磁法结合电法勘探煤田火区，取得了一定成果。印度也利用此法确定Jharia煤田的自燃火灾区域范围，得到了十分满意的效果。俄罗斯、乌克兰也曾用此法确定煤田自燃火区范围。从这一方法的实质和目前应用的情况看，磁探测法主要用于煤田火区，而对于生产矿井自燃高温的探测应用较少，这主要是因为：①当自燃火源温度小于400℃时和烘烤时间短时，上覆岩石或煤层中就不能形成较高的磁性；且对于生产矿井而言，要处理的是煤自燃高温区域，自燃煤温较低和烘烤时间短，这样用磁法探测的效果并不理想；②对于生产矿井，井下高温区域周围铁性物质多,磁探测法则无法有效使用。③煤层顶底板和煤中分布的铁质结核不均匀，给磁测法探测自燃火区带来一定困难。
　　2.2　电阻率探测法^［2］
　　正常情况下，埋藏于地下的煤层，沿走向（或其它方向）因其结构状态和含水性变化不大，电阻率基本保持不变。但当煤炭自然发火后，煤层的结构状态和含水性发生较大变化，从而引起煤层和周围岩石电阻率的变化。在自燃的初期，电阻率会下降；在自燃后期，由于煤较充分燃烧，其结构状态发生较大变化，水分基本蒸发掉，表现为较高的电阻率。因此，可根据观测结果比较未自燃区和自燃区的变化情况，判断自燃区域的位置，这就是电阻率法探测自燃发火区域位置的原理。由于煤在自燃的初期，煤电阻率的变化不明显，致使电阻率探测法的探测精度受限；加之井下杂散电流多，用于井下高温区域的探测比较困难，目前国内外多用于露天开采和煤层露头自燃火源的探测。
　　2.3　气体探测法
　　煤自燃在不同的温度，其产生的气体种类和浓度是不同的；故根据气体种类和浓度，依次判断煤的自燃温度，并据气体浓度梯度大致确定高温区域的范围。气体确定高温区域范围可在井下或地面进行。
　　2.3.1　井下气体探测法
　　通常称为气体分析法，是目前国内外广泛应用的煤炭自燃的预测预报方法。对某矿当煤质一定时，其煤自燃生成的气体组分与温度有一定规律，用仪器或束管监测系统检测煤自燃释放的气体，以确定煤的氧化温度和煤炭自燃区域的可能范围，但它无法知道煤炭自燃的位置和发展变化速度，并且易受井下通风因素的影响。
　　2.3.2　地面气体探测法
　　由于煤炭自燃火源区域与地面存在一定的压差和分子扩散，使自燃火源向地面有着气体流动，而在地表层中产生一些有代表性气体是从煤炭自燃点垂直方向放射的，据此在地面可布置测点测量，来判断火源点大致位置。这种方法对于煤层埋藏较深，气体不能扩散至地面，且气体向上运移发生物理化学变化时，就无法使用。
　　2.4　氡气探测法
　　氡气探测是一种放射性探测方法，它兼有物探和化探的特点。它的原理是煤层自燃后，随煤温升高，氡气浓度上升，在地面布置观测点，应用α卡法、²¹⁰Po法等，收集并测量氡气浓度，依此判断火区位置。国内山西矿业学院用此法在地面探测煤矿地下火源，并在古交北沟矿、潞安矿务局石圪节矿进行了成功应用，从应用情况来看，这种方法目前只在地面使用，自燃温度一般超过200 ℃；且用氡气量值也无法判断自燃的燃烧程度及其温度。
　　2.5　煤炭自燃温度探测法
　　2.5.1　测温仪表与测温传感器联合测温法
　　这是目前国内外应用的一种方法，兖州矿区东滩煤矿也采用此法测量煤温。据探测地点不同分为地面探测和井下探测。
　　（1）地面探测法^［3］。在自燃火区的上部利用仪器探测热流量或利用布置在测温钻孔内的传感器测定温度，根据测取的温度场用温度反演法来确定自燃火区火源的位置。这种方法常用于火源埋藏深度浅、火源温度高，已燃烧较长时间的火区。波兰、俄罗斯曾应用此法探测煤层露头的自燃火区范围，探测深度在30～50 m。
　　（2）井下探测法^［4］。此种方法是把测温传感器预埋或通过钻孔布置在易自燃发火区域（采空区和煤层内），根据传感器的温度变化来确定高温点的位置、发展变化速度，这种方法受外界干扰少，测定准确，煤温只要升高，传感器位置合适，就能有效探测。这是目前井下准确的探测方法。山东矿业学院已成功地开发了适于井下应用的MKT-Ⅰ，MKT-Ⅱ和MKT-Ⅲ（自动监控）电脑型测温仪，此仪器的zui大特点是测定准确，和测定距离长度无关。东滩煤矿应用此法在井下进行了成功的探测。由于测温及时、准确，为高温点的消除起到了积极的作用。
　　（3）测温仪表与测温传感器联合测温法的缺陷。尽管此种探测法测定准确、可靠，弥补了上述一些探测方法的不足，但它本身也存在一些问题值得研究：①传感器的布置是探测自燃高温区域的关键，数量、位置准确，就能有效控制自然区域高温点；但这些布置参数受煤体温度场传导速度的限制，由于煤的导温系数较小，要想测取煤体温度，控制自燃位置，就要布置一定数量的传感器；②测温钻孔：要测取煤体温度，就必须在煤体内布置测温传感器，因而就需要测温钻孔，增加了工作量。
　　2.5.2　红外探测法^［5，6］
　　在国内外这一方法已较广泛用于地面煤堆自燃和井下煤炭自燃火源的探测。探测仪器有红外测温仪和红外热成像仪，应用zui多的是红外测温仪。俄罗斯采用红外测温仪，美国采用红外测温仪和热成像仪探测煤壁和煤柱自燃温度；国内兖州、开滦、徐州等矿区采用红外测温仪测定井下煤壁温度。红外测温仪是测取点温，红外成像仪是扫描成像测取温度。在国内，红外热成像仪井下没见应用，而在煤田地质调查、地震预报、地下水探测、岩突、岩爆等方面得到了应用。隧道和巷道内由岩石的应力引起的表面0.2 ℃左右的温度变化就可被测到，从而可分析引起灾害的程度。
　　红外探测法的实质是自然界的任何物体只要处于零度（0 K）之上，都会自行向外发射红外线。其发射能量如下式

