基于熱紅外技術(shù)的礦山邊坡模型變形監(jiān)測

李春雨，張永彬，梁鵬

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0引言

熱紅外成像技術(shù)在建筑、醫(yī)療、電力等領(lǐng)域應(yīng)用已較為廣泛，然而在礦山邊坡變形監(jiān)測方面的應(yīng)用還較少，但因其具有無接觸、不損傷被檢測物體等優(yōu)勢，開始廣泛地應(yīng)用到一些新的領(lǐng)域。紅外熱成像技術(shù)基于紅外輻射原理，通過測取目標(biāo)物體表面的紅外輻射能，將被測物體表面溫度分布轉(zhuǎn)換為形象直觀的熱圖像[1,6,9]。劉善軍等提出了將熱成像技術(shù)應(yīng)用于礦山的安全檢測，通過對相應(yīng)煤礦進(jìn)行測試，得出了熱成像技術(shù)可以用于露天煤礦邊坡安全檢測的結(jié)論[2]。吳立新等在熱紅外成像用于固體撞擊瞬態(tài)過程中發(fā)現(xiàn)了材料的瞬態(tài)溫度變化用于絕熱過程中能量轉(zhuǎn)化規(guī)律，相應(yīng)地提出了基于熱輻射應(yīng)力圖像分析技術(shù)[3]；劉善軍通過熱紅外發(fā)射光譜探測造巖礦物的振動特征和光譜信息，在熱紅外波段，礦物發(fā)射光譜附和線性加和規(guī)律[4]；解國梁等在紅外熱像儀及其在建筑工程中無損檢測應(yīng)用中，介紹了影響熱紅外技術(shù)測試精度的主要因素和相應(yīng)的解決辦法，在實際工程中通過檢測物體的熱量和熱流來進(jìn)行無損檢測[5]。

礦山邊坡變形是在工程建設(shè)中的普遍現(xiàn)象，當(dāng)邊坡變形超出了一定限度之后，易造成極大的危險事故，甚至?xí)纬蓢?yán)重性的滑坡后果[7,8]。傳統(tǒng)的礦山邊坡變形監(jiān)測因耗時耗力，受到天氣影響，觀測條件對觀測精度有著直接的影響[10]。因此，采用熱紅外技術(shù)監(jiān)測手段是測量領(lǐng)域的一項創(chuàng)新，并且可以很好地做出變形監(jiān)測的預(yù)先警告，以便及時采取防范措施。

1模型設(shè)計及實驗設(shè)備

1.1 邊坡模型的設(shè)計

該項研究選用木箱作為邊框，在木箱中根據(jù)礦山的實際情況使用沙子作為填充物填充成邊坡的形狀，在模型的待檢測面選用與沙子大小不同的石子作為填充物，以便將石子作為變形監(jiān)測點(diǎn)使用。模型的設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 邊坡模型

沙子模型選用規(guī)格如下：

(1)木箱選用規(guī)格為1.5 m×0.8 m×1.5 m，能夠承載內(nèi)部沙子重量并且牢固可靠；

(2)選取標(biāo)準(zhǔn)：選用與實際邊坡周圍含水量大致相同的沙子作為模擬填充材料，沙子顏色大致為黃土色；

(3)石子選用標(biāo)準(zhǔn)：選用和指甲蓋大小的黑色石子作為觀測過程的散斑和觀測點(diǎn)使用；

(4)邊坡模型制作：在初始材料準(zhǔn)備完成之后，應(yīng)盡快根據(jù)設(shè)計圖紙完成模型的制作，保證沙子的含水量與實際邊坡含水量大致相同；

(5)制備流程：木箱制作、沙子石頭填充，在實驗開始前，用千斤頂將模型抬升到合適的位置，確保不會發(fā)生滑落事故。

1.2 實驗設(shè)備

熱紅外成像設(shè)備選用德國的紅外熱像儀(InfraTec Image IR 8325)，該設(shè)備系統(tǒng)采用了1280×1024像素高清級制冷型焦平面探測器，其優(yōu)點(diǎn)是高幀頻、高靈敏度和更高的清晰度，在這種狀況下完成高精度的溫度監(jiān)測。儀器相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 ImageIR8325紅外成像系統(tǒng)主要參數(shù)

2模擬實驗過程

2.1 實驗過程

在實驗開始前，應(yīng)將邊坡模型調(diào)節(jié)到實驗所需要的狀態(tài)，在邊坡模型底部設(shè)置千斤頂作為抬升裝置，確保在實驗過程中能使邊坡模型達(dá)到實驗要求角度，并使實驗器材保持穩(wěn)定，不會由于實驗的震動而導(dǎo)致模型的損壞滑落。同時紅外熱像儀設(shè)置于最佳變形觀測位置，能夠清晰地獲取熱紅外圖像，并對其相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，讓誤差減小到實驗允許范圍之內(nèi)。在使用千斤頂時應(yīng)使邊坡模型緩慢、持續(xù)、穩(wěn)定上升，不會由于抬升過快或過慢導(dǎo)致模型損壞。

本實驗?zāi)M邊坡因施工振動而滑坡變形的情況，設(shè)計時間為1′50″，在界面上將圖像獲取頻率調(diào)節(jié)為5 張/s。開啟紅外輻射變形監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)實驗要求，前期每隔10 s敲擊一次邊坡模型，依次在10 s、20 s、30 s、40 s、50 s時使用同等大小的力敲擊模型底板，當(dāng)?shù)竭_(dá)60 s 時變成持續(xù)敲擊底板，直到邊坡模型發(fā)生明顯的滑坡現(xiàn)象，停止敲擊模型。

