張錦旺，何 庚，王家臣

(1.中國礦業(yè)大學(xué) (北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.放頂煤開采煤炭行業(yè)工程研究中心，北京 100083)

高準(zhǔn)確率的煤矸自動(dòng)識(shí)別對綜放開采智能放煤至關(guān)重要。綜放開采的放煤過程可分為純煤放出、煤矸混合放出、純矸放出3個(gè)階段?，F(xiàn)場實(shí)際放煤中可通過放出部分矸石來換取更高的頂煤回收率，因此綜放開采煤矸識(shí)別主要在煤矸混合放出階段進(jìn)行。該階段矸石的放出量會(huì)逐步增加，故綜放開采放煤過程中煤矸識(shí)別的對象是動(dòng)態(tài)變化的，大大增加了識(shí)別的復(fù)雜性和難度，也是其與綜采工作面煤巖界面識(shí)別的最大區(qū)別。因此需要深入研究煤矸混合度變化對識(shí)別準(zhǔn)確率的影響，探索適用于綜采放頂煤場景的高準(zhǔn)確率煤矸識(shí)別技術(shù)。

國內(nèi)外學(xué)者針對綜放開采中煤矸混合度識(shí)別進(jìn)行了一系列的研究。王增才等提出了利用煤與矸石中的自然γ射線差異來檢測放頂煤過程中煤、矸混合度的方法，并推導(dǎo)了煤矸混合體中的矸石含量與檢測儀器自然γ射線計(jì)數(shù)率的數(shù)學(xué)關(guān)系。張寧波等提出了采用雙能γ射線技術(shù)對煤矸混合體中的矸石含量進(jìn)行測定的方法，并建立了煤矸混合體灰分與含矸量間的量化關(guān)系。王家臣等研究了不同照度下煤矸圖像灰度及紋理特征，采用面積模型計(jì)算獲得了混矸率，并分析了照度因素對煤矸識(shí)別正確率的影響。張錦旺等提出了液體介入提升煤矸識(shí)別效率的思路，并通過實(shí)驗(yàn)研究了不同液體種類、液體溫度、紅外儀發(fā)射率等因素對識(shí)別效果的影響。以上研究大都基于固定的混煤矸混合度，但實(shí)際放煤過程中變化的煤矸混合度會(huì)對識(shí)別準(zhǔn)確率產(chǎn)生重要影響。

紅外探測技術(shù)在穿過煤塵和水霧時(shí)衰減較小，能很好適應(yīng)粉塵大、能見度低的煤礦井下環(huán)境。筆者基于“液體介入+紅外檢測”的煤矸識(shí)別新思路，針對難辨別煤矸種類進(jìn)行了不同混合度條件下液體介入煤矸混合試樣后不同時(shí)刻的紅外圖像采集，借助ImageJ圖像處理軟件定量計(jì)算了煤矸圖像的混合度，深入分析了煤矸混合度、介入時(shí)間、圖像處理方法對識(shí)別準(zhǔn)確率的影響，并從紅外溫變速率場的角度探討了提高液體介入煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率的技術(shù)路徑，研究結(jié)果對提高液體介入難辨別煤矸紅外圖像識(shí)別準(zhǔn)確率、完善“液體介入+紅外檢測”煤矸識(shí)別方法具有重要意義。

1 “液體介入+紅外檢測”識(shí)別思路

圖像識(shí)別是目前智能放煤領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)手段，其主要是基于灰度原理，圖1(a)為韓城礦區(qū)煤矸(瘦煤和頁巖)的灰度均值，圖1(b)為焦作礦區(qū)煤矸(無煙煤和砂質(zhì)泥巖)的灰度均值。

由圖1可以看出不同區(qū)域的煤矸巖性差異會(huì)引起煤矸石灰度差異的變化。對于大部分煤層條件，其煤、矸石的灰度差異較大，采用可見光圖像進(jìn)行煤矸識(shí)別效果很好；但對于少部分灰度差異較小的難辨別煤矸種類，可采用“液體介入+紅外檢測”的方法以提高煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率，如圖2所示。

