DOI：10.13199/j.cst.2011.02.82.sunjp.032 第 39 卷第 2 期 月 2011 年 2 煤 炭 科 学 技 术 Coal Science and Technology Vol. 39 No. 2 Feb． 2011 基于图像识别的煤岩界面识别方法研究 ( 中国矿业大学 ( 北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 ) 100083 孙 继 平 摘 要: 采掘工作面是煤矿事故多发地点。减少煤矿采掘工作面作业人员既是煤矿安全生产的需 要，又是减轻作业人员劳动强度和改善作业环境的需要。煤岩界面识别是实现无人采煤的关键技术 之一。研究了用于无人采煤工作面等的煤岩界面识别方法，指出了现有煤岩界面识别方法存在的问 题。提出了基于可见光图像和红外图像识别的煤岩界面识别方法: 提取色彩、灰度、纹理、形状等 图像特征，进行煤岩界面识别。并提出了基于图像识别的多参数信息融合煤岩界面识别方法。 关键词: 煤岩界面识别; 图像识别; 信息融合; 无人工作面; 信息化; 自动化 ) 中图分类号: TD67 文章编号: 0253 － 2336 文献标志码: A 02 － 0077 － 03 2011 ( Study on Identified Method of Coal and Rock Interface Based on Image Identification ( : Abstract State Key Lab of Coal Resources and Safety Mining China University of Mining and Technology SUN Ji-ping ， ( Beijing ) ， Beijing 100083 ， China ) The mining and excavation faces are the places of many mine accidents occurred often． The operation personnel numbers to be reduced in the mining and excavation faces of the mine would be the requirements of the mine safety production and would be the require- ments to reduce the labor intensity of the operation personnel and to improve the operation environment． The identification of the coal and rock interface would be one of the keys to have an unmanned coal mining． The paper had a study on the unmanned coal mining face and the coal and rock interface identified method and pointed out the problems existed in the present coal and rock interface identified method． The paper provided the coal and rock interface identified method based on the visible light image and infrared image identification． The ， ， ， color grey scale grain shape and other image features should be extracted for the coal and rock interface identification． The paper pro- vided the coal and rock interface identified method integrated with multi information based on the image identification． Key words identification of coal and rock interface image identification information integration unmanned coal mining face ; ; ; ; informa- : ; tization automation 1 概 述 3 68 45 。