基于图像分析的煤岩冲击破坏特征研究

发布时间：2020-08-17 14:23

【摘要】：在煤矿开采工程中,煤与瓦斯突出和冲击地压等灾害都伴随着煤或岩石的冲击破坏,研究煤岩体在冲击加载下的破坏特征对预防煤岩动力灾害有重大意义。且由于煤和岩石的抗拉强度远小于其抗压强度,煤岩体在发生失稳破坏的过程中,拉伸破坏往往占据了主要的部分。国内外学者利用应力应变曲线对煤岩体在冲击拉伸破坏下的破坏过程进行了描述并其动力学特性进行了研究,取得了丰硕的研究成果。然而,应力应变曲线在描述煤岩体破坏过程时只是作为一种间接的方式,并不能完全地反映煤岩体破坏的过程。同时,煤岩体在冲击加载下的失稳破坏过程往往伴随着裂纹的萌生、演化到贯通,其表面产生的裂纹既是衡量煤岩体在动态冲击下破坏状态的表现形式,也是煤岩体当前状态最直接的体现,因此通过裂纹扩展的图像信息可以更好地反映煤岩体的破坏过程。然而由于阈值分割等传统图像处理算法无法准确地对煤岩体裂纹进行自动识别和定量化,目前应用裂纹特征描述煤岩体破坏过程的研究较少。因此需要设计一个可以对煤岩体裂纹进行自动识别和定量化的方法,进而研究煤岩体在冲击破坏过程中的裂纹扩展特征及其与动力学特征的关系,为进一步揭示煤岩体的破坏过程提供一种新的技术手段。鉴于此,本文采用分离式大直径霍普金森压杆作为冲击加载条件,制作了圆盘形砂岩以及垂直和平行层理方向的煤样试件,利用超动态应变仪和高帧率摄像机同步采集了煤岩体在冲击破坏下的应力波信号和破坏视频图像。通过设计的深度卷积神经网络CrackSHPB模型对煤岩体破坏过程中的裂纹进行了识别和定量,并研究了不同冲击速度下,砂岩和不同层理方向的煤样在动态劈裂拉伸破坏过程中的动力学特性、裂纹演化扩展规律以及二者之间的关系。最后,基于非局部近场动力学理论,分别对砂岩和煤的SHPB动态冲击破坏实验进行了建模、求解和分析。本文的具体研究内容和结果如下:(1)SHPB冲击加载下煤岩图像处理方法研究基于数字图像处理技术、超分辨重构算法以及深度学习理论对煤岩破坏视频图像数据进行了3个方面的研究:(1)提出了一个包括“局部滤波—平均曲率流计算—直方图均衡化”的煤岩图像处理流程,结果表明该方法可以有效地去除煤岩体表面的噪声干扰、提高煤岩体裂纹与其背景的对比度并保留裂纹的原始特征形态。(2)针对SHPB冲击破坏过程中采集到的煤岩图像分辨率较低的问题,在保证图像质量的情况下对低分辨率的煤岩裂纹图像进行了3倍的超分辨率重构。(3)为了实现SHPB冲击破坏下对煤岩体裂纹的自动识别,提出并实现了1个具有44万个权重参数的CrackSHPB模型,在TensorFlow深度学习框架中对其进行了实现。采用RatSnake开源标注软件,创建了2个SHPB冲击下煤岩裂纹的高质量数据集,分别包括了310张砂岩破坏裂纹图像以及500张煤样破坏裂纹图像。提出4个可以从不同角度评价煤岩体裂纹算法优劣性的指标:precision、recall、F1-score以及AUC ROC。通过创建的数据集和提出的评价指标对实验中煤岩图像的裂纹进行了识别,结果表明CrackSHPB模型在对煤岩体裂纹识别上各个指标都取得了较高的准确率。在对BXY砂岩的裂纹识别上,CrackSHPB分别在precision、recall、F1-score和AUC ROC上取得了89.5%,87.4%,88.1%和84.0%的准确率。在对BCM和BPM煤样的裂纹识别上,CrackSHPB分别在precision、recall、F1-score和AUC ROC上取得了85.9%和75.2%,72.1%和96.8%,77.1%和83.7%,以及74.8%和93.8%的准确率。(2)SHPB冲击加载下煤岩动力学特征研究通过应变片及超动态应变仪采集了煤岩SHBP冲击破坏实验中的应力波数据,研究了煤岩体在冲击破坏下的动力学特性。(1)采用EMD分解和HHT变换对实验测得的应力波数据进行了滤波处理,之后采用“二波法”公式计算了煤岩体的应力应变关系、动态抗拉强度、应变率、破坏应变、应变能以及比能量吸收值等动力学参数。(2)砂岩与煤在冲击破坏过程中的应力应变曲线基本一致,可以划分为初始压密阶段、弹性变形阶段、裂纹扩展阶段、快速变形阶段以及卸载阶段。较为不同的是砂岩试件通常先于煤样试件到达应力峰值,进入塑性区的应变值通常只有煤样一半大小,且砂岩初始压密阶段特征并不明显。砂岩与煤的应变-应变能密度曲线变化趋势基本相同,大致可以划分为:缓慢增长阶段、快速增长阶段以及平稳保持阶段。