圖1 不同礦區(qū)煤矸灰度均值分布曲線Fig.1 Distribution curves of coal/gangue average gray value

圖2 “液體介入+紅外檢測”煤矸識(shí)別及混合度計(jì)算示意Fig.2 Schematic diagram of “l(fā)iquid intervention + infrared detection” coal/gangue recognition and mixture calculation

采用液體介入方法進(jìn)行煤矸識(shí)別的核心思想是難辨別煤矸雖然表面顏色相近，但其微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分并不相同，通過在煤矸混合體表面噴灑特定液體，使其與煤、矸石發(fā)生不同程度的反應(yīng)，主動(dòng)增大煤、矸間的溫度差，從而顯著提高紅外圖像煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率。以清水為例，液體介入后煤和矸石的溫度，及煤與矸石間的溫差數(shù)據(jù)變化如圖3所示，圖3中溫變是指液體介入后某一時(shí)刻煤/矸試樣的溫度與介入前溫度的差值，溫變?yōu)樨?fù)意味著出現(xiàn)了溫降現(xiàn)象；溫差是指某一時(shí)刻矸石溫度與煤溫度的差值，溫差為正意味著矸石溫度高于煤的溫度。

由圖3可知，液體介入后煤和矸石均會(huì)出現(xiàn)明顯的溫降現(xiàn)象。筆者前期研究表明溫降現(xiàn)象主要是由液體揮發(fā)作用引起的；而由于煤相較矸石具有更好的疏水性，液體介入后，煤樣表面會(huì)存在水滴的匯聚現(xiàn)象，水珠的滯留導(dǎo)致?lián)]發(fā)帶走的熱量更多，因此煤樣表面溫度低于矸石，最終出現(xiàn)液體介入后煤、矸間溫差增大的現(xiàn)象。

圖3 液體介入后煤/矸溫變及煤-矸溫差隨時(shí)間變化曲線[13]Fig.3 Temperature vibration of coal/gangue and temperature difference between coal and gangue after liquid intervention [13]

2 不同混合度液體介入煤矸識(shí)別試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為了獲取不同混合度、不同介入時(shí)間煤矸混合體在液體介入下條件下的紅外圖像，搭建了“不同混合度液體介入煤矸識(shí)別試驗(yàn)系統(tǒng)”，如圖4所示。

圖4 液體介入下不同混合度的煤矸識(shí)別試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Coal/gangue recognition test system with different mixing degree under liquid intervention

試驗(yàn)系統(tǒng)中紅外熱像儀型號(hào)為UTi260B，該紅外儀具有紅外光和可見光2種鏡頭，可實(shí)現(xiàn)物體表面溫度測量和實(shí)時(shí)熱圖像相結(jié)合監(jiān)測，其紅外光譜帶寬8～14 μm，測溫范圍為-15～550 ℃，熱靈敏度0.05 K，視場角56.0°×42.2°。實(shí)驗(yàn)過程中在PC終端通過UTi-Live Screen軟件對紅外圖像變化進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。此外，所有試驗(yàn)組均在密閉且較恒溫環(huán)境下進(jìn)行，可減少周圍空氣流動(dòng)對試驗(yàn)過程的影響。

2.2 試驗(yàn)材料

2.2.1 煤矸試樣材料

試驗(yàn)所采用的煤矸試樣為焦作礦區(qū)的煤(無煙煤)與直接頂矸石(砂質(zhì)泥巖)，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)所用煤矸材料Fig.5 Coal and gangue samples used in the test

