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红外热成像在排土场稳定性监测中的应用
2017-02-22
随着矿山开采深度和排岩量的不断增加,排土场的高度越来越高,排土场的稳定性将越来越差。如遇 大型降雨,可能会造成滑坡,给矿山生产和生命财产带来危害。因此开展排土场稳定性监测,对于保证矿山安全生产 至关重要。利用红外热成像技术对鞍钢鞍千矿的2 个排土场的稳定性进行了监测,发现了4 处低温异常区域,结合热 力学理论和现场勘查确定异常区域为含水的砂土层。由于这些沙土层本身强度较低,属于弱层,而含水后又增加了 其滑动性,因而给排土场的稳定性造成重要影响。此研究成果为矿山排土场稳定性监测提供了新的技术方法。
Series No. 488 ꢀ Februaryꢀ 2017 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 488期 METAL MINE 2017 年第 2 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 红外热成像在排土场稳定性监测中的应用 1 1 2 3 3 3 孙厚广 ꢀ 熊宏启 ꢀ 邵ꢀ 猛 ꢀ 毛亚纯 ꢀ 张汉康 ꢀ 刘善军 1. 鞍山钢铁集团鞍千矿业公司,辽宁 鞍山 114043;2. 鞍山钢铁集团鞍钢矿业爆破有限公司, 辽宁 鞍山 114043;3. 东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819) ( 摘ꢀ 要ꢀ 随着矿山开采深度和排岩量的不断增加,排土场的高度越来越高,排土场的稳定性将越来越差。 如遇 大型降雨,可能会造成滑坡,给矿山生产和生命财产带来危害。 因此开展排土场稳定性监测,对于保证矿山安全生产 至关重要。 利用红外热成像技术对鞍钢鞍千矿的 2 个排土场的稳定性进行了监测,发现了 4 处低温异常区域,结合热 力学理论和现场勘查确定异常区域为含水的砂土层。 由于这些沙土层本身强度较低,属于弱层,而含水后又增加了 其滑动性,因而给排土场的稳定性造成重要影响。 此研究成果为矿山排土场稳定性监测提供了新的技术方法。 关键词ꢀ 排土场ꢀ 稳定性监测ꢀ GPS 测量机器人 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD854. 7ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2017)-02-109-04 Application of Infrared Thermal Imaging in Monitoring Stability of the Dump 1 1 2 3 3 3 Sun Houguang ꢀ Xiong Hongqi ꢀ Shao Meng ꢀ Mao Yachun ꢀ Zhang Hankang ꢀ Liu Shanjun ( 1. Anshan Steel Group Anqian Mineral Company,Anshan 114043,China;2. Anshan Steel Group Mining Blasting Co. ,Ltd. , Anshan 114043,China;3. College of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China) Abstractꢀ With the increasing of mining depth and the amount of waste rock,the height of dump is becoming higher and higher,and dump stability will be getting worse. In case of heavy rainfall,landslides may be occurred,which may bring huge damages to mine production and lives. Therefore,it is very important to monitor dump stability to ensure mine safety produc- tion. The infrared thermal imaging technology was used to monitor the stability of two dumps of Anqian Mine,and four low tem- perature anomalies were found,combined thermodynamics theory and field investigation the abnormal region was finally con- firmed water-sand