(3)最大应变率和平均应变率都会影响砂岩材料的动态抗拉强度,且最大应变率较平均应变率对其动态抗拉强度的影响更为明显。而煤体的应变率与动态抗拉强度并无明显关系。对于垂直层理加载的煤样,其平均应变率主要集中在60-70s~(-1)内,而对于平行层理加载的煤样,其最大应变率主要集中在100-106s~(-1)内。(4)垂直层理加载煤样的动态抗拉强度普遍高于平行层理加载方向的煤样,说明在在垂直方向煤的动态抗拉性更强。随着冲击速度的增加,平行层理煤样的动态抗拉强度变化幅度普遍大于垂直层理方向。同时,平行层理方向加载煤样的破坏应变和应变率均大于垂直层理方向加载的煤样。(5)冲击速度对煤岩体动力学特征有较大的影响。当冲击速度较小时,砂岩的最大应变率及动态抗拉强度保持不变,随着冲击速度的增加,砂岩的动态抗拉强度迅速减小,最大应变率增加。而煤的应变率都在较小的变化范围内波动。(3)SHPB冲击加载下煤岩裂纹扩展特征研究通过提出的CrackSHPB模型、裂纹定量化方法和裂纹特征参数,对冲击破坏实验中33组煤岩体产生的裂纹进行了识别、定量和特征分析。结果表明:(1)煤岩体裂纹起裂后,其裂纹面积增长速率及裂纹沿X-Y轴的扩展速率基本符匀速增长特性。(2)对于煤岩动态巴西圆盘劈裂实验,其表面裂纹破坏从中心起裂,逐渐演化扩展到试件两端,与静态的破坏形式相似,在一定程度上符合Griffith强度准则。对于表面层理与入射杆呈一定倾角的煤样,其裂纹从试件中心位置发生起裂,随着中心主裂纹的扩展,层理方向慢慢产生次生裂纹,之后与中心裂纹一起扩展直至中心裂纹发生贯通,导致煤岩体的破坏失稳。(3)由于层理的存在,煤岩体在破坏过程中产生的裂纹除中心主裂纹外,次生裂纹大多分别在加载轴两侧,具有一定的离散性。就破坏后的形态而言,平行层理方向加载的煤样更具有多样性,且垂直层理加载煤样的裂纹形态与砂岩裂纹的最大区别在于次生裂纹的形态。(4)煤岩体在SHPB冲击破坏过程中表面产生的裂纹具有良好的分形特征,且分形维数在冲击过程中逐渐增大。砂岩和煤样的分形维数范围分别在0.8~1.2以及0.6~1.4之间。(4)煤岩冲击破坏动力特征数与裂纹扩展特征的对比研究(1)冲击速度对煤岩体的裂纹特征有较大的影响。随着冲击速度的增加,砂岩裂纹面积逐渐增加之后有微小的降低,裂纹沿Y方向的扩展速率一直增加。而煤的裂纹面积表现出先降低后增加的变化趋势,裂纹沿Y方向扩展速率同样表现出先降低后增加的变化趋势。(2)煤岩体在受到冲击后,并没有立刻出现裂纹,但应力逐渐增加。同时煤在受冲击后出现裂纹的时间要远大于砂岩,说明煤进入塑性区需要更长的时间,这主要是由于煤在进入塑性区前既包括弹性变形阶段,又包括压密阶段。当出现裂纹后,随着裂纹面积的增加,煤岩体的应力逐渐降低,裂纹面积与残余应力呈现较好的二次函数关系。随着裂纹面积增长速率的增加,砂岩和煤的应力下降速率逐渐增大,说明煤岩材料在发生破坏失稳后其裂纹面积增长的越快,其所能承受的应力下降越快。在与裂纹特征的关系中,随着裂纹面积增长速率的增加,砂岩与煤的应力峰值均表现为先升高后下降的趋势。(3)在煤岩体受冲击出现裂纹后,砂岩与煤的应变随裂纹面积的增加都逐渐增加,不同的是岩石的应变与裂纹面积呈线性关系,而煤的应变与裂纹面积符合二次函数的关系。砂岩试件的平均应变率与破坏过程中裂纹面积增长速率表现出了明显的负相关性。而随着裂纹面积增长速率的增加,煤的应变率都在较小范围内波动。(5)非局部近场动力学在煤岩冲击破坏模拟中的应用研究本文建立的煤岩冲击破坏模型通过7860个材料点的位置变化可以清晰地描述裂纹的起裂、扩展过程以及贯通后的裂纹形态,与实验采集的破坏图像基本一致,且本文建立的模型对其次生裂纹也进行了较好的模拟。同时模拟得出的应力应变关系与实验结果也较为一致,验证了实验和模拟的准确性。此外,模拟中计算了整个煤岩体表面的损伤分布、应变分布、应力分布以及位移分布,并结合实验结果对其进行了分析,解释了煤岩体在冲击加载下裂纹从中心起裂的原因。同时在模拟的过程中发现,由所有尚未损伤材料点(弹性部分)的总应变能W计算出的应力-应变关系即使在塑性区与实验得到的结果也较为吻合。这从另一方面说明了煤岩体在进入塑性区后,可以认为其受到的残余应力是由材料的未破坏部分的弹性能释放导致的。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD324
【图文】：