2009 起，占 起一次死亡 采掘工作面是煤矿事故多发地点 国煤矿发生 其中采掘工作面发生 次死亡 年全 人及以上瓦斯事故， 起一 人及以上水灾事故中，采掘工作面发生 人及以上顶板 起，占 因 自 动 化 和 信 息 化， 减少煤矿采掘 ］ 1 14 事故中，采掘工作面发生 11 此，有必要通 过 煤 矿 机 械 化 、 减少煤矿采掘工作面作业人员［ 3 起，占 起一次死亡 68. 8% 。 66. 2% 70% 20 16 3 ; ; 。 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 点基金资助项目 ( ， 51074169 ) 200802900008 20090023110008 ) ; 教育部博士 ］ ］ ］ 4 － 7 2 － 3 ， 10 、 。 。 煤矿井下人员位置监测［ 工作面作业人员既是煤矿安全生产的需要，又是 减轻作业人员劳动强度和改善作业环境的需要， 煤矿信息化与自动化是 特别是薄煤层作业人员 近年来，煤矿安 煤矿安全生产的重要保障［ 全监控［ 煤 全 矿 井 移 动 通 信［ 炭产 量 远 程 监 测［ ］ 、 、 无人值守远程监控技术［ ］及系统取得了突破和快 速发展，在 煤 矿 安 全 生 产 工 作 中 发 挥 着 重 要 作 用 水泵 实现了采 房 煤工作面有人巡视条件下的回采巷道遥控和记忆 割煤，但不能自动识别煤岩界面，不能实现工作 面无人控制 因此笔者分析了目前煤岩界面识别 实现了煤矿井下机电硐室 输送带等岗位无人值守远程监控 压风机房 、 ， 11 ， 8 － 9 、 。 。 、 、 4 － 5 4 － 5 ］ 4 4 。 77 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2011 年第 期 2 煤 炭 科 学 技 术 第 39 卷 技术研究现状，提出了基于图像识别的多信息融 合煤岩界面识别方法，以提高煤岩界面识别的正 确率和适用范围 。 2 煤岩界面识别技术研究现状 。 。 、 、 、 。 煤岩界面识别是采煤工作面无人开采的关键 通过煤岩界面自动识别，及时调整采 技术之一 煤机滚筒截割高度等，这既能减少丢煤 提高资 源采 出 率，又 能 减 少 截 割 岩 石 降 低 煤 中 含 矸 提高运输效率; 同时可减少由于截割岩石对 量 截齿等磨损和破坏，也能避免截割岩石所产生的 因此，需要研究煤岩界面识 危险温度引爆瓦斯 别等技术，实现无人工作面地面遥控 世界各主 要产煤国都十分重视煤岩界面识别方法的研究， 红 外 探 测 提出了 法 声 音 检 测 法 雷 达 探 测 法 震 动 检 测 法 射 线 探 测 法 有功 功 率 监 测 法 粉尘检测法等 ) 岩石中放射性元素含量一 岩层放射性辐射穿透煤层后， 般比煤炭高很多 因此，通 其辐射强度随煤层厚度的增加而减小 射线强度，即可测算出 过检测经煤层衰减后的 该方法具有无放射源 便于管 顶底板煤层厚度 不易损坏等优点; 但不适用于 理 非接触测量 放射性元素含量较低的岩层和煤层中夹矸较多等 情况［ 。 射线探测法 、 、 、 、 、 、 、 。 。 。 。 、 、 γ γ γ 1 ］ 12 2 。 。 ) 雷达探测法 反射波滞后时间除与煤 由于煤炭与岩石介质不同， 当电磁波穿透煤层时，在煤岩界面上会发生电磁 岩层介质等可 波反射 、 测因素有关外，还与煤层厚度有关［ 因此，通 过检测反射波滞后时间可测算出煤层厚度 该方 法具有不需要预先测取煤岩物理特性 适用范围 广等优点，但存在着当煤层厚度增加时，信号衰 减严重，难以检测等问题 。 。 、 ］ 12 。 。 3 。 。 ) 红外探测法 由于煤炭与岩石普氏系数等 物理特 性 不 同，采 煤 机 截 割 时 产 生 的 温 度 也 不 因此，采用红外探测法检测采煤机滚筒截齿 同 温度，即可测算出煤岩界面［ 该方法只有截割 。 到岩石时，才能测算出煤岩界面 当煤炭与岩石 普氏系数相近时，即使截割到岩石，也很难测算 出煤岩界面 。 ］ 12 ) 有功功率监测法 在单位时间内截割量 等不变的情况下，被截割物越硬，所需要的有功 。 4 。 87 。 因此，通过检测有功功率，即可测算 功率越大 。 出煤岩界面［ 该方法要求煤炭与岩层普氏系数 等差异大，并且只有截割到岩层时，才能测算出 煤岩界面 。 ］ 13 5 。 ) 震动检测法 由于煤炭与岩层普氏系数 等不同，采 煤 机 截 割 煤 炭 和 岩 层 时 震 动 频 谱 不 因此，通过检测震动频谱，可测算出煤岩界 同 。 