本發(fā)明涉及一種煤與瓦斯突出的檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法，具體涉及一種基于高速攝像機(jī)采集信息的煤與瓦斯突出裝置和方法。屬于預(yù)測(cè)煤與瓦斯的突出危險(xiǎn)性領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，煤與瓦斯突出是造成礦井災(zāi)害的主要因素之一，煤與瓦斯突出機(jī)理是我國(guó)高瓦斯礦井安全生產(chǎn)亟待突破的科學(xué)問(wèn)題，是國(guó)家能源安全的重要戰(zhàn)略需求和突破方向。因此研究煤與瓦斯突出機(jī)理（煤與瓦斯的運(yùn)移）能夠從根本上了解其原因而從更深刻的角度解決問(wèn)題。

瓦斯是由煤化作用形成的賦存于煤層中以甲烷為主的混合氣體，煤與瓦斯突出是指煤礦生產(chǎn)過(guò)程中從煤層、巖層及采空區(qū)放出的各種有害氣體在工作面上富集并涌出從而引發(fā)瓦斯爆炸的煤礦災(zāi)害。

煤與瓦斯突出發(fā)生的機(jī)理與形式是復(fù)雜的，隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，以及開(kāi)采條件日益復(fù)雜化，煤與瓦斯突出的發(fā)生也更加難預(yù)測(cè)，現(xiàn)行大都是對(duì)煤與瓦斯突出的檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的研究，但是其預(yù)測(cè)結(jié)果并不能完全代表整個(gè)預(yù)測(cè)范圍內(nèi)煤的突出危險(xiǎn)性，含煤瓦斯體在生產(chǎn)過(guò)程中是不穩(wěn)定的，在預(yù)測(cè)時(shí)取得的結(jié)果只是靜態(tài)的，并不能完全代表煤體穩(wěn)定前整個(gè)時(shí)期的突出危險(xiǎn)性。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤與瓦斯突出的機(jī)理研究已取得一些成果，但是絕大部分成果是現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)資料及實(shí)驗(yàn)室研究提出的假說(shuō)。。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可記錄、分析煤與瓦斯突出發(fā)展過(guò)程中的運(yùn)移情況、影響規(guī)律及影響機(jī)制的煤與瓦斯突出的檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法，利用高速成像對(duì)煤與瓦斯突出發(fā)展過(guò)程進(jìn)行定性、定量的描述。

本發(fā)明提供了一種煤與瓦斯突出的檢測(cè)裝置，包括高速攝像機(jī)、信息采集裝置以及試樣罐；

所述試樣罐置于恒溫水浴中，所述試樣罐可用于裝載具有瓦斯吸附性的煤樣或不具有瓦斯吸附性的巖樣樣品，試樣罐分別連接溫度控制裝置、壓力控制閥和高精度壓力表，所述溫度控制裝置由溫度控制器和控制開(kāi)關(guān)組成；試樣罐上還裝有管路控制閥門(mén)；

試樣罐的一端固定連接圓錐形筒，圓錐形筒上帶有刻度，高速攝像機(jī)設(shè)置在圓錐形筒的開(kāi)口處正對(duì)面，高速攝像機(jī)與信息采集裝置連接，通過(guò)高速攝像機(jī)成像運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，即可計(jì)算出瓦斯各時(shí)刻突出的體積及突出的狀態(tài)；所述帶有刻度的圓錐形筒管內(nèi)部設(shè)有應(yīng)變片瞬時(shí)測(cè)力器；應(yīng)變片瞬時(shí)測(cè)力器能測(cè)定出煤碰撞應(yīng)變片瞬間的力值，結(jié)合高速攝像機(jī)采集的碰撞角度分析計(jì)算噴出瞬間的力值。

所述的帶有刻度的圓錐形筒，與試樣罐連接，筒管的一端較細(xì)，而另外一端直徑較大的，充分地還原了在真實(shí)的煤巖開(kāi)采過(guò)程中遇到的煤與瓦斯突出與釋放的過(guò)程，減少了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)真實(shí)性、有效性的其他影響因素。

上述裝置中，所述裝巖樣樣品試樣罐中的巖樣具有與裝煤試樣罐中的煤樣樣品相同的密度、粒徑大小，但無(wú)吸附性，以巖樣樣品作對(duì)比進(jìn)行煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)，排除其他因素的干擾，使實(shí)驗(yàn)的結(jié)論更有說(shuō)服力。

