《图像识别智能放煤基础与应用》对图像识别智能放煤技术进行系统介绍，总结了作者近20年来在智能化放煤方面的基础研究和现场应用成果，提出了智能放煤技术需要实现的功能和技术难点，介绍了煤矿井下煤岩图像处理与特征提取、动态煤流图像增强与去噪技术、煤流含矸率识别技术、复杂外观条件下煤岩识别技术、智能放煤技术系统开发与现场应用效果等。

第1章放顶煤开采技术概述
　　1.1放顶煤开采技术原理及发展
　　1.1.1放顶煤开采原理
　　综合机械化放顶煤开采，简称综放开采或放顶煤开采，是我国开采厚及特厚煤层的主要方法[1，2]。其实质是在煤层底部布置一个综采工作面，使用专用的放顶煤支架，用常规方法进行开采，同时利用矿山压力或辅助以人工弱化措施(如爆破作业、注水软化)使支架上方的顶煤破碎成散体，由支架尾部放煤口放出，经由工作面后部刮板输送机运出工作面，连同工作面前部刮板输送机运出的从煤壁上割下的底煤一并卸载到转载机上，经破碎后由皮带输送机运出工作面，如图1-1所示。
　　图1-1放顶煤开采示意图
　　放顶煤工作面有前、后两部刮板输送机出煤，根据工艺循环设计，采煤和放煤可以平行作业，此时前、后两部刮板输送机同时出煤，工作面生产效率较高；也可以采煤和放煤间隔作业，此时前、后两部刮板输送机交叉出煤。
　　放顶煤开采技术的特点决定了该方法具有巷道掘进率低、投资少、成本低、产量大、生产效率高等优点，对煤层厚度适应性强，4～20m煤层均可采用。对于急倾斜厚煤层采用水平分段放顶煤技术开采时，煤层厚度*好大于20m，否则工作面过短，巷道掘进率高、生产效率低、回收率低。放顶煤开采对顶煤回收率控制、工作面两巷全煤巷道稳定性控制、采空区防火、瓦斯涌出控制等难度较大，同时对煤层的硬度和裂隙发育程度要求较高，对于一些坚硬煤层或煤体裂隙不发育的煤层适应性较差[3，4]。
　　1.1.2综放工作面作业流程
　　掌握综放工作面作业流程是实现智能化放煤的前提。综放与综采的区别在于前者多了放煤工序，*先介绍综采工作面的作业流程。图1-2为综采工作面跟机作业示意图，以采煤机割煤为作业核心，在采煤机运行前方需要收液压支架护帮板，使得采煤机沿煤壁顺利割煤。在采煤机经过液压支架前方时需要保证护帮板一直处于回收状态，采煤机完成割煤并完全通过当前液压支架后，液压支架前移，及时支护顶板，移架后及时打开护帮板支护煤壁，当采煤机通过一段距离，达到刮板输送机允许的推溜距离后，进行推溜操作。
　　图1-2综采工作面跟机作业示意图
　　图1-3为综放工作面跟机作业示意图，同样以采煤机割煤为作业核心，在采煤机运行前方需要收液压支架护帮板，使得采煤机沿煤壁顺利割煤。在采煤机经过液压支架前方时需要保证护帮板一直处于回收状态，采煤机完成割煤并完全通过当前液压支架后，液压支架前移，及时支护顶板，移架后及时打开护帮板支护煤壁。移架后，放顶煤液压支架放煤口正好处于后部刮板输送机上方，进行放煤操作。采煤机通过一段距离后，达到前部刮板输送机允许的推溜角度后，进行推前溜操作。放煤后，达到后部刮板输送机允许的推溜角度后，进行拉后溜操作。
　　图1-3综放工作面跟机作业示意图
　　相对于综采工作面，综放工作面跟机作业内容增加了放煤操作和拉后溜操作，而利用机器代替人工实现智能化放煤操作是本书的主要内容。
　　1.2放煤理论及放煤工艺
　　1.2.1四要素放煤理论
　　放顶煤开采中，放煤工序产量一般占工作面总产量的50%以上，因此确定科学、合理的放煤工艺对于提高顶煤回收率至关重要。四要素放煤理论，也称为BBR放煤理论，是指综合研究顶煤放出过程中煤岩分界面(boundary of top-coal)、顶煤放出体(drawing body of top-coal)、顶煤回收率(recovery ratio of top-coal)与含矸率(rock mixed ratio of top-coal)及其相互关系，从而用于指导放煤工艺开发的理论[5]，如图1-4所示。
　　图1-4四要素放煤理论