由圖5可知，由于煤與矸石樣品的顏色較為接近，其可見光圖像差別不大，很難通過肉眼將2者進(jìn)行有效區(qū)分，屬于典型的難辨別煤矸。

2.2.2 介入液體選取

根據(jù)前期的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在酸液、堿液、清水3種代表性液體中，清水介入后的煤矸識(shí)別的效果最為顯著，同時(shí)考慮酸、堿等液體在現(xiàn)場應(yīng)用的環(huán)境影響及安全性，選取清水作為介入液體來開展相關(guān)的研究，故下文中液體均指清水。液體介入前后煤矸紅外圖像如圖6所示。可以看出無液體介入時(shí)，從煤矸混合體的紅外圖像中無法區(qū)分出煤、矸樣品，如圖6(a)所示；液體介入后煤、矸石所在區(qū)域在紅外圖像上能形成顯著差異，如圖6(b)所示，這種差異為基于紅外圖像的煤矸混合度定量計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

圖6 液體介入前后煤矸混合體紅外圖像差異Fig.6 Comparison of infrared images of coal gangue mixture before and after liquid intervention

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于綜放開采中矸石的混入是逐步增加的，為了研究不同的混合度對液體介入煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率的影響，本次試驗(yàn)進(jìn)行了9組不同煤矸混合度條件下的煤矸識(shí)別試驗(yàn)，不同方案的試樣布置方式，如圖7所示。

圖7 不同混合度的煤矸試樣布置 (藍(lán)色代表煤樣，紅色代表矸石樣)Fig.7 Layout of coal and gangue samples with different mixing degrees (blue ones are coal and red ones are gangue)

圖7中各方案煤、矸試樣面積數(shù)據(jù)值以及對應(yīng)的煤矸混合度見表1。由于每組試驗(yàn)所選用煤矸試樣塊度大小不一，故表1中方案1～9的煤矸總面積并不完全相同，但矸石占比是逐漸增加的。煤矸混合物中的煤矸比例即為煤矸混合度，為了便于計(jì)算，采用混矸率(Gangue Mixed Ratio，)來定量表征煤矸混合度，其具體含義為

(1)

式中，為煤矸混合圖像中的混矸率(為實(shí)測結(jié)果，為識(shí)別結(jié)果)，%；為圖像范圍內(nèi)的矸石面積，cm；為煤樣面積，cm。

表1 不同煤矸混合度試驗(yàn)方案

2.4 液體介入方式

考慮到放煤時(shí)的噴霧降塵是必需的工序，“液體介入+紅外檢測”技術(shù)可采用放頂煤工作面已有的降塵噴霧系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)液體介入。因此為了模擬降塵噴霧的介入效果，試驗(yàn)時(shí)9組方案采用量筒量取相同體積的液體、通過噴瓶將其以噴霧形式噴灑在煤矸表面的方式來進(jìn)行液體介入，介入液體的溫度為25.9 ℃。在介入前后的不同時(shí)刻均采用紅外熱像儀來采集煤矸試樣的紅外圖像變化。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同混合度煤矸紅外圖像特征

試驗(yàn)結(jié)束后，分別對9組試驗(yàn)進(jìn)行液體介入前和液體介入后不同時(shí)刻的紅外圖像進(jìn)行提取(提取時(shí)間段為0<<20 s，間隔1 s)，以方案1，3，6，9為例，其紅外圖像隨時(shí)間變化如圖8所示。由圖8可知：

(1)不同的煤矸混合度，液體介入后紅外圖像中矸石樣品所在區(qū)域與周圍環(huán)境色彩接近，無法有效區(qū)分；而煤樣所在區(qū)域則發(fā)生了明顯的溫降現(xiàn)象，其紅外色彩與矸石及周邊環(huán)境產(chǎn)生了明顯且穩(wěn)定的差異，因此可以將煤矸紅外圖像中的煤樣作為識(shí)別對象，通過圖像處理軟件對其面積進(jìn)行分割和計(jì)算，從而作為煤矸自動(dòng)識(shí)別與混合度計(jì)算的基礎(chǔ)。

圖8 不同混合度條件下液體介入煤矸紅外圖像Fig.8 Variation of thermal image of different coal/gangue mixing degrees after liquid intervention