上述裝置中，所述的高精度壓力表，采用精確度為小數(shù)點(diǎn)后三位的數(shù)字壓力表，盡可能減少誤差的影響，以便準(zhǔn)確記錄試樣罐中的壓力。

上述裝置中，所述的壓力控制閥，能對(duì)閥門(mén)進(jìn)行壓力設(shè)置，使其達(dá)到壓力的預(yù)定設(shè)置值時(shí)，控制閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，使煤樣中的瓦斯從其薄弱點(diǎn)突出。

上述裝置中，所述的圓錐形筒由透明的有機(jī)材料制成，便于高速攝像機(jī)對(duì)煤與瓦斯突出瞬態(tài)的圖像信息的采集。

上述裝置中，所述的應(yīng)變片瞬時(shí)測(cè)力器均勻設(shè)置在圓錐形筒中，且與圓錐形筒的軸線方向垂直設(shè)置。

本發(fā)明提供了一種煤與瓦斯突出的檢測(cè)方法，采用上述煤與瓦斯突出的檢測(cè)裝置，其特征在于包括以下步驟：

步驟1、煤樣的選取與破碎：采集現(xiàn)場(chǎng)煤層的煤樣嚴(yán)密封裝，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行破碎，用標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)破碎后的煤樣進(jìn)行篩分，使煤樣的粒徑在0.2-0.25mm之間；

步驟2、通過(guò)熒光染料對(duì)破碎的煤進(jìn)行染色，得到熒光煤，使高速攝像機(jī)能更加清晰的采集圖像信息，采集的信息更加準(zhǔn)確，辨識(shí)度更高；

步驟3、將煤樣裝入空試樣罐中，經(jīng)煤樣死空間測(cè)定裝置進(jìn)行測(cè)定，得到裝煤試樣罐死空間v煤死；

步驟4、在圓錐形筒中安裝瞬時(shí)測(cè)力器，檢查系統(tǒng)確保連接的可靠，將恒溫水浴調(diào)整到預(yù)定值30℃；

步驟5、高速攝像機(jī)的安裝與調(diào)試：按照設(shè)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)場(chǎng)景放置目標(biāo)物，同時(shí)根據(jù)光線強(qiáng)弱對(duì)圖像采集的攝像機(jī)進(jìn)行曝光和增益的調(diào)整，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)；

步驟6、打開(kāi)第一管路控制閥門(mén)與氣體減壓閥進(jìn)行充氣，充氣完畢后，將通過(guò)第一管路控制閥門(mén)向裝煤試樣罐以1ml/min的速率充入ch4高壓氣源，使裝煤試樣罐中的煤粉處于吸附平衡狀態(tài)，當(dāng)試樣罐中瓦斯壓力達(dá)到一定值時(shí)，自動(dòng)控制壓力閥門(mén)打開(kāi)瞬間，突出的煤與瓦斯氣體經(jīng)過(guò)連接在試樣罐一端的帶有刻度的圓錐筒管釋放出來(lái)；

步驟7、采用高速攝像機(jī)視覺(jué)成像技術(shù)多角度地將熒光煤的碰撞角度α、瓦斯各個(gè)突出氣體體積q信息的采集，全面準(zhǔn)確記錄煤與瓦斯突出發(fā)展過(guò)程中的運(yùn)移情況；

步驟8、采集裝煤試樣罐中的氣體量q1與時(shí)間t的數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)信息采集裝置中，然后做出q-t圖；采集各時(shí)刻的瞬時(shí)測(cè)力器上的力值f；

步驟9.整理實(shí)驗(yàn)記錄，根據(jù)實(shí)際氣體狀態(tài)方程pv=nrtz，分析計(jì)算數(shù)據(jù)；根據(jù)熒光煤的碰撞角度α及碰撞后的路徑分析計(jì)算出突出瞬間的力值f0及突出時(shí)的角度α0=α；

步驟10.將試樣罐中的煤樣替換為與煤樣具有相同的密度、粒徑大小，但無(wú)吸附性的巖樣樣品，使裝巖樣樣品的試樣罐的死空間滿足v巖死=v煤死，重復(fù)上述步驟。

上述檢測(cè)方法中，所述的熒光煤，通過(guò)熒光染料對(duì)粒徑在0.2-0.25mm之間的煤進(jìn)行染色，染色后可使煤呈現(xiàn)出顏色，便于高速攝像機(jī)信息收集，且不改變煤的其他性質(zhì)。