layer. Because of the low strength of sand soil layer,it belongs to weak layer,and then its sliding property was increased by water,so it influenced the stability of dump a lot. A new technical method is provided for the stability monito- ring of mine dump via the research result. Keywordsꢀ Dump,Stability monitoring,GPS,Surveying robot ꢀ ꢀ 热成像技术是将不可见的红外辐射转化为可见 作,这是它的一大优点;③实时性,可以动态、实时获 得目标的红外图像,利用这一特点可以跟踪和监测动 态目标的行踪;④全场性,不同于一般的温度测定方 法,热像仪可以直观地显示目标表面的温度场分布, 这使得它在现代无损检测技术中占有重要地位,同时 也使得热应力测量(TSA)技术成为可能;⑤较高的温 度分辨率,现代的热像仪最高的温度分辨率可以达到 10ꢁ3K 级;⑥具有伪彩色显示、数字化数据的计算机 处理等特点。 图像的技术,利用这一技术研制成的装置称为热成像 装置或热像仪,它将红外辐射能量聚集在红外探测器 上,并转换为电子视频信号,经过电子学处理,形成被 测目标的红外热图像,该图像可用显示器显示出来。 与可见光的成像不同之处在于,热成像装置是利用目 标与周围环境之间由于温度与发射率的差异所产生 的热对比度不同,从而把红外辐射能量密度分布图显 示出来,成为“热图像”。 热成像技术具有以下特点:①被动式,不需要配 置辐射源,完全利用目标自身的热辐射来成像;②全 天候,既可以在白天工作,更重要的是也能在夜间工 由于热成像技术具有全天候、实时性、全场性、非 接触性优点,因而在无损检测技术中占有重要的位 置。 它的原理是,当材料存在缺陷时,缺陷处的热性 收稿日期ꢀ 2016-09-22 基金项目ꢀ 国家自然科学基金项目(编号:41371437),“十三五”国家科技支撑计划项目(编号:2015BAB15B01)。 作者简介ꢀ 孙厚广(1982—),男,工程师。 · 109· 总第 488 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2017 年第 2 期 能与周围不同,从而导致温度场的不一致,而利用热 像仪就可以将这种不一致探测出来。 目前这项技术 2ꢀ 研究区概况 鞍千矿业有限责任公司为大型采选联合企业,设 [ 1] [2] [3] 已被广泛应用于金属材料 、塑料 、陶瓷 、混凝 计生产能力为采剥总量 3 140 万 t/ a、铁矿石 1 300 万 t/ a、选矿原矿处理量 800 万 t/ a。 矿区有 3 个排土 场,分别为许东沟、哑巴岭、西大背排土场。 其中许东 沟排土场北坡高度达到 160 m,目前已经封闭,停止 了排放。 该排土场由于排放量较大,经历时间较长, 稳定性较差,曾于 2009 年发生过滑坡,但未造成人员 伤亡与财产损失。 由于该排土场北坡下方有 2 条尾 矿输送管道以及一些当地住户,为保证矿山生产安 全,对该边坡进行了位移监测。 [ 4] [5] [6] [7] [8] 、化合材料 、结构 、工程建筑 及文物 的 缺陷检测中。 土 1 ꢀ 排土场红外热成像监测原理 排土场是矿山堆放固体废弃物的地方,主要为一 些岩石和土的混合物。 岩石按照尺度大小可以分为 块状岩石(2 mm 以上)和砂状岩石(0. 005 ~ 2 mm)。 砂状岩石又分为粗砂(粒径 2 ~ 0. 5 mm)、中砂(0. 5 ~ 0. 1 mm)、细砂(0. 1 ~ 0. 05 mm) 和粉砂(0. 05 ~ 0 . 005 mm)。 而土的颗粒度在 0. 005 mm 以下。 在这 哑巴岭排土场位于采区的东南部,最大高差为 113 m,为矿山现有的汽车排土场。 排土场的北侧边 坡目前已停止排放,但紧邻采区,存在一定的安全隐 患,因此也对其进行了稳定性监测和研究。 些颗粒当中,粉砂和土(统称沙土)由于颗粒度较小, 透水性较差,当含水后水在重力的作用下不易发生流 动,因而滞留在颗粒中。 由于排土场中存在较小颗粒的沙土,经常会含 水。 由于水的热容量和热惯量较大,导致在同样的热 力学条件下,含水岩土层的温度变化要小于干燥岩 石。 此外,由于水存在蒸发作用,会导致温度下降,因 而造成含水沙土层的温度比周围岩石温度低的现象。 所以根据上述原理,利用热成像技术就可以将含水的 沙土弱层检测出来。 排土场堆砌的主要为一些岩土混合物,岩石主要 为太古至早元古代的老变质岩及混合花岗岩,此外包 括一些较为坚硬的低品位的磁铁石英岩。 软岩主要 有绿泥石片岩、石英片岩和千枚岩等。 除块状岩石 外,还夹杂着一些细粒沙土层,一般呈现黄褐色,且含 水。 