(2)當(dāng)混矸率較低時(shí)，煤樣溫度在煤矸混合體的紅外圖像變化中起控制作用，液體介入后煤矸混合體整體溫降明顯，如圖8(a)，(b)所示；隨著放煤的繼續(xù)進(jìn)行，混矸率會(huì)逐步增大，紅外圖像中直接識(shí)別對象(煤樣)的面積占比逐漸減少，因此識(shí)別的準(zhǔn)確率可能會(huì)有一定程度的降低。

(3)液體介入后，隨著時(shí)間的推移，紅外圖像中煤樣與環(huán)境間的差異有一定程度減弱，意味著液體介入引起的煤、矸間溫差逐漸減小，特別是在混矸率比較高的情況下，這種減弱特征尤為顯著，如圖8(c)，(d)所示。

3.2 不同混合度煤矸自動(dòng)識(shí)別

3.2.1 基于ImageJ的煤矸混合度自動(dòng)識(shí)別

ImageJ軟件是醫(yī)學(xué)中常用的圖像處理軟件，是一種基于Java語言開發(fā)并能夠運(yùn)行于多平臺(tái)的開放數(shù)據(jù)源軟件。該軟件具有強(qiáng)大的智能計(jì)算功能，可提取指定區(qū)域的面積(規(guī)則及不規(guī)則面積)、標(biāo)準(zhǔn)偏差、灰度值、質(zhì)心、直徑、峰度、中值、偏斜等。該軟件占用空間小，但圖像處理快捷簡便，處理方法多元，如銳化濾波、邊緣探測、二值化、明場圖像分割以及快速傅里葉變換等，且支持多種格式圖像。目前該軟件在醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)等領(lǐng)域的圖像處理與分析方面有廣泛的應(yīng)用，但在綜放煤矸圖像識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)用較少，因此，將ImageJ軟件引入采礦領(lǐng)域進(jìn)行煤矸圖像的處理及煤矸混合度定量計(jì)算，是一種有意義的嘗試。

對試驗(yàn)中采集到的煤矸混合體紅外圖像，在ImageJ圖像處理軟件中選擇灰度圖像轉(zhuǎn)換、邊緣探測、二值化、去除背景、形態(tài)學(xué)運(yùn)算等不同功能，以獲取紅外圖像中的煤樣面積，從而實(shí)現(xiàn)對煤矸混合度的自動(dòng)計(jì)算，具體計(jì)算流程如圖9所示。

圖9 基于ImageJ的煤矸混合度自動(dòng)識(shí)別流程示意Fig.9 Automatic recognition process of coal/gangue mixing degrees based on ImageJ software

采用ImageJ軟件進(jìn)行煤、矸石識(shí)別的過程中，在對紅外圖像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換之后，可以直接進(jìn)行二值化處理，也可以通過增加邊緣探測、去除背景等處理步驟，來增強(qiáng)處理效果。以二值化處理法為例，通過3個(gè)步驟可以獲得紅外圖像中所有煤樣顆粒的面積：① 灰度圖像轉(zhuǎn)換。通過軟件命令：Image→Type→8 bit，將圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D；② 二值化處理。打開Process→Binary→Make Binary，將灰度圖像二值化；③ 形態(tài)學(xué)運(yùn)算給出煤樣面積結(jié)果。打開Analyze→Analyze Particles(Show:Outline)，點(diǎn)擊OK得到形態(tài)學(xué)運(yùn)算結(jié)果，獲得的圖像及數(shù)據(jù)結(jié)果如圖10及表2所示。圖中3種方法的原始紅外圖像相同。

由圖10可知，不同路徑的最終分割結(jié)果差異較大，對紅外像進(jìn)行灰度處理后，直接二值化及形態(tài)學(xué)運(yùn)算，雖然對圖像邊界處煤、矸的分割出現(xiàn)一定的黏連，如圖10(a)所示，但識(shí)別出的煤顆粒數(shù)量較少，有利于識(shí)別效率的提高，見表2；在二值化之前通過