面［ 该方法同样要求煤炭与岩层普氏系数等差 ］ 12 异大，并且只有截割到岩层时，才能测算出煤岩 界面 。 。 ) 声音检测法 6 。 由于煤炭与岩石密度等不 同，落在刮板输送机中部槽发出的声音也不同 。 因此，通过检测煤炭或岩石撞击中部槽发出的声 音，可测算出煤岩界面［ 该方法要求煤炭与岩 石介质差异大，只有截割到岩层并且有岩石撞击 到中部槽时，才能测算出煤岩界面 。 ］ 14 。 7 。 ) 粉尘检测法 采煤机截割煤炭时会产生 因此，通过检测 煤尘，截割岩石时会产生岩尘 。 粉尘，可测算出煤岩界面［ 该方法只有截割到 岩石时，才能测算出煤岩界面，并且受已有粉尘 影响 。 ］ 12 。 3 基于图像识别的多信息融合煤岩界面识 别方法 、 瘦 煤 烟煤 、 焦 煤 、 中黏煤 3. 1 基于可见光图像识别的煤岩界面识别方法 煤的种类主要有褐煤 无烟煤，烟煤 。 、 、 、 。 。 、 、 、 、 、 、 。 、 纹理 光泽 光泽 、1 /2 贫 瘦 煤 气煤 肥 煤 、 弱 黏 煤 、 气肥煤 、 长 焰 煤 等 、 页岩和砂岩 又分 为 贫 煤 、1 /3 不 焦煤 煤 层 的 顶 底 板 岩 石 主 要 有 泥 黏煤 煤的颜色 断口 岩 、 并 且 同 一 煤 层 形状等 与 顶 底 板 岩 石 明 显 不 同 ( 或岩层) 的颜色 断口形状等特 纹理 因此，笔者提出通过实时摄取煤岩 征基本相同 图像，提取其 图 像 特 征，识 别 煤 岩 界 面 的 方 法 。 基于可见光图像识别的煤岩界面检测方法又分为 黑白图像和彩色图像 黑白图像特征主要有 种 2 灰度 彩 色 图 像 特 征 主 要 有 色 形 状 等 彩 3. 2 基于红外图像识别的煤岩界面识别方法 煤炭与岩石的红外图像具有不同的特征 。 因 此，笔者提出通过实时摄取煤岩红外图像，提取 其图像特征，识别煤岩界面的方法 基于红外图 、 灰度 、 纹理 形状等 纹 理 。 。 、 、 、 。 。 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

孙继平: 基于图像识别的煤岩界面识别方法研究 2011 年第 期 2 学技术， ， ( ) : 38 2010 煤矿井下人员位置监测系统联网 ［ ］ ． J 1 － 4． 11 2009 ( 37 ) : ， ］ 煤炭产量远程监测与防作弊技术 ［ J ． 77 － 79． 11 煤炭科学 工矿自 2010 ( ) : 9 129 － 132． ． 矿 井 通 信 技 术 与 系 统 ［ ］ J ． ( ) : 煤 炭 科 学 技 术， ． 10 ［ ］ 孙继平 ［ 9 技术， ］ 孙继平 动化， ］ 孙继 平 ， ［ 11 ． ． 2010 38 12 1 － 3． ］ 任 芳，杨兆建，熊诗波 ］ 究动态综述 ［ J ． 煤， 2001 ］ 任 芳，熊晓燕，杨兆建 ［ 12 ［ 13 ］ 数 ［ J ． ， 煤矿机电， 2006 ［ ］ 14 ． ． ( ( 10 ) : 国内外煤岩界面识别技术研 ， 煤岩界面识别的关键状态参 ) : 54 － 55． 4 5 37 － 39． LI Xu GU Tao． New Technique of Distinguishing Rock from ］ ［ C ． Coal Based on Statistical Analysis of Wavelet Transform Proceedings of the SPIE － The International Society for Optical Engineering v7343 p73430A 10 2009． ， ， ( ) ， 作者简介: 孙继 平 ( 1958—) ，男，山 西 翼 城 人，教 授，博 士生导师，博士，现任中国矿业大学 ( 北京) 副校长，长期从事 煤矿安全生产监控与通信、安全生产信息化及煤矿电气安全方面 的 研 究 和 实 践 工 作。 Tel: 010 － 62331929， E － mail: sjp @ cumtb. edu. cn 收稿日期: 2011 － 01 － 07 ; 责任编辑: 赵 瑞 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 ( 上接第 ［ ］ 9 LIU Yun － hao． Underground Coal Mine Monitoring 72 ， 页) LI Mo with Wireless Sensor Networks ． ACM Transactions on Sen- sor Networks 2009 1 － 9． ， ) : ( 2 ， CHEN Guang － zhu