2.2 實驗結(jié)果

實驗過程中監(jiān)測點(diǎn)隨著震動發(fā)生滑移形成的散斑圖如圖2所示。

圖2 散斑點(diǎn)滑移圖

從圖2中散斑點(diǎn)滑移過程實驗結(jié)果可以看出，在施工振動的環(huán)境影響下，邊坡模型會發(fā)生平穩(wěn)期、小顆粒滑落、大范圍滑落、全部滑坡4個階段。

3實驗結(jié)果分析

由于紅外熱像儀獲取的信息范圍較大，因此選擇模型振動過程中沙粒滑落不太明顯的或者還未滑落的位置作為起點(diǎn)，形成參照點(diǎn)，在其他位置發(fā)生明顯溫度變化的情況下，起始點(diǎn)仍可作為溫度變化參照點(diǎn)進(jìn)行圖像相關(guān)分析計算的依據(jù)。紅外熱像圖如圖3所示。

圖3 溫度變化熱像圖

將實驗所有圖片均去除第1 張圖片來消除周圍環(huán)境帶來的影響。做差完成之后，對結(jié)果圖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化得到的溫度為卡爾溫度，再將卡爾溫度轉(zhuǎn)化為攝氏度。正確選擇起始點(diǎn)是為了進(jìn)一步對圖像進(jìn)行計算，其選擇原則是圖像中位移變化較小的位置。分析區(qū)域選取完成之后，選擇模型振動過程中沙粒滑落不太明顯或者還未滑落的位置作為起點(diǎn)，形成參照點(diǎn)，在其他位置發(fā)生明顯溫度變化的情況下，起始點(diǎn)仍可作為溫度變化參照點(diǎn)進(jìn)行圖像相關(guān)分析計算的依據(jù)。圖4所示為平均溫度變化曲線圖。

圖4 平均溫度變化曲線圖

在實驗過程中，隨著時間的推移，邊坡模型溫度平均值保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，有振動發(fā)生時，會隨著震動發(fā)生產(chǎn)生小范圍的位移波動，從而產(chǎn)生溫度變化。此時溫度從開始的20.722 ℃發(fā)生變化，從0 s至40 s，由于邊坡模型受到外力作用，散斑點(diǎn)仍然滑落，40 s后石子開始緩慢勻速滑落。

由此可知，在有震動產(chǎn)生時，發(fā)生振動的位置會影響石子滑落，導(dǎo)致溫度變化較為明顯。因此，可以根據(jù)礦山經(jīng)常施工的地點(diǎn)，使用紅外熱像儀觀測礦山邊坡經(jīng)常施工位置的溫度變化，對相應(yīng)位置進(jìn)行邊坡防護(hù)，以確保邊坡的穩(wěn)定性。圖5所示為最高溫度變化曲線圖。

圖5 最高溫度變化曲線圖

在實驗過程中，隨著時間推移，邊坡模型溫度平均值保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)振動發(fā)生時，會產(chǎn)生小范圍的位移波動，從而產(chǎn)生溫度變化。此時溫度從開始的20.722 ℃發(fā)生變化，從0 s到20 s，隨著石子的滑落，平均溫度值總體上呈現(xiàn)下滑趨勢，該趨勢持續(xù)到40s左右，平均溫度值開始趨于平穩(wěn)狀態(tài)。從0 s到40 s，由于邊坡模型受到外力作用，散斑點(diǎn)仍然滑落，40 s后石子開始緩慢勻速滑落。圖6所示為最低溫度變化曲線圖。

圖6 最低溫度變化曲線圖

最低溫度首先保持相對穩(wěn)定，在10 s左右達(dá)到溫度峰值，說明此時已有部分石子作為散斑點(diǎn)發(fā)生明顯滑落。在20～40 s之間，石子開始大幅度滑落。此時溫度降至最低。50 s左右滑落基本完成，此時溫度變化起伏較小。

由此可知，在產(chǎn)生振動時，隨著石子的滑落，紅外圖像的溫度變化較為明顯。由于石子的均勻分布，分析區(qū)域的顏色變化也不盡相同。隨著石子的完全滑落，最低溫度變化波動起伏較小，說明邊坡滑落是朝著前下方滑落。

4結(jié)論

(1)由于熱紅外技術(shù)在礦山邊坡模型變形監(jiān)測中與傳統(tǒng)變形監(jiān)測相比占有絕對優(yōu)勢，尤其是在邊坡變形監(jiān)測方面，可采用熱紅外技術(shù)瞬間獲取物體表面溫度，并以熱圖像的形式快速呈現(xiàn)出來，因此它比其他監(jiān)測手段更加便捷。

(2)InfraTecImageIR8325高端紅外熱成像系統(tǒng)能夠監(jiān)測到被測物體的細(xì)小變化，其監(jiān)測溫度能達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后4位數(shù)，檢測精度可達(dá)到毫秒級，能夠有效地發(fā)現(xiàn)被測物體的微小變形量。通過實驗室模擬礦山邊坡模型的變形監(jiān)測，采用紅外熱成像技術(shù)，完成了預(yù)期的實驗結(jié)果，對于指導(dǎo)礦山邊坡變形維護(hù)具有一定參考價值。

(3)熱紅外技術(shù)應(yīng)用于礦山變形監(jiān)測具有其獨(dú)特的作用，通過紅外熱像儀獲取實驗數(shù)據(jù)，能夠發(fā)現(xiàn)邊坡所處的動態(tài)變化。當(dāng)邊坡開始發(fā)生振動時，從時序規(guī)律和空間演化2個方面對邊坡變形產(chǎn)生不同影響，根據(jù)邊坡表面溫度變化以及石子滑落紅外圖像的變化及時采取相應(yīng)的處理措施。