圖10 3種不同方法的處理流程Fig.10 Process flow of three different methods

表2 不同方法處理煤顆粒面積識(shí)別結(jié)果

增加去除背景處理，有利于削弱背景環(huán)境及矸石區(qū)域的影響，但也減弱煤中部分對比度較弱的區(qū)域，導(dǎo)致在后期形態(tài)學(xué)運(yùn)算時(shí)會(huì)導(dǎo)致煤樣區(qū)域的面積出現(xiàn)一定的空洞和缺失現(xiàn)象，如圖10(b)所示；在二值化之前增加邊緣探測處理步驟，可增加對試樣邊緣的識(shí)別與提取，但可能會(huì)導(dǎo)致有相當(dāng)部分矸石區(qū)域在形態(tài)學(xué)運(yùn)算時(shí)被誤判為煤，如圖10(c)所示，還會(huì)增加計(jì)算時(shí)間、降低識(shí)別效率；因此3種處理方法各有利弊，接下來將從煤矸混合度識(shí)別結(jié)果及準(zhǔn)確率的角度，對不同方法進(jìn)行定量比較和深入分析。

3.2.2 混矸率識(shí)別結(jié)果

為了定量分析不同處理路徑對煤矸混合度識(shí)別結(jié)果的差異，采用以上3種方法對9個(gè)方案的紅外圖像進(jìn)行處理，計(jì)算得到不同時(shí)刻(0<<20 s)混矸率值，如圖11所示?；祉仿什捎檬?1)計(jì)算方法。由圖11可以看出：

(1)隨著矸石混入量的增大，當(dāng)煤矸混合度小于50%時(shí)，3種方法的逐漸向?qū)崪y值靠近，如圖11(a)～(f)所示；但當(dāng)混矸率為大于50%時(shí)，3種方法值波動(dòng)較大，尤其是邊緣探測+二值化法，如圖11(g)～ (i)所示。

(2)在放煤初始混矸階段(方案1～3)，二值化法的自動(dòng)識(shí)別結(jié)果在不同時(shí)刻均比邊緣探測及去除背景更接近實(shí)測結(jié)果；隨著混矸率繼續(xù)增大，邊緣探測及去除背景的自動(dòng)識(shí)別值會(huì)接近混矸率實(shí)測值，但相比之下，采用二值化法獲得的混矸率自動(dòng)識(shí)別結(jié)果隨著介入時(shí)間的增加更為穩(wěn)定。

(3)在煤矸混合放出階段的后期(方案7～9)，矸石大量混入，煤矸混合體中煤占比減小，導(dǎo)致與差異較大，這是由于煤矸紅外圖像識(shí)別主要利用液體介入后引起煤的快速溫降來提取紅外圖像中的煤體面積，因此煤樣減小意味著可檢測對象減少，從而導(dǎo)致自動(dòng)識(shí)別出的誤差相對較大。

為了更系統(tǒng)地表達(dá)3種方法與的差異，分別繪制了不同煤矸混合度下的波動(dòng)范圍圖，并與進(jìn)行對比，如圖12所示。

由圖12(a)可知，采用單純二值化法時(shí)，隨著混矸率的增大，其各個(gè)階段與的趨勢大致相似，特別當(dāng)20.27%<<65.41%時(shí)與基本重合且波動(dòng)范圍較小，尤其當(dāng)混矸率為54.81%時(shí)，在監(jiān)測階段任一時(shí)刻的與幾乎完全重合。而在混矸初期、煤矸混合階段后期，與會(huì)產(chǎn)生一定差異；而當(dāng)采用去除背景+二值化法時(shí)，在煤矸混合初期及中期，其識(shí)別結(jié)果與實(shí)測結(jié)果差異較大，僅在煤矸混合放出階段的后期(54.81%<<73.47%)時(shí)，與兩者出現(xiàn)局部重合，如圖12(b)所示；采用邊緣探測+二值化法時(shí)，隨著混矸率的增大，與呈負(fù)相關(guān)，如圖12(c)所示，且相較單純二值化法和去除背景+二值化法，其自動(dòng)識(shí)別的混矸率數(shù)值的波動(dòng)范圍較大。