上述檢測(cè)方法中，所述煤樣死空間測(cè)定裝置包括u型管、裝煤試樣罐和甲烷高壓氣源，甲烷高壓氣源出口設(shè)有第一管路控制閥門(mén)，裝煤試樣罐與真空泵連接的管道上設(shè)有第二管路控制閥門(mén)，裝煤試樣罐和甲烷高壓氣源連通且連通管道上設(shè)有減壓閥；u型管由底部連通的第一直管和第二直管組成，通過(guò)調(diào)節(jié)第一直管和第二直管的相對(duì)高度來(lái)調(diào)節(jié)u型管內(nèi)液面的高度。第一直管和第二直管底部的連通管上設(shè)有第四管路控制閥門(mén)，裝煤試樣罐與u型管的第二直管連接且通過(guò)第三管路控制閥門(mén)控制其開(kāi)閉；

煤樣死空間測(cè)定方法為：

首先在u型管內(nèi)通過(guò)排水法收集200ml的氦氣（u型管液面的起始位置為200），量筒中裝有紅色液體，液體上方為收集的氦氣。

打開(kāi)真空泵對(duì)裝煤試樣罐進(jìn)行脫氣，脫氣完畢后裝煤試樣罐中處于負(fù)壓狀態(tài)，關(guān)閉第二管路控制閥門(mén)；

打開(kāi)u型管的第三、第四管路控制閥門(mén)，此時(shí)試樣罐中為負(fù)壓，量筒中的氦氣在負(fù)壓作用下會(huì)進(jìn)入到試樣罐中，認(rèn)為氦氣占據(jù)了試樣罐的死空間，調(diào)節(jié)u型管第一直管和第二直管的相對(duì)位置，使得在進(jìn)氦氣的過(guò)程中u形管兩端液面時(shí)刻保持持平，設(shè)液面終止高度為v終，則進(jìn)入試樣罐中氦氣體積就是200-v終（ml）；

當(dāng)量筒內(nèi)的氦氣不再進(jìn)入試樣罐時(shí)，調(diào)整u型管的高度使u型管第一直管和第二直管左右液面高度一致，關(guān)閉u型管第三、第四管路控制閥門(mén)，讀取u型管內(nèi)液面終止所在高度，可得到進(jìn)入試樣罐中的氦氣的體積，即為裝煤試樣罐死空間v煤死。

本發(fā)明的高速成像系統(tǒng)，是一種采用機(jī)器視覺(jué)成像技術(shù)將熒光染料處理過(guò)的煤與瓦斯突出的瞬態(tài)信息采集，運(yùn)用圖像直觀的反映出來(lái)，全面準(zhǔn)確記錄、分析熒光染料處理過(guò)的煤與瓦斯突出發(fā)展過(guò)程中的運(yùn)移情況、影響規(guī)律及影響機(jī)制。該方法以高速成像為基礎(chǔ)，完成突出時(shí)的成像過(guò)程，更精確可靠地提取突出薄弱點(diǎn)及突出時(shí)的運(yùn)移特性信息，針對(duì)其圖像可進(jìn)行分析，并且可對(duì)突出過(guò)程進(jìn)行建模。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明采用高速攝像機(jī)視覺(jué)成像技術(shù)將瓦斯突出位置的信息采集，運(yùn)用圖像直觀的反映出來(lái)，全面準(zhǔn)確記錄、分析煤與瓦斯突出發(fā)展過(guò)程中的運(yùn)移情況、影響規(guī)律及影響機(jī)制。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的試樣罐死空間（試樣罐體積除去煤樣的體積后所剩余的體積）測(cè)定與ch4高壓氣源示意圖。

圖3為本發(fā)明的試樣罐中的氣體量q隨時(shí)間t的變化示意圖。

圖中：1為高速攝像機(jī)，2為信息采集裝置，3為試樣罐，4為恒溫水浴，5為溫度控制器，6為控制開(kāi)關(guān)，7為壓力控制閥，8為高精度壓力表，9為圓錐形筒，10為應(yīng)變片瞬時(shí)測(cè)力器，11為第一管路控制閥門(mén)，12為高壓氣源，13為第二管路控制閥門(mén)，14為真空泵，15為減壓閥，16為第一直管，17為第二直管，18為第四管路控制閥門(mén)，19為第三管路控制閥門(mén)，20為熒光劑試樣；a為水，b為氦氣。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例：