排土场由于存在一些稳定性差的软岩和细粒的 沙土等,影响了其稳定性。 过去的研究表明,当内含水体的混凝土破裂渗水 3ꢀ 监测方案 [ 9] 时,渗水部位的温度会降低 ( 见图 1)。 文献[10] 利用热成像对峪耳崖金矿的井下检测中发现,在渗水 或涌水量较大的巷道,其温度明显低于干燥或渗水量 较小的巷道,并且出水部位的温度明显低于周围岩石 区域。 本研 究 使 用 德 国 生 产 的 型 号 为 VarioSCAN ꢁ 3021ST 的高分辨率制冷、扫描式红外热成像设备进 行边坡扫描观测。 该设备波长 8 ~ 12 μm,碲镉汞 (HgCdTe)扫描式制冷型探测器,360×240 像素;热灵 敏度﹤ 0. 03 ℃@ 30 ℃,成像速率 1 Hz,测温范围在ꢁ 4 0 ~ +1 200 ℃。 它是目前商业领域较高级别的热成 像设备,也是现代化的高级科研设备。 利用该设备可 以实时进行目标物体的辐射温度场获取。 此外,使用高空间分辨率佳能 40D 数码相机进 行边坡照片拍摄,以便于在热像数据后处理中进行热 红外热像与可见光照片的对比,以及热像异常位置的 标定和现场确认。 本研究分别在许东沟排土场、哑巴岭排土场进行 了热成像观测。 其中许东沟老排土场共布置了 8 个 监测点,哑巴岭排土场布置了 4 个监测点。 在每个监测点对所观测区域进行了全方位整体 性扫描观测,并记录数据(见图 2),然后通过软件提 取温度数据,生成热像图。 分析热像图中的温度场特 征,配合可见光照片找出温度异常区域,结合热力学 分析以及现场踏勘,分析异常区的岩性、含水性等地 质特征,进而确定排土场含水沙土弱层和影响排土场 稳定的潜在滑坡危险区。 其检测技术路线如图 3 所 图 1ꢀ 混凝土破裂与渗水过程中试样的热像变化 Fig. 1ꢀ Thermal image change of the sample in the concrete cracking and water seepage process · 110· ꢀ ꢀ ꢀ 孙厚广等:红外热成像在排土场稳定性监测中的应用ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2017 年第 2 期 示。 均匀,未发现明显低温条带区域。 图 5 中的高温区域 呈现暗色),比周围岩石的温度高 2 ~ 3 ℃。 现场勘 ( 查表明这些区域为松散堆积的岩石碎块,在太阳照射 下,温度升高较快,导致温度较周围区域高的现象。 图 2ꢀ 红外热成像监测现场 Fig. 2ꢀ Scene of infrared thermal image monitoring 图 5ꢀ 哑巴岭排土场的热成像监测结果 Fig. 5ꢀ Monitoring results of the infrared thermal image for Yabaling dump 5 ꢀ 结ꢀ 论 利用红外热成像技术对鞍千矿的 2 个排土场进 行了探测分析,发现了 4 处热像异常区域,均分布在 许东沟排土场。 这些低温区域的温度比周围的岩石 低 5 ~ 6 ℃,主要是由于小颗粒的沙土内部含水导致 温度偏低。 由于这些沙土层本身强度较低,属于弱 层,而含水后又增加了其滑动性,所以它的存在将给 排土场的稳定性造成重要影响,成为排土场重点监测 的区域。 在哑巴岭排土场热成像检测中未发现含水 弱层。 图 3ꢀ 红外热像仪探测技术路线 Fig.3ꢀ Infrared thermal imaging detection technology roadmap 4 ꢀ 监测结果分析 通过对许东沟老排土场边坡的多站、全方位热成 像观测,并经过数据处理分析和温度场的异常判别, 结果在许东沟排土场发现了 4 处热像异常区域,它们 皆呈现低温条带的热像特征,如图 4 所示。 这些低温 区域的温度比周围的岩石低 5 ~ 6 ℃。 这次热成像的监测结果表明,利用热成像技术进 行矿山排土场边坡观测,可以发现热像中存在的低温 异常,进而确定排土场含水弱层。 在此基础上确定影 响排土场稳定性的危险区域,为矿山进一步采取变形 观测和工程措施提供依据。 本研究成果为矿山排土 场稳定性监测提供了新的技术方法。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ 1] ꢀ Nemat N S, Guo G W, Kihl D P. Thermomechanical response of AL6XN stainless steel over a wide strain rates and temperature[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids,2001,49:1823- 1846. 