3.2.3 識(shí)別準(zhǔn)確率

將混合度識(shí)別結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較分析，計(jì)算不同煤矸混合度條件下3種處理方法的識(shí)別準(zhǔn)確率。準(zhǔn)確率的算法有很多，不同算法代表的含義不同。本研究中采用分類準(zhǔn)確率算法，該算法將實(shí)例分成正類(Positive)或負(fù)類(Negative)。對一個(gè)二分問題來說，會(huì)出現(xiàn)4種情況：如果一個(gè)實(shí)例是正類并且也被預(yù)測成正類，即為真正類(True Positive,)，如果實(shí)例是負(fù)類被預(yù)測成正類，稱之為假正類(False Positive,)。類似地，如果實(shí)例是負(fù)類被預(yù)測成負(fù)類，稱之為真負(fù)類(True Negative,)，正類被預(yù)測成負(fù)類則為假負(fù)類(False Negative,)，見表3，其中1代表正類(本研究中為煤)，0代表負(fù)類(本研究中為矸石)。

圖11 不同煤矸混合度條件下混矸率的識(shí)別結(jié)果Fig.11 GMR_R values under different coal/gangue mixing degree conditions

圖12 不同方法混矸率的識(shí)別結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較Fig.12 Comparison of GMR_R and GMR_M values with different methods

表3 識(shí)別結(jié)果與實(shí)測結(jié)果關(guān)系

分類準(zhǔn)確率算法中，準(zhǔn)確率(Accuracy，)定義為正確分類的樣本數(shù)與總樣本數(shù)之比，其計(jì)算公式為

(2)

由式(2)可以看出，分類準(zhǔn)確率算法與常規(guī)準(zhǔn)確率算法的區(qū)在于，不管屬于哪個(gè)類別，只要識(shí)別正確，其樣本數(shù)都計(jì)入正確分類的樣本數(shù)。根據(jù)式(2)計(jì)算3種方法煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率(Recognition Accuracy，)，并繪制準(zhǔn)確率隨煤矸混合度及介入時(shí)間的關(guān)系云圖，如圖13所示。

圖13 煤矸混合度與介入時(shí)間對識(shí)別準(zhǔn)確率的影響Fig.13 Influence of coal gangue mixing degree and intervention time on AR

由圖13可知，不同的圖像處理方法會(huì)顯著影響煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率的高低，采用單純二值化法時(shí)，識(shí)別準(zhǔn)確率隨混矸率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，如圖13(a)所示，且高準(zhǔn)確率區(qū)間的位置存在一定的介入時(shí)間效應(yīng)：當(dāng)混矸率小于20%，煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率隨著混矸率增大而增大，液體介入后10 s內(nèi)的平均準(zhǔn)確率約85.78%；當(dāng)混矸率在20%～60%時(shí)，識(shí)別準(zhǔn)確率較高且較為穩(wěn)定，平均準(zhǔn)確率約94.38%，且液體介入時(shí)間長短對其影響很?。欢?dāng)混矸率大于60%時(shí)，液體介入后需要較長的時(shí)間才能達(dá)到較高的識(shí)別準(zhǔn)確率，因此圖13(a)中高準(zhǔn)確率區(qū)域呈現(xiàn)“傾斜條帶狀”分布特征，傾角約為78°。