一種煤與瓦斯突出的檢測(cè)裝置，包括高速攝像機(jī)1、信息采集裝置2以及試樣罐3；

所述試樣罐3置于恒溫水浴4中，所述試樣罐3可用于裝載具有瓦斯吸附性的煤樣或不具有瓦斯吸附性的巖樣樣品，試樣罐3分別連接溫度控制裝置、壓力控制閥7和高精度壓力表8，所述溫度控制裝置由溫度控制器5和控制開(kāi)關(guān)6組成；試樣罐3上還裝有管路控制閥門(mén)；

試樣罐3的一端固定連接圓錐形筒9，圓錐形筒9上帶有刻度，高速攝像機(jī)1設(shè)置在圓錐形筒9的開(kāi)口處正對(duì)面，高速攝像機(jī)9與信息采集裝置2連接，通過(guò)高速攝像機(jī)9成像運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，即可計(jì)算出瓦斯各時(shí)刻突出的體積及突出的狀態(tài)；所述帶有刻度的圓錐形筒管內(nèi)部設(shè)有應(yīng)變片瞬時(shí)測(cè)力器10；應(yīng)變片瞬時(shí)測(cè)力器10能測(cè)定出煤碰撞應(yīng)變片瞬間的力值，結(jié)合高速攝像機(jī)1采集的碰撞角度分析計(jì)算噴出瞬間的力值。

所述的帶有刻度的圓錐形筒9，與試樣罐3連接，筒管的一端較細(xì)，而另外一端直徑較大的，充分地還原了在真實(shí)的煤巖開(kāi)采過(guò)程中遇到的煤與瓦斯突出與釋放的過(guò)程，減少了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)真實(shí)性、有效性的其他影響因素。

上述裝置中，所述裝巖樣樣品試樣罐中的巖樣具有與裝煤試樣罐中的煤樣樣品相同的密度、粒徑大小，但無(wú)吸附性，以巖樣樣品作對(duì)比進(jìn)行煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)，排除其他因素的干擾，使實(shí)驗(yàn)的結(jié)論更有說(shuō)服力。

上述裝置中，所述的高精度壓力表8，采用精確度為小數(shù)點(diǎn)后三位的數(shù)字壓力表，盡可能減少誤差的影響，以便準(zhǔn)確記錄試樣罐中的壓力。

上述裝置中，所述的壓力控制閥7，能對(duì)閥門(mén)進(jìn)行壓力設(shè)置，使其達(dá)到壓力的預(yù)定設(shè)置值時(shí)，控制閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，使煤樣中的瓦斯從其薄弱點(diǎn)突出。

上述裝置中，所述的圓錐形筒9由透明的有機(jī)材料制成，便于高速攝像機(jī)1對(duì)煤與瓦斯突出瞬態(tài)的圖像信息的采集。

上述裝置中，所述的應(yīng)變片瞬時(shí)測(cè)力器10均勻設(shè)置在圓錐形筒9中，且與圓錐形筒9的軸線方向垂直設(shè)置。

本發(fā)明提供了一種煤與瓦斯突出的檢測(cè)方法，采用上述煤與瓦斯突出的檢測(cè)裝置，其特征在于包括以下步驟：

步驟1、煤樣的選取與破碎：采集現(xiàn)場(chǎng)煤層的煤樣嚴(yán)密封裝，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行破碎，用標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)破碎后的煤樣進(jìn)行篩分，使煤樣的粒徑在0.2-0.25mm之間；

步驟2、通過(guò)熒光染料對(duì)破碎的煤進(jìn)行染色，得到熒光煤，使高速攝像機(jī)能更加清晰的采集圖像信息，采集的信息更加準(zhǔn)確，辨識(shí)度更高；

步驟3、將煤樣裝入空試樣罐中，經(jīng)煤樣死空間測(cè)定裝置進(jìn)行測(cè)定，得到裝煤試樣罐死空間v煤死；

步驟4、在圓錐形筒中安裝瞬時(shí)測(cè)力器，檢查系統(tǒng)確保連接的可靠，將恒溫水浴調(diào)整到預(yù)定值30℃；

步驟5、高速攝像機(jī)的安裝與調(diào)試：按照設(shè)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)場(chǎng)景放置目標(biāo)物，同時(shí)根據(jù)光線強(qiáng)弱對(duì)圖像采集的攝像機(jī)進(jìn)行曝光和增益的調(diào)整，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)；

