基于二次表面活性剂干预与红外热成像的长壁放顶煤开采原位煤矸识别增强技术

《International Journal of Mining Science and Technology》：Enhancing in-situ coal-gangue identification in LTCC mining via secondary surfactant intervention and infrared thermography

　　

准确识别原位煤与矸石是智能化开采的核心环节，尤其在长壁放顶煤（LTCC）开采中，可实现矸石混入率的精准调控并提升资源回收率。本研究在传统“液体干预+红外检测”方法基础上引入二次干预策略。结果表明，二次干预可稳定增强煤与矸石间的热对比度：红外图像识别平均准确率由一次干预后的79.14%提升至93.75%，增幅达14.61%；煤与矸石的平均接触角差值由一次干预后的16.64°扩大至33.80°，增幅17.16°；液滴面积差值增大4.94倍。综合温度差、形态识别准确率及液滴接触角与面积分析，质量浓度0.06 wt%的无患子皂苷（SS）+十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）环保复合表面活性剂（EFCS）表现最优。该研究推进了基于红外的液体干预识别技术发展，为构建更绿色、智能的煤炭生产系统提供了支撑。

研究背景与意义

我国每年新增矸石约2亿吨，累计堆存量超70亿吨，不仅造成资源浪费，更引发生态污染与社会经济负担。将煤矸石资源化用于混凝土骨料是循环经济的前沿方向，其核心前提是建立高效的井下煤矸识别系统。长壁放顶煤（LTCC）工作面的智能化关键在于矸石混入率（G_MR）的动态控制，但现有可见光识别技术受井下高粉尘、低照度环境影响严重，而单纯红外热成像因煤与矸石热辐射特性相近导致区分能力有限。为此，研究人员提出主动液体干预技术，通过喷洒表面活性剂溶液改变煤与矸石表面的润湿与换热特性，放大两者在红外图像中的温差与形态差异。然而，单次干预易受表面纹理、粉尘附着等因素干扰，因此本研究提出二次干预优化策略，旨在进一步提升识别可靠性，相关成果发表于《International Journal of Mining Science and Technology》。

关键技术方法

研究人员搭建了“液体干预+红外检测”的双模态（可见光+红外）煤矸图像识别实验系统，采用可调速度输送机模拟放煤过程，以无患子皂苷（SS）为基础复配7种环保复合表面活性剂（EFCS），设置0.02、0.04、0.06、0.08 wt%四个浓度梯度。通过接触角测量、红外热成像监测获取液滴润湿与表面温度变化数据，结合COMSOL Multiphysics软件开展流固耦合数值模拟，揭示干预次数对液滴扩散与传热的影响机制。图像处理采用改进的滚动球半径（RBR）优化算法，基于500张序列红外图像计算矸石混入率与识别准确率。

研究结果

1. 1.
   红外热实验结果与分析
   3.1 环保表面活性剂对温度变化的影响
   无论何种EFCS类型与浓度，二次干预均能进一步降低煤与矸石表面温度，且煤的温度降幅始终大于矸石，从而扩大二者温差。Tukey显著性检验显示，当EFCS为SS+NP（非离子+非离子复配）、浓度0.06 wt%时，煤与矸石温差达到最大值。
   3.2 基于可见与红外图像的形态识别
   研究人员改进了形态分割算法，通过优化滚动球半径（RBR）参数有效消除红外温度场杂点，保留煤块真实形态特征。定量分析表明，二次干预后实测与识别的矸石混入率高度吻合，形成清晰的对角线分布。二次干预将煤形态识别误差率最大降低53.02%，识别准确率最高提升32.71%，单帧图像处理平均耗时仅0.007秒，满足实时处理需求。统计结果显示，SS+CTAB复配体系在二次干预后识别准确率最高（97.90%），非离子+阳离子复配类型整体表现最优，最佳作用浓度为0.06 wt%。
2. 2.
   干预次数增加的相互作用机制演化
   4.1 基于接触角测量的润湿性分析
   接触角测量表明，二次干预后煤表面液滴形态趋于“矮胖”，矸石表面液滴趋于“扁平”。二次干预显著扩大了煤与矸石的接触角与面积差异：煤表面液滴面积增大，矸石表面接触角与面积均减小。Tukey检验显示，单一无患子皂苷（SS）在一、二次干预中均产生最大的接触角差异，而SS+CTAB则表现出最大的液滴面积差异，这与该体系的识别准确率最优结果一致，证实液滴面积差异是影响红外图像质量的关键因素。
   4.2 煤/矸流体相互作用的动态过程模拟
   采用COMSOL建立层流两相流相场模型，耦合非等温流动传热接口，模拟液滴在煤与矸石表面的扩散与换热过程。模拟结果与物理实验液滴形态高度吻合。一次干预时，液滴在矸石表面扩散更快，形态扁平宽大，煤表面液滴则更高耸圆润，温差差异不显著。二次干预增加了液滴与环境对流的换热面积并形成液桥维持液滴活性：矸石表面液滴低温核心快速消散且热覆盖面积更大，煤表面液滴则保留稳定的低温核心，从而在红外图像中形成显著的形态与温度场差异。

讨论与结论

讨论部分指出，煤表面的强疏水性导致液滴接触角大、径向扩散速度慢，液相内部流动弱，形成并维持低温核心；而矸石表面亲水性强，液滴快速铺展，内部对流换热剧烈，低温区域迅速消失。现场应用中，已有喷雾降尘形成的预湿润表面等效于实验中的二次干预，建议采用高频高精度红外相机保障动态识别效果；同时需注意矿井工业用水与实验用水的成分差异可能影响表面活性剂性能，后续将针对矿井水适配性开展研究。

研究结论可归纳为五点：第一，二次干预通过增强煤与矸石表面失热的异质性，将红外识别平均准确率从79.14%稳定提升至93.75%，增幅14.61%。第二，二次干预使煤与矸石接触角差值从16.64°扩大至33.80°，液滴面积差值增大4.94倍，接触角与铺展面积是液膜形态及换热效率差异的根本原因。第三，综合各项指标，0.06 wt%的SS+CTAB环保复合表面活性剂表现最优，最适用于现场应用。第四，优化滚动球半径（RBR）算法可使识别准确率最高提升32.71%，煤形态误差率最大降低53.02%，单帧处理耗时仅0.013秒，满足实时性要求。第五，数值模拟证实二次干预促使煤表面形成多层液膜与稳定低温核心，同时扩大矸石表面对流冷却面积，导致二者红外温度场显著分化，大幅提升识别区分度。