【摘要】：在煤礦開采工程中,煤與瓦斯突出和沖擊地壓等災(zāi)害都伴隨著煤或巖石的沖擊破壞,研究煤巖體在沖擊加載下的破壞特征對預(yù)防煤巖動力災(zāi)害有重大意義。且由于煤和巖石的抗拉強度遠小于其抗壓強度,煤巖體在發(fā)生失穩(wěn)破壞的過程中,拉伸破壞往往占據(jù)了主要的部分。國內(nèi)外學(xué)者利用應(yīng)力應(yīng)變曲線對煤巖體在沖擊拉伸破壞下的破壞過程進行了描述并其動力學(xué)特性進行了研究,取得了豐碩的研究成果。然而,應(yīng)力應(yīng)變曲線在描述煤巖體破壞過程時只是作為一種間接的方式,并不能完全地反映煤巖體破壞的過程。同時,煤巖體在沖擊加載下的失穩(wěn)破壞過程往往伴隨著裂紋的萌生、演化到貫通,其表面產(chǎn)生的裂紋既是衡量煤巖體在動態(tài)沖擊下破壞狀態(tài)的表現(xiàn)形式,也是煤巖體當前狀態(tài)最直接的體現(xiàn),因此通過裂紋擴展的圖像信息可以更好地反映煤巖體的破壞過程。然而由于閾值分割等傳統(tǒng)圖像處理算法無法準確地對煤巖體裂紋進行自動識別和定量化,目前應(yīng)用裂紋特征描述煤巖體破壞過程的研究較少。因此需要設(shè)計一個可以對煤巖體裂紋進行自動識別和定量化的方法,進而研究煤巖體在沖擊破壞過程中的裂紋擴展特征及其與動力學(xué)特征的關(guān)系,為進一步揭示煤巖體的破壞過程提供一種新的技術(shù)手段。鑒于此,本文采用分離式大直徑霍普金森壓桿作為沖擊加載條件,制作了圓盤形砂巖以及垂直和平行層理方向的煤樣試件,利用超動態(tài)應(yīng)變儀和高幀率攝像機同步采集了煤巖體在沖擊破壞下的應(yīng)力波信號和破壞視頻圖像。通過設(shè)計的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CrackSHPB模型對煤巖體破壞過程中的裂紋進行了識別和定量,并研究了不同沖擊速度下,砂巖和不同層理方向的煤樣在動態(tài)劈裂拉伸破壞過程中的動力學(xué)特性、裂紋演化擴展規(guī)律以及二者之間的關(guān)系。最后,基于非局部近場動力學(xué)理論,分別對砂巖和煤的SHPB動態(tài)沖擊破壞實驗進行了建模、求解和分析。本文的具體研究內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)SHPB沖擊加載下煤巖圖像處理方法研究基于數(shù)字圖像處理技術(shù)、超分辨重構(gòu)算法以及深度學(xué)習(xí)理論對煤巖破壞視頻圖像數(shù)據(jù)進行了3個方面的研究:(1)提出了一個包括“局部濾波—平均曲率流計算—直方圖均衡化”的煤巖圖像處理流程,結(jié)果表明該方法可以有效地去除煤巖體表面的噪聲干擾、提高煤巖體裂紋與其背景的對比度并保留裂紋的原始特征形態(tài)。(2)針對SHPB沖擊破壞過程中采集到的煤巖圖像分辨率較低的問題,在保證圖像質(zhì)量的情況下對低分辨率的煤巖裂紋圖像進行了3倍的超分辨率重構(gòu)。(3)為了實現(xiàn)SHPB沖擊破壞下對煤巖體裂紋的自動識別,提出并實現(xiàn)了1個具有44萬個權(quán)重參數(shù)的CrackSHPB模型,在TensorFlow深度學(xué)習(xí)框架中對其進行了實現(xiàn)。采用RatSnake開源標注軟件,創(chuàng)建了2個SHPB沖擊下煤巖裂紋的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集,分別包括了310張砂巖破壞裂紋圖像以及500張煤樣破壞裂紋圖像。提出4個可以從不同角度評價煤巖體裂紋算法優(yōu)劣性的指標:precision、recall、F1-score以及AUC ROC。通過創(chuàng)建的數(shù)據(jù)集和提出的評價指標對實驗中煤巖圖像的裂紋進行了識別,結(jié)果表明CrackSHPB模型在對煤巖體裂紋識別上各個指標都取得了較高的準確率。在對BXY砂巖的裂紋識別上,CrackSHPB分別在precision、recall、F1-score和AUC ROC上取得了89.5%,87.4%,88.1%和84.0%的準確率。在對BCM和BPM煤樣的裂紋識別上,CrackSHPB分別在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%的準確率。(2)SHPB沖擊加載下煤巖動力學(xué)特征研究通過應(yīng)變片及超動態(tài)應(yīng)變儀采集了煤巖SHBP沖擊破壞實驗中的應(yīng)力波數(shù)據(jù),研究了煤巖體在沖擊破壞下的動力學(xué)特性。(1)采用EMD分解和HHT變換對實驗測得的應(yīng)力波數(shù)據(jù)進行了濾波處理,之后采用“二波法”公式計算了煤巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、動態(tài)抗拉強度、應(yīng)變率、破壞應(yīng)變、應(yīng)變能以及比能量吸收值等動力學(xué)參數(shù)。(2)砂巖與煤在沖擊破壞過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本一致,可以劃分為初始壓密階段、彈性變形階段、裂紋擴展階段、快速變形階段以及卸載階段。較為不同的是砂巖試件通常先于煤樣試件到達應(yīng)力峰值,進入塑性區(qū)的應(yīng)變值通常只有煤樣一半大小,且砂巖初始壓密階段特征并不明顯。砂巖與煤的應(yīng)變-應(yīng)變能密度曲線變化趨勢基本相同,大致可以劃分為:緩慢增長階段、快速增長階段以及平穩(wěn)保持階段。(3)最大應(yīng)變率和平均應(yīng)變率都會影響砂巖材料的動態(tài)抗拉強度,且最大應(yīng)變率較平均應(yīng)變率對其動態(tài)抗拉強度的影響更為