采用去除背景+二值化法，混矸率較低時(shí)(0%～20%)識(shí)別準(zhǔn)確率整體偏低，如圖13(b)所示，高準(zhǔn)確率區(qū)域出現(xiàn)在混矸率50%～70%內(nèi)，其平均識(shí)別準(zhǔn)確率為90.53%，且高準(zhǔn)確率區(qū)域的分布仍呈現(xiàn)“傾斜條帶狀”特征，傾角約為85°，說明該方法較單純二值化法受介入時(shí)間效應(yīng)有所減弱。故采用該方法時(shí)，高準(zhǔn)確率區(qū)域主要集中在煤矸混合階段的后期且較為穩(wěn)定。

與單純二值化法及去除背景+二值化法相比，邊緣探測+二值化法識(shí)別準(zhǔn)確率整體較低，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中識(shí)別準(zhǔn)確率在19.48%～99.64%內(nèi)波動(dòng)，低準(zhǔn)確率區(qū)域主要出現(xiàn)在混矸率大于75%的階段；而高準(zhǔn)確率區(qū)域出現(xiàn)在混矸率30%～55%內(nèi)，如圖13(c)所示，其平均準(zhǔn)確率為90.84%。該種方法的高準(zhǔn)確率區(qū)域呈現(xiàn)“近直立條帶狀”分布特征，雖然整個(gè)區(qū)域?qū)挾仁照厔?，但其近直立的特征有利于高?zhǔn)確率在不同介入時(shí)間下的穩(wěn)定性。

綜上，3種不同的圖像處理方法獲得的高準(zhǔn)確率識(shí)別區(qū)域特征不同，考慮到現(xiàn)場放煤過程中煤矸識(shí)別的時(shí)效性，計(jì)算液體介入后10 s內(nèi)識(shí)別準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)的均值及標(biāo)準(zhǔn)差，定量分析3種處理方法下混合度對識(shí)別準(zhǔn)確率的影響，如圖14所示。

由圖14可以看出，在煤矸混合放出階段的初期及中期(<60%)，不同處理方法在液體介入前10 s內(nèi)的平均識(shí)別準(zhǔn)確率均隨混矸率的增大先增大后穩(wěn)定，其中單純二值化法在不同混矸率條件下的準(zhǔn)確率均值均相對較高，而離散性相對較低；當(dāng)混矸率大于60%后，識(shí)別準(zhǔn)確率均值呈下降趨勢，同時(shí)離散性急劇增加，但考慮到現(xiàn)場綜放煤矸識(shí)別往往是在煤矸混合放出階段的初期及中期，因此識(shí)別準(zhǔn)確率在后期的降低對實(shí)際應(yīng)用的影響不大。

3.3 煤矸混合體紅外溫變場

通過液體介入方法實(shí)現(xiàn)煤矸紅外圖像識(shí)別的主要原理，是液體介入后煤、矸間溫差增大，導(dǎo)致煤矸混合體的紅外溫度場發(fā)生顯著變化。紅外溫度場(Infrared Temperature Field,)是指某一時(shí)刻紅外溫度(Infrared Temperature,)的空間分布，理論上，為紅外溫度()關(guān)于時(shí)間和空間的連續(xù)函數(shù)。

圖14 識(shí)別準(zhǔn)確率均值及標(biāo)準(zhǔn)差σ(0

文獻(xiàn)[21]將某時(shí)刻紅外溫度變化速率的空間分布定義為紅外溫變場(Infrared Temperature Variation Field,)，紅外溫度變化速率是紅外溫度對時(shí)間求導(dǎo)的結(jié)果，即：

(3)

式中，為紅外溫度的變化速率；(，，，)為空間某一點(diǎn)某一時(shí)刻的紅外溫度；為時(shí)間。

由于紅外溫變場的解析式難以從理論上推導(dǎo)出，而是通過提取被測物體表面若干采樣點(diǎn)的某些時(shí)刻的紅外溫度，構(gòu)成離散的紅外溫度矩陣；再由紅外溫度矩陣的時(shí)間序列求差分得到紅外溫度差分矩陣序列，來近似地定量描述這些時(shí)刻的紅外溫變場。紅外溫差矩陣中的各元素分別代表對應(yīng)采樣點(diǎn)的紅外溫變速率，計(jì)算公式為