E=εαT⁴　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

式中　ε——辐射系数，其值为0＜ε＜1，岩石和煤体一般为0.7～0.98，辐射系数受物体化学组　　　　　分、表面状态、内部结构、含水量、孔隙度等影响；
　　　α——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10^-12 cm^2.K⁴；
　　　T——物体的温度，K。
　　从式（1）可看出，物体的温度越高，辐射能量就越大，红外测温仪器接受辐射量而转换的辐射温度就越高，因此就可利用红外测温仪器对温度的高分辨率来探测井下巷道自燃位置。
　　在通常情况下，自然界的红外辐射区域是362K（89℃）至207K（-66℃），即波长在8～14 μm的大气窗口区域内。红外技术是探测物体表面的红外辐射温度，它不同于物理温度，物体表面的红外辐射温度取决于物体表面物理温度及其物体的物质成分、含水量、表面粗糙度、颗粒大小、孔隙度、热惯量（比热、热传导率、比重）等诸多因素；这些因素的任一项微小变化，都会引起红外辐射温度的变化。因此，在排除干扰因素后，提取同种物质的温度变化异常信息是至关重要的。
　　红外热成像仪类似于摄像机,它将镜头视场内景物的红外辐射温度场（25°×20°的景物），通过锗透镜聚焦到红外敏感原件上（单点扫描式、线阵或面阵排列）,转换成电信号，经电路放大、模/数转换、记录并显示，当然还得有一套复杂的处理软件，其结果通常将其视为景物的温度图像，现以TVS-600热像仪为例，在热像仪距景物2 m时，摄得景物面积为：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内又有320×240个像点，每个像点的面积为2.8 mm×2.8 mm，就是说只要有7.84 mm²面积的热异常（大于0.15℃）就能被发现。而煤壁总有一些微裂隙，微气孔的热传导、热对流和热扩散，使表面局部产生温度变化，从而观测到红外辐射温度异常，故利用红外热成像仪准确探测自燃高温区域成为可能。关键在于如何通过温度异常来诊断自燃高温点。
　　另外，非致冷的面阵探测器（红外敏感元件）是当今红外科学发展的新贡献，它给行业使用带来了方便，就不需要如液氮等致冷液体、气体或压缩机（小型循环致冷），同时减少了噪声、耗电量和重量。
　　目前，红外热成像仪的种类较多，现国防、电力、医学、工业生产线有较多应用。这里就适于测温的红外热成像仪介绍如表1。