图 4ꢀ 许东沟排土场的热成像监测结果 Fig. 4ꢀ Monitoring results of the infrared thermal image for Xudonggou dump 2]ꢀ Bison P G,Braggiotti A,Bressan C,et al. Crawling spot thermal non- destructive testing(NDT) for plaster inspection and comparison with dynamic thermography with extending heating[J]. Proc SPIE,1995, 通过现场的勘查发现,这些低温区域为对应排土 场中的沙土存在的区域。 造成低温的原因是,沙土富 含水,因水热容量较大,且存在蒸发效应,造成温度较 周围岩石偏低现象。 沙土层本身强度较低,属于弱 层,而含水后又增加了其滑动性。 沙土层的存在必将 给排土场的稳定性造成重要影响,应该引起重视。 该 区域被划分为位移监测的重点区域。 2 473:53-63. [ [ [ 3]ꢀ Green D R. Thermal and infrared nondestructive testing of compos- ites and ceramics [ J] . Materials Evaluation,1971,29 ( 11 ):241- 248. 4] ꢀ Stanley C,Balendran R V. Non-destructive testing of the external surfaces of concrete buildings in Hong Kong using infrared thermog- raphy[J]. Concrete,1994,28:35-37. 在哑巴岭排土场的热成像监测共设置 4 个监测 点。 通过对排土场的全方位热成像观测,并经过数据 处理分析,进行温度场的异常判别分析,结果如图 5 所示。 从图 5 可以看出,哑巴岭排土场的温度场较为 5]ꢀ Wong B S,Tui C G,Bai W,et al. . Thermographic evaluation of de- fects in composite materials[J]. Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring,1999,41(8):504-509. · 111· 总第 488 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2017 年第 2 期 [ [ 6]ꢀ Titman D J. Application of thermography in non destructive testing of structures[J]. NDT & E international. 2001,34:149-154. Liu Shanjun,Zhang Yanbo, Wu Lixin,et al. Infrared radiation fea- ture of concrete during fracturing and water seepage process[ J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(1): 53-58. 7]ꢀ Gayo E,De Frutos E,Palomo A. Selective infrared thermography:ap- plication to detection of humidity in building[C] ∥Proc QIRT-94. Eurotherm Seminar,1994,42:310-314. [10]ꢀ 刘善军,徐忠印,吴立新,等. 遥感ꢁ岩石力学在矿山应用的试 验研究[J]. 金属矿山,2011(7):61-65. [ [ 8]ꢀ Moropoulou A,Koui M,Avdelidis N P. Infrared thermography as an NDT tool in the evaluation of materials and techniques for the protec- tion of historic monuments[J]. Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring,2000,42(6):379-383. Liu Shanjun,Xu Zhongyin,Wu Linxin,et al. Application test of re- mote sensing rock mechanics in mine[J]. Metal Mine,2011(7): 61-65. 9]ꢀ 刘善军,张艳博,吴立新,等. 混凝土破裂与渗水过程的红外辐 射特征[J]. 岩石力学与工程学报,2009,28(1):53-58. ( 责任编辑ꢀ 石海林) · 112·
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