　　四要素放煤理论的核心是系统研究每个放煤循环中的起始和终止煤岩分界面形态、放出体发育过程及形态、放出煤量和混入岩石量等四个相互影响的时空要素，阐明顶煤放出体、煤岩分界面、顶煤回收率和含矸率之间的关系。该理论认为，通过控制顶煤放出体形态，使顶煤放出体与煤岩分界面重合，可以*大限度地提高顶煤回收率、降低含矸率，为开发高效智能放煤工艺提供科学指导[6-8]。
　　1.2.2常见放煤工艺
　　放煤工艺是指为实现顶煤回收而制定的一整套技术流程和操作方法，它是工作面同时开启放煤口数量、放煤顺序、放煤轮次、放煤步距等参数的组合。选择适合的放煤工艺可以提高顶煤回收率、降低含矸率、提高生产效率。
　　按照同时开启放煤口数量、放煤顺序、放煤轮次、放煤步距等参数，可以将放煤工艺划分为单口放煤与多口放煤、顺序放煤与间隔放煤、单轮放煤与多轮放煤、一刀一放与两刀一放等。通过组合，可以形成单口顺序单轮放煤、双口间隔两轮放煤等多种形式。
　　1.放煤工艺基本参数
　　1)同时开启放煤口数量
　　在放煤作业中，一次性开启的放煤口数量为该次放煤同时开启放煤口数量。根据同时开启放煤口数量的不同，可以将放煤工艺划分为单口放煤与多口放煤。单口放煤即在放煤工序中按照一定的放煤顺序每次打开一个放煤口进行放煤作业；多口放煤即在放煤工序中将支架按顺序分组，每组有大于等于两台液压支架，并依次打开组中全部放煤口进行放煤，如图1-5所示。
　　图1-5单口放煤和多口放煤
　　单口放煤操作简单，当出现卡煤、卡矸情况时，可以考虑使用多口放煤。通过增加同时开启放煤口数量，可以放出大块度煤岩，提高生产效率，但也增大了后部刮板输送机的运输负荷。
　　2)放煤顺序
　　放煤顺序是指放煤时，各放煤口的放煤方式和次序。根据放煤顺序的不同，可以将放煤工艺划分为顺序放煤与间隔放煤。顺序放煤即按照支架的编号进行排序，按照相邻序号的顺序依次打开放煤口进行放煤作业；间隔放煤即按照支架的编号进行排序，顺序间隔1架或多架，依次打开放煤口进行放煤作业，如图1-6所示。
　　图1-6不同放煤顺序示意图
　　相比于顺序放煤，间隔放煤扩大了放煤间隔，从而避免了由于临近放煤漏斗中矸石混入而降低含矸率的问题。同时间隔放煤为增加出煤点及多口放煤提供条件，在作业时间一定的条件下且后部刮板输送机运输能力满足时，间隔放煤可以进行多口同时作业，提高生产效率。
　　3)放煤轮次
　　放煤轮次为一次将能放的煤全部放出所需将每架支架的放煤口全部打开的次数。按照放煤轮次的不同，可将放煤工艺划分为单轮放煤与多轮放煤。单轮放煤是指在放煤过程中每个支架的放煤口只打开一次，直至完成放煤。需要说明的是，在放煤过程中，为防止卡煤、卡矸，通常会反复摆动尾梁，将这种反复摆动视作放煤口打开一次。多轮放煤是指在放煤过程中每个支架的放煤口需要打开2次或多次，直至完成放煤。
　　多轮放煤适用于顶煤厚度较大的情况，通过增加放煤轮次使煤岩分界面均匀下降，减少混矸，提高顶煤回收率。相比于单轮放煤，多轮放煤操作复杂，通常需要两位或以上放煤工间隔若干支架进行放煤作业，且人工放煤难以准确控制放煤高度。
　　4)放煤步距
　　放煤步距是指采用放顶煤采煤法时，沿工作面推进方向前后两次放煤的间距。根据放煤步距的不同，可以将放煤工艺划分为一刀一放与多刀一放。在综放开采中，放煤步距应与移架步距或采煤机截深呈倍数关系。一刀一放即采煤机截割一刀后，立即进行一次放煤作业；多刀一放即采煤机截割多刀后，再集中进行一次放煤作业。
　　由于一刀一放的放煤频率较大，放煤及时，可以减少顶煤在采空区积压。多刀一放由于在截割数刀后集中进行放煤，可以减少放煤口的开关次数从而减少工作量，并有利于顶煤充分破碎及均匀下放，提高顶煤回收率。同时多刀一放减少了采空区暴露面积，有利于顶板控制。放煤步距的设置应考虑顶煤厚度、采煤机截深、顶煤冒放性等因素。
　　2.精准放煤工艺体系
　　通过合理搭配放煤工艺基本参数，提出了多种放煤工艺以对不同情况的工业生产进行适配，形成了复杂条件下精准放煤工艺体系[9]，如图1-7所示。
　　图1-7精准放煤工艺体系
　　1)多口同时放煤工艺
　　多口同时放煤工艺应用于近水平特厚煤层的综放开采中，沿工作面布置方向同时打开多个相邻或间隔的支架放煤口进行放煤。多口同时放煤操作较单口放煤复杂，且对顶煤放出控制和后部刮板输送机运量的要求较高。