SHEN Chun － feng ［ ］ 10 ， ZHOU Li － juan． ［ ］ J Design and Performance Analysis of Wireless Sensor Network Location Node System for Underground Mine Science and Technology China 2009 19 ( ) ， ， ］ ［ ． Mining J ) : ( 813 － 6 818． ］ ［ J ． ［ 11 12 ］ 彭 丽，孙彦景，钱建生 矿井巷道无线信道模型 华中科技大学学报， ． UWB ， ( ) : 36 2008 煤矿工业以太网网络模型研究 582 － 583． S ［ ］ 李世银，钱建生，孙彦景 ． 华中科技大学学报， ， 35 ( ) : S 213 － 2007 ］ 及应用 ［ J ． 216． DOU Lin － ming ， LU Cai － ping ， MU Zong － long． Preven- tion and Forecasting of Rock Burst Hazards in Coal Mines ］ ［ J ． Mining Science and Technology ( ) : China 2009 ) ， ， 19 ( 5 585 － 591． 像识别的煤岩界面检测方法又分为主动红外图像 和被动红外图像 3. 3 基于图像识别的多参数信息融合煤岩界面 识别方法 种 。 2 红外 为满足不同煤岩界面识别的需求，笔者提出 射 线 、 声音等多参数信 、 根 据 不 同 的 煤 岩 介 模 糊 数 学 等 方 基于可 见 光 图 像 识 别 、 雷达 有功功率 息融合 煤 岩 界 面 识 别 方 法 质，采用 专 家 系 统 法，建立相应的辨识模型 红 外 图 像 识 别 震动 神 经 网 络 、γ 、 、 、 。 、 、 。 4 结 论 。 。 。 、 、 采掘工作面是煤矿事故多发地点 提高资源采出率，又能减少截割岩石 因此，要 自动化和信息化，减少煤矿采 通过煤矿机械化 、 煤岩界面识别是采煤工作面 掘工作面作业人员 无人开采的关键技术之一 通过煤岩界面自动识 别，及时调整采煤机滚筒截割高度等，既能减少 丢煤 降 提高运输效率; 既能减少由于截 低煤中含矸量 割岩石对截齿等磨损和破坏，又能避免截割岩石 所产生的危险温度引爆瓦斯 雷 、 达探测法 震动 、 粉尘检测法等煤岩界面识 检测法 别方法，存在着适用范围小 识别正确率低等问 题 形 状等特征的煤岩界面识别方法和基于图像识别的 多参数信息融合煤岩界面识别方法，有助于提高 煤岩界面识别的正确率和适用范围 、 笔者提出的基于图像色彩 、 声音检测法 有功功率监测法 射线探测法 红外探测法 灰度 纹理 。γ 、 、 、 、 。 、 、 、 。 参考文献: 屯兰矿 ［ ］ 孙继平 1 ． 教训 ［ ］ ． J ］ 煤矿自动化与信息化技术回顾与展望 ［ ［ ］ 孙继平 J ． 2 特别重大瓦斯爆炸事故原因及 ， 煤炭学报， “2·22” 72 － 75． 工矿 2010 ) : 35 1 ( ． ( ( 自动化， ) : ． ． 1 6 11 35 36 ) : ) : 2010 2011 报， 26 － 30． 167 － 171． 1925 － 1929． ［ ］ 孙继平 3 2010 ］ 煤矿物联网特点与关键技术研究 ［ J ． ， 煤矿安全生产监控与通信技术 ［ ］ J ． ( 煤矿井下安全避险 ］ 孙继平 ［ 4 ， ［ ］ 孙继平 ． 5 方案 ［ ) : ］ ． J 1 － 4． 煤矿安全监控技术与系统 ［ ］ ］ 孙继平 ［ J ． 6 ( ， ］ 煤矿安全监控系统联网技术研究 ［ ［ ］ 孙继平 J ． 7 ， ］ 煤矿井下人员位置监测技术与系统 ［ J ． 六大系统 ( ［ ］ 孙继平 8 工矿自动化， 1546 － 1549． 报， 1 － 4． 2010 2010 2009 ) : ) : 11 11 38 10 34 “ ” ( ． ． ． 煤炭学报， 的作用和配置 煤炭科学技术， 煤炭学 煤炭科 煤炭学 ［ ］ 13 作者简 介: 孙 彦 景 ( 1977—) ，男，山 东 滕 州 人，副 教 授， 博士生导师，博士，研究方向为矿井无线通信与监控、矿山物联 网。Tel: 13685198699，E － mail: yanjingsun_ cn@ 163. com 收稿日期: 2010 － 10 － 29 ; 责任编辑: 赵 瑞 97 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net