表1　红外热成像仪

　　3　探测方法对比

　　各种探测法都有自己的优、缺点和使用范围，磁探测法、电阻率探测法、氡探测法主要适用于封闭火区且火源温度较高，准确性较好，而对于井下出现的高温区域（≤100℃）则无能为力。气体探测法能预测高温区域温度，但不能准确确定高温区域位置和发展变化速度，并受井下通风压力、风量的影响。探测煤的自燃温度来确定自燃位置，是一种可靠的手段，关键是用那种方法探测出隐蔽的高温区域及其自燃温度。测温仪表与测温传感器联合测温法，是一种实用的方法，但它受测温传感器布置数量和测温钻孔施工的影响；还受煤导热性能的影响。在红外探测法中，红外测温仪测的是点温，无法综合准确判断煤的自燃区域，但它可找出整个巷道温度异常的大致范围；而红外热像仪，是通过扫描成像测取温度，能在一个面上判断煤自燃高温区域；测温又简单、迅速、精确；红外热像仪测温又是目前测温领域的*设备，故应用热像仪来探测煤自燃区域是可能的，它是煤炭自燃高温火源点区域探测的发展方向。

　　4　结　　语

　　根据上述高温区域探测方法的分析可知，红外热像仪测温是一种新型的火灾探测方法。它将图像识别为主的多种探测方法进行信息融合后进行综合判别，提高煤炭自燃预测的准确性，达到探测煤炭自燃发火的目的具有*的实用价值。

煤矿井下自燃火灾的图像识别及综合判据系统

孙继平教授 宋姝

（中国矿业大学（北京）信息工程研究所，北京）

【摘要】煤矿自燃火灾的早期探测及预报是保证煤炭生产安全的有效手段。目前已有的各种预测预报技术，虽对煤炭自燃火灾的防治起到一定的作用，但对于不同煤质和不同地质赋存情况下的煤矿，单一探测方法的预测精度有限，在探测的准确性和有效性方面尚不能*各种类型煤矿安全生产的需要。为了提高煤炭自燃灾害早期探测的可靠性，笔者提出一种以图像识别技术为基础的煤炭自燃发火探测方法，并进一步利用信息融合技术结合其他探测方法建立一套煤矿自燃发火综合判据系统，该系统有助于提高煤炭自燃预测的准确性，对煤矿的安全生产能发挥重要作用。

【关键词】煤炭自燃； 预测预报； 图像识别； 信息融合； 综合判据

1 引言

煤炭自燃是煤炭在自然条件下燃烧的一种现象，煤矿自燃引发的火灾是煤矿安全生产的一大隐患。煤炭自燃不仅快速侵蚀着优质的煤炭资源，而且严重破坏生态环境，并对煤矿生产构成严重危害。对其进行早期探测尤为重要。

近几年来，自燃的早期预测预报作为行之有效的控制煤矿火灾发生的方法而受到广泛的注视。根据煤矿井下自燃发火的早期特征，其探测和判别方法有多种，常采用的有测温法、指标气体法等。值得注意的是，虽然这些预测预报技术对煤炭自燃火灾的防治发挥了重要作用，但由于煤是一种非均质体，其化学结构、物理性质以及煤岩组分均有很大差别，煤层地质赋存条件、煤层的开采、开拓、通风条件和采煤的方法也存在多样性，煤炭的自燃又是一个非常复杂的过程，对于不同变质程度和煤岩组分的煤炭在自燃发生前和发生时所出现的征兆及判别方法也有所差异。事实上，很难使用单一的方法探测各类地质条件下的煤炭自燃发火，因此，常见的探测方法在准确性和有效性方面尚不能*各种类型煤矿安全生产需要。

针对上述探测技术的现状，笔者提出以图像识别为主的煤矿自燃火灾的探测方法、利用图像信息的丰富和直观性为煤炭自燃的早期识别奠定基础。与此同时，发现已有的各种探测方法判别所依据的环境特征都是彼此独立的，提供有煤炭自燃早期发火时的不同信息，这些信息又是互补的，即它们是被探测目标发生环境所表现各个不同侧面。对于不同地质赋存情况下不同煤质的矿井，单独使用某一种方法的预测精度往往不同，对发火判别的准确性也各不相同。如果只是单一地使用某种探测方法，将会浪费能提供发火判断的其他有用信息。使用互补信息进行融合减少了由于缺少某些自燃发火的早期特征而产生的漏报、误报，以提高探测系统进行发火识别的完整性和正确性。

笔者提出的综合判据系统是一个以图像识别技术为基础，利用信息融合技术，结合传统的测温法、指标气体法等多种探测方法的综合系统。其将探测所得数据进行多级别、多方面、多层次的信息融合处理，从而得到比单个方法更精确的探测结果，实现对煤炭自燃发火的综合判别。该法的推广和应用，为煤矿的安全生产和经济效益提供一个有力的保证。