　　进行多口放煤时，*先将工作面放煤支架顺序分组，每组n台放煤支架(n≥2)，在放煤工序中按分组顺序依次打开各组中全部支架的放煤口同时进行放煤作业，以提高放煤效率。在每组支架全部见矸关门后，多口同时放煤工艺采用分组移架及时支护的方式，对该组的n个支架进行移架支护工序，如图1-8所示。
　　图1-8多口同时放煤工艺作业示意图
　　图1-9为单口放煤、双口同时放煤以及三口同时放煤的采空区残煤形态。由于三口同时放煤有效减少了煤岩分界面的扰动次数，同时放煤口长度增加有助于终止煤岩分界面形成向已放煤侧凸出的形态特征，有利于下次放煤时放出体的充分发育，从而扩大放出体和煤岩分界面的相切范围，提高下次放煤的顶煤回收率。由图1-10可知，三口同时放煤有效降低了放出顶煤的含矸率，较单口放煤顶煤回收率提高了3.5个百分点。

目录
前言
第1章 放顶煤开采技术概述 1
1.1 放顶煤开采技术原理及发展 1
1.1.1 放顶煤开采原理 1
1.1.2 综放工作面作业流程 2
1.2 放煤理论及放煤工艺 3
1.2.1 四要素放煤理论 3
1.2.2 常见放煤工艺 3
1.3 智能放煤技术进展 10
1.3.1 智能放煤关键技术 10
1.3.2 智能放煤技术难点与分类 13
1.3.3 非图像识别智能放煤技术进展 14
参考文献 17
第2章 煤岩数字图像处理基础 18
2.1 数字图像基本概念 18
2.1.1 模拟图像与数字图像 18
2.1.2 数字图像相关概念 18
2.1.3 数字图像特点 21
2.2 煤岩图像获取 23
2.2.1 图像采集设备及参数选择 23
2.2.2 多角度成像与光谱成像技术 25
2.2.3 红外成像技术 25
2.2.4 煤岩图像采集的环境因素 26
2.3 煤岩图像预处理 27
2.3.1 图像灰度化的基本原理与方法 27
2.3.2 灰度直方图 29
2.3.3 图像二值化处理的常用算法 30
2.3.4 图像几何变换与校正 35
2.3.5 图像直方图均衡化 40
2.3.6 图像噪声模型 42
2.3.7 图像去噪方法 47
2.3.8 图像伪彩色处理方法 55
2.3.9 运动模糊图像的复原方法 59
2.4 煤岩图像特征提取 66
2.4.1 边缘检测方法 66
2.4.2 灰度、纹理特征 72
2.4.3 形态学特征提取 74
2.4.4 角点检测 77
2.4.5 基于小波变换的特征提取 78
2.4.6 基于卷积神经网络的特征提取 80
2.5 煤岩图像压缩与存储 80
2.5.1 图像压缩算法 80
2.5.2 图像存储格式与数据传输 81
2.5.3 煤岩压缩质量与图像信息的权衡 81
参考文献 82
第3章 煤流图像增强与去噪 84
3.1 放煤过程图像采集环境 84
3.1.1 光照环境 84
3.1.2 粉尘环境 85
3.1.3 煤流堆积与运动 86
3.2 *优光照环境设置 86
3.2.1 煤岩图像特征的照度影响机制 86
3.2.2 照度非接触测量与动态精准调控方法 98
3.2.3 照度调控的感光度与快门速度平替策略 120
3.3 放煤过程粉尘分布与运移规律 127
3.3.1 风速测点与粉尘浓度测点布置 127
3.3.2 风速与粉尘浓度分布规律 129
3.3.3 放煤过程粉尘运移规律 130
3.4 机器视觉系统表面自清洁技术 131
3.4.1 表面自清洁技术概述 131
3.4.2 射流自清洁技术 133
3.4.3 多功能表面超声波自清洁技术 137
3.4.4 激光与静电自清洁技术 142
3.4.5 静电清洁技术 143
3.5 基于可见光与近红外融合的去尘去雾技术 144
3.5.1 图像配准 144
3.5.2 图像融合 145
3.6 基于偏振信息的去雾技术 146
3.6.1 光场电磁学基础 146
3.6.2 偏振成像系统 150
3.6.3 偏振去雾原理 151
3.7 “液体介入+红外检测”煤岩识别技术 152
参考文献 152
第4章 煤流含矸率检测 155
4.1 煤流含矸率检测基本问题 155
4.1.1 图像分割的定义 155