中的裂纹区域发生弱化和虚化的现象；（2）采用全局的滤波方式会增加更多的计算时间。因此，在对煤岩图像滤波时，我们需要在去掉标定线的同时，不对图像的其他的区域带来影响，特别是煤岩体表面裂纹的区域。本文在处理时首先利用表定点的坐标找到各个标定点，之后用一个 3x3 的区域块的中间值来对此点进行替代，具体计算公式如下所示：1 11 11( , ) ( , )9m nI i j I i m j n (2.9)煤岩图像去除标定点的结果如图 2.4 所示。(a) 岩石原始图像 (b) 岩石滤波后图像

| |tu (2.11)传统增加维度的方式主要是计算高斯曲率和主曲率等，之后再对曲率的大小进行各向异性的扩散。这种几何流的方式在理论上是十分完美的，但是忽略了一个最为主要的问题，即系统处理的数字图像是离散的。虽然仍可以计算诸如梯度、方向导数、张量等参数，但是由于方程的不连续，导致了有些图像中有些点出现二阶不可导现象。对于煤岩体表面的图像，由于裂纹的存在，我们既希望去除背景的高频噪声，又希望裂纹及其边缘附近的较高频信号保留，同时，我们尽可能要保证图像的原始特征，传统的带通滤波器可以对频率进行选择滤除，但是不具有通用性，因为每一张图像的裂纹形态、光照以及背景噪声都在频率域上表现出了较大的不同，而采用平均曲率流的方式则可以很好的解决这一问题。如图 2.5 所示，可以看到经过平均曲率流处理后的煤体图像中既保留了裂纹的边缘信息，又对背景噪声进行了有效的滤除。同时也注意到，虽然经过平均曲率流处理后，其背景噪声基本去除，但裂纹与其背景的对比度仍然很低，因此需要进一步处理。

可以有效地提高图像的全局对比度。同时，直方图均衡化也是一个可逆的操作，这对于之后的图像复原也有重要意义[168]。直方图分析往往是作为图像处理的第一步，它是对图像中存在的灰度值进行分布统计，即横坐标代表了灰度值，纵坐标代表了该灰度值下像素点的个数，通过将图像的直方图展示出来可以直观地看到整个图像中像素灰度值的分布情况。图 2.6 分别为煤岩两种试件的灰度直方图，从中我们可以明显地看出裂纹（灰度值低的区域）占据了较少的部分。特别地，由于煤体图像的特殊性，其直方图与砂岩的有很大差别，并没有一个明显的波谷。(a) 岩石图像 (b) 煤样图像

本文编号：2795441