2 常见煤矿自燃火灾探测方法及存在的问题

煤的自燃一般常发生在煤矿的巷道内及采空区、浅层区或大量堆积煤炭的贮煤场所等处。它是由煤的自燃倾向性、热量的集聚及有连续供氧的条件下发生的。常见的煤矿自燃探测方法有测温法、指标气体法、同位素测氡法、气味检测法、探测法、电阻率探测法等。各种探测法都有自己的优、缺点和适用范围。

感温探测法是以温度的变化作为着火依据。与地面火灾不同，煤矿井下的自燃属于地下受限空间在低供氧条件下的发火。自燃时的热物理现象主要以阴燃为主。阴燃是一种只在气固相界面处的燃烧反应，无明显气相火焰的燃烧现象。其温度较低，燃烧速度慢，一般是自我维持而无明火燃烧［!］。故不易为感温探测器所发现。

*以来的观测表明，当煤炭发生自燃后，可使附近区域的"#减少，增加，并出现$" 及烷类、烯类气体。根据这一特性，井下现多采用在巷道内放置的扩散式气体传感器来进行指标气体的检测，从而发现火灾，但指标气体法不能准确确定高温区域位置和发展变化速度，并且受井下通风压力、风量的影响较大。

煤炭自燃发火气味检测法指标的确定，依赖于矿井检测场所正常生产条件下的本底情况。该本底值不仅包括正常生产条件下的气体、气味本底值，还包括生产状况改变（如采煤机开、停，放煤、落煤、带式输送机的开停、放炮等）引起检测现场本底值的变化情况［#］。气味传感器在井下应用时，要连续监测巷道内的气味变化，必须通过*监测，找出监测环境的背景气味变化规律，才能进行是否发生自燃发火的判断，依据经验值较多且当被测矿井环境发生变化，原先的本底值必然跟着变化，将直接影响到探测的准确性。

如用遥感技术确定煤田大面积火灾，只能对数十甚至数百平方千米的范围进行圈定，主要用于火区普查，无法满足生产矿井的需要；用物探的磁法、电法、地质雷达等进行火源探测，因受大地杂散电流、磁场、山区复杂地形等多因素的干扰，使得多解性的资料解释非常困难，探测准确度很低［%］，对自燃的早期预测预报指导意义不大。

磁探侧法、电阻率探测法、氡探测法主要适用于封闭火区且高温点温度较高时，准确性较好。但煤炭自燃早期一般温度较低，燃烧速度慢，不易被探测。且氡探测法取得探测结果后还必须用软件对探测结果进行判断，影响了火情的及时发现。

因为煤矿井下自燃发火具有酝酿周期长，不易检测等特点，加上现有的火灾识别方法的可靠性和适用范围有限，所以希望有一种更为直观和有效的火灾检测方法。

3 基于图像识别技术的煤炭自燃发火探测

图像是人类视觉的延伸。通过视觉，可立即准确地发现火灾。图像监测快速性的基础是视觉所接受的信息以光为传播媒介；而图像信息的丰富和直观，更为早期火灾的辨识和判断奠定了基础，其他任何火灾探测技术均不能提供如此丰富和直观的信息［!］。此外，图像监测的关键器件，如敏感元件通过光学镜头与外界发生间接接触，该结构保证了图像监测技术在较恶劣（多粉尘、高湿度）的矿井环境中使用。图像型火灾探测技术是适用在煤矿井下环境的数字图像处理技术和模式识别技术，依据火灾火焰的图像特性［&］解决矿井特殊场所火灾探测的难题，实现火灾自动报警。

对于火灾采用图像识别的方法进行探测和预警，国内外学者都有过一定的研究，但这些研究都一般地面火灾的探测。对于煤矿井下火灾图像检测的研究鲜有所闻，至于煤炭自燃火灾图像的识别尚未有人涉足。

对煤矿井下煤炭自燃进行图像识别，zui主要的问题是煤矿井下具有湿度高，粉尘干扰大等环境特点。使得煤炭自燃的发火图像具有介质散射和噪声干扰等因素，导致采集成像后的图像存在降质，所以煤矿井下图像降质因素的分析和降质模型的建立是研究煤炭自燃发火图像识别方法的一个重点问题。也正是煤矿井下的较恶劣环境使得对于处于矿井环境中煤炭自燃的图像识别问题更具研究价值。