4.1.2 图像分割算法的评价指标 155
4.1.3 不同场景下的煤岩图像 156
4.2 基于**算法的煤岩图像分割 157
4.2.1 煤岩图像分割方法选择 157
4.2.2 基于大津法的煤岩图像分割 159
4.2.3 基于分水岭算法的煤岩图像分割 161
4.3 基于深度学习的煤岩图像分割 162
4.3.1 深度学习分割网络模型选取 162
4.3.2 网络模型优化 172
4.3.3 网络模型参数设置 174
4.3.4 识别结果分析 175
4.3.5 煤流含矸率检测优化方法 190
4.4 煤岩块体重建 191
4.4.1 煤岩块体重建概述 191
4.4.2 实验材料与设备 192
4.4.3 煤岩块体三角网格模型计算 193
4.4.4 煤岩块体高精度重建算法框架 195
4.4.5 算法的实现 195
4.4.6 模型生成结果 206
4.4.7 误差分析 208
4.4.8 算法运行时间统计 214
4.5 煤岩块体扩增 215
4.5.1 煤岩块体扩增概述 215
4.5.2 实验材料与设备 216
4.5.3 煤岩块体形态学基因定点诱变技术 216
4.5.4 结果与分析 227
4.5.5 形态学基因定点诱变的应用 237
4.6 煤岩块体形态学研究 244
4.6.1 煤岩块体形态学研究概述 244
4.6.2 实验材料与设备 246
4.6.3 煤岩块体三角网格模型构建 246
4.6.4 算法的实现 247
4.6.5 算法运行时间统计 257
4.7 煤岩块体体积预测 258
4.7.1 煤岩块体二维投影图像获取方法 258
4.7.2 网格面数选择 259
4.7.3 投影方式确定 260
4.7.4 煤岩块体二维、三维Wadell圆度关系 263
4.7.5 煤岩块体二维投影面积与三维体积关系 264
4.7.6 煤岩块体不同维度形态学特征分布 264
4.7.7 煤岩块体体积预测模型 267
4.8 智能放煤煤流内部体积含矸率预测研究 268
4.8.1 综放工作面数值计算模型的建立 268
4.8.2 研究思路 272
4.8.3 “叠压”因素影响下的体积含矸率预测 273
4.8.4 煤流体积含矸率预测 282
参考文献 289
第5章 复杂外观条件下煤岩识别 291
5.1 复杂外观条件下含矸率检测精度保障策略 291
5.2 基于声振信号的复杂外观条件含矸率检测 293
5.2.1 煤岩声振信号采集与处理 293
5.2.2 试验概况 294
5.2.3 声振信号处理 297
5.2.4 声振信号的时域分析 297
5.2.5 声振信号频域分析 300
5.2.6 声振信号语谱图分析 303
5.2.7 声振信号识别 306
5.3 基于XRF的复杂外观条件含矸率检测 308
5.3.1 实验材料 308
5.3.2 比重测量设备与流程 310
5.3.3 灰分含量测定设备与流程 311
5.3.4 化学元素含量无损测定设备与流程 313
5.3.5 煤岩混合样本制备 315
5.3.6 化学元素含量、比重与灰分关系 316
5.3.7 均质煤岩混合样本含矸率检测 318
5.3.8 煤岩块体混合样本含矸率检测 320
5.4 基于DE-XRT的复杂外观条件含矸率检测 321
5.4.1 试验材料 321
5.4.2 比重、灰分与化学元素测量设备与流程 322
5.4.3 双能X射线透射成像设备与流程 322
5.4.4 煤岩混合样本制备 325
5.4.5 煤岩块体混合样本含矸率检测 326
参考文献 329
第6章 系统开发与应用 330
6.1 智能放煤应用 330
6.1.1 C矿122105综放工作面智能放煤 330
6.1.2 B矿81202综放工作面智能放煤 333
6.1.3 W矿91208综放工作面智能放煤 337
6.2 限高开采应用 340
6.2.1 M矿I0216302工作面概况 340
6.2.2 工作面采煤方法与配套设备 341
6.2.3 智能放煤设备与技术参数 341
6.2.4 应用效果 343
参考文献 345