步驟6、打開(kāi)第一管路控制閥門(mén)與氣體減壓閥進(jìn)行充氣，充氣完畢后，將通過(guò)第一管路控制閥門(mén)向裝煤試樣罐以1ml/min的速率充入ch4高壓氣源，使裝煤試樣罐中的煤粉處于吸附平衡狀態(tài)，當(dāng)試樣罐中瓦斯壓力達(dá)到一定值時(shí)，自動(dòng)控制壓力閥門(mén)打開(kāi)瞬間，突出的煤與瓦斯氣體經(jīng)過(guò)連接在試樣罐一端的帶有刻度的圓錐筒管釋放出來(lái)；

步驟7、采用高速攝像機(jī)視覺(jué)成像技術(shù)多角度地將熒光煤的碰撞角度α、瓦斯各個(gè)突出氣體體積q信息的采集，全面準(zhǔn)確記錄煤與瓦斯突出發(fā)展過(guò)程中的運(yùn)移情況；

步驟8、采集裝煤試樣罐中的氣體量q1與時(shí)間t的數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)信息采集裝置中，然后做出q-t圖；采集各時(shí)刻的瞬時(shí)測(cè)力器上的力值f；

步驟9.整理實(shí)驗(yàn)記錄，根據(jù)實(shí)際氣體狀態(tài)方程pv=nrtz，分析計(jì)算數(shù)據(jù)；根據(jù)熒光煤的碰撞角度α及碰撞后的路徑分析計(jì)算出突出瞬間的力值f0及突出時(shí)的角度α0=α；

步驟10.將試樣罐中的煤樣替換為與煤樣具有相同的密度、粒徑大小，但無(wú)吸附性的巖樣樣品，使裝巖樣樣品的試樣罐的死空間滿足v巖死=v煤死，重復(fù)上述步驟。

上述檢測(cè)方法中，所述的熒光煤，通過(guò)熒光染料對(duì)粒徑在0.2-0.25mm之間的煤進(jìn)行染色，染色后可使煤呈現(xiàn)出顏色，便于高速攝像機(jī)信息收集，且不改變煤的其他性質(zhì)。

上述檢測(cè)方法中，所述煤樣死空間測(cè)定裝置包括u型管、裝煤試樣罐和甲烷高壓氣源12，甲烷高壓氣源12出口設(shè)有第一管路控制閥門(mén)11，裝煤試樣罐與真空泵14連接的管道上設(shè)有第二管路控制閥門(mén)13，裝煤試樣罐和甲烷高壓氣源連通且連通管道上設(shè)有減壓閥15；u型管由底部連通的第一直管16和第二直管17組成，通過(guò)調(diào)節(jié)第一直管16和第二直管17的相對(duì)高度來(lái)調(diào)節(jié)u型管內(nèi)液面的高度。第一直管16和第二直管17底部的連通管上設(shè)有第四管路控制閥門(mén)18，裝煤試樣罐與u型管的第二直管連接且通過(guò)第三管路控制閥門(mén)19控制其開(kāi)閉；

煤樣死空間測(cè)定方法為：

首先在u型管內(nèi)通過(guò)排水法收集200ml的氦氣（u型管液面的起始位置為200），量筒中裝有紅色液體，液體上方為收集的氦氣。

打開(kāi)真空泵對(duì)裝煤試樣罐進(jìn)行脫氣，脫氣完畢后裝煤試樣罐中處于負(fù)壓狀態(tài)，關(guān)閉第二管路控制閥門(mén)；

打開(kāi)u型管的第三、第四管路控制閥門(mén)，此時(shí)試樣罐中為負(fù)壓，量筒中的氦氣在負(fù)壓作用下會(huì)進(jìn)入到試樣罐中，認(rèn)為氦氣占據(jù)了試樣罐的死空間，調(diào)節(jié)u型管第一直管和第二直管的相對(duì)位置，使得在進(jìn)氦氣的過(guò)程中u形管兩端液面時(shí)刻保持持平，設(shè)液面終止高度為v終，則進(jìn)入試樣罐中氦氣體積就是200-v終（ml）；

當(dāng)量筒內(nèi)的氦氣不再進(jìn)入試樣罐時(shí)，調(diào)整u型管的高度使u型管第一直管和第二直管左右液面高度一致，關(guān)閉u型管第三、第四管路控制閥門(mén)，讀取u型管內(nèi)液面終止所在高度，可得到進(jìn)入試樣罐中的氦氣的體積，即為裝煤試樣罐死空間v煤死。