图1自燃图像识别流程框图

首先将利用图像采集设备在现场采集的待测煤体的图像交由图像处理集。图像处理集包括了常用的图像处理手段，包括滤波、分割、边缘提取等。控制和识别规则库实现系统识别策略。根据所采集到的原始图像中关于目标图像的粗略信息，选取图像处理集中的一些处理方法，按照一定次序有机组合，并有选择地根据煤炭自燃发火图像知识库中相关部分的知识模型，将处理后的目标图像与知识模型相匹配，根据匹配后结果的置信度确定识别结果。

4 采用信息融合技术的综合判据系统

鉴于发火时单个特征量（如温度、烟雾、气体成份等）发生变化的火灾探测技术在探测多种类型煤矿所发生的自燃火灾时不具备通用性，即可靠性和有效性方面已无法满足多种类型煤矿自燃火灾的探测需要，多元信息融合探测技术应运而生。采用信息融合技术的自燃探测系统不是原有单一参数自燃发火探测器的简单组合，而是实施多元同步探测。根据不同类型的自燃参数应用智能算法对多传感器的火灾参数进行融合，通过模糊专家系统加以判断发生自燃的可能性及程度。该方法克服了单个探测方法的探测局限。

基于信息融合的自燃火灾综合判据系统识别方法就是从多种不同的火灾探测方法角度对待测目标进行探测，通过在不同层次将多个探测设备所测得的信息或数据进行特征提取及融合得到发火可能性的预报结果。

笔者提出采用以图像识别技术为主结合测温法和指标气体法等其他综合手段进行煤矿井下煤炭自燃的发火识别。拟建立起一套以图像识别探测为主采用多判据信息融合技术的综合判据系统。来实现煤炭自燃的探测和识别。系统采用信息层、特征层和决策层! 层融合结构［"］。信息层主要完成待测现场原始数据的采集和处理；特征层提取信息层输出信号的数据特征；决策层则充分利用特征层所提取测量对象的各类特征信息，采取适当的模糊融合推理技术得出zui终的融合结果。

图2 给出了综合判据系统的示意框图。各传感器（如红外热像仪、温度探测器，烟雾传感器，$% 浓度探测器等）输出的数据形式、对探测结果的描述和说明等都各不相同。为了能在数据融合过程中综合处理各种不同来源的信息，首先必须对它们进行预处理，转换成相同的数据形式或描述。由于对不同程度的自燃多传感器系统测得的多个火情信息具有很大的不相关性，因此，系统将预先对一种传感器采集的单一信号进行局部决策。

如果局部决策结果中的每个信号都是平稳变化，就不送特征层，直接交由决策层决策；如果局部决策过程中有某种信号出现非平稳变化，即提请特征层对所有信息进行特征提取，再根据提取的特征得出自燃的zui终判别结果。这样有助于在早期识别自燃发火，又有利于减少特征层的计算处理，减少误报警。特征层利用预先建立的自燃发火专家系统或人工神经网络等工具对处理后的数据进行发火判断特征提取。决策层的主要任务就是根据特征层提取的特征，采取模糊推理等适当的融合方法，给出zui终的判断结果。

图2 采取信息融合技术的自燃发火综合判据系统框图

由于图像信息的丰富和直观，使得基于图像识别的探测方法成为煤炭自燃综合判据系统中主要的判别依据，因此在特征层和决策层进行信息融合时将图像探测结果的影响因子权值提高，达到突出该判别依据的目的［&］。当该系统在不同地质赋存条件的矿井中使用时，可根据煤矿地质赋存条件提高相应探测方法的权值，即某种方法探测结果的权值在其适用条件下可适当增加，达到zui大限度利用有效判据的目的。

5  结论

笔者提出的基于图像识别技术的煤炭自燃发火的综合判据系统法是一种新型的火灾探测方法。它将图像识别为主的多种探测方法进行信息融合后进行综合判别，提高煤炭自燃预测的准确性，达到探测煤炭自燃发火的目的。该法不仅有其实用价值，而且具有很多优点：

1）图像信息的丰富和直观对于煤炭自燃发火的探测具有传统测温法、指标气体法等所不能具备的直观快速性和有效性。

2）在同一探测现场使用多种探测方法取得探测数据，作为综合判据系统的输入，使用模糊专家系统来进行发火的判别。无论同以往的单个自燃火灾探测方法相比，还是和常规的图像探测方法相比，都能实现更高的可靠性。

3）该套系统中重点要解决两个问题

一个是对矿井特殊环境中自燃发火图像的识别；

另一个则是在利用多元信息融合进行综合判别时对各探测方法测得的数据进行有效融合的问题。关键在于如何用各种探测信号统计知识决定其权值和

判别门限以及模糊融合推理系统的建立。

4）笔者将以上两个问题作为下一步研究的重点，力争为煤矿自燃火灾的探测提供一个直观、高效的手段。