(4)

式中，TVR_為時(shí)刻采樣點(diǎn)(，)的紅外溫變速率；(，，+Δ)，(，，)分別為+Δ，(0<Δ≤1 s)時(shí)刻采樣點(diǎn)(，)的紅外溫度。

根據(jù)紅外溫變速率的概念，可以將紅外溫變劃分為溫升、溫降兩類。由于煤、矸親疏水性的差異，液體介入后煤樣會(huì)出現(xiàn)快速的溫降現(xiàn)象，而矸石試樣溫降速率相對較慢，因此紅外圖像中低溫區(qū)域一般為煤樣所在區(qū)域，而圖像中的相對高溫區(qū)域一般為矸石及周圍環(huán)境，故煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率與液體介入后煤矸表面紅外溫度場變化幅度密切相關(guān)。為了定量分析煤矸混合體表面紅外溫度場的變化，對液體介入后紅外溫度、溫差Δ的變化范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。紅外溫差Δ定義為某一時(shí)刻紅外圖像范圍內(nèi)最高溫與最低溫間的差值，可由下式求出：

Δ=-

(5)

式中，Δ為某一時(shí)刻紅外溫度場中的最大溫差，℃；為該時(shí)刻紅外溫度場中的最高溫，℃；為該時(shí)刻紅外溫度場中的最低溫，℃。

根據(jù)上式，繪制紅外溫度、溫差Δ與煤矸混合度之間關(guān)系，如圖15所示。

圖15 紅外溫度場變化與煤矸混合度的關(guān)系Fig.15 Relation between ITVF and GMR

由圖15可知，隨著混矸率的增大，紅外圖像中溫度變化范圍逐漸收窄(圖15(a))，溫差變化呈現(xiàn)較為平緩的下降趨勢(圖15(b))，故液體介入引起的溫度場變化在混矸率較低時(shí)較為明顯，這有利于在煤矸混合放出階段的初期達(dá)到較高的識(shí)別準(zhǔn)確率。

液體介入煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率一方面與不同的圖像處理方法有關(guān)，另一方面也與液體介入后煤矸間溫差大小及煤矸混合體溫度場的變化程度密切相關(guān)。圖16為平均識(shí)別準(zhǔn)確率、煤矸圖像平均紅外溫差與混矸率之間的關(guān)系。

圖16 平均溫差和平均準(zhǔn)確率與混矸率之間的關(guān)系Fig.16 Relation between average temperature difference,average accuracy and GMR

4 結(jié) 論

(1)對于灰度差異較小的難辨別煤矸種類，可采用“液體介入+紅外檢測”的方法提高煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率。不同的煤矸混合度下，液體介入后紅外圖像中煤樣所在區(qū)域均出現(xiàn)顯著溫降現(xiàn)象，可作為煤矸混合度自動(dòng)識(shí)別的基礎(chǔ)。

(2)混矸率較低時(shí)，煤樣溫度在煤矸混合體的紅外圖像特征變化中起控制作用；當(dāng)混矸率小于20%時(shí)，煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率隨混矸率增大而增大，液體介入后10 s內(nèi)平均識(shí)別準(zhǔn)確率約85.78%；當(dāng)混矸率在20%～60%時(shí)，識(shí)別準(zhǔn)確率較高且較為穩(wěn)定，平均準(zhǔn)確率約為94.38%，且液體介入時(shí)間長短對其影響很小。

(3)混矸率大于60%后，不同處理方法的識(shí)別準(zhǔn)確率均值隨混矸率增大呈下降趨勢，同時(shí)離散性急劇增加；煤矸圖像平均紅外溫差的減小是煤矸混合放出后期識(shí)別準(zhǔn)確率降低的根本原因，可通過選取合理的液體介入?yún)?shù)以增大紅外溫度場的變化程度，從而提高識(shí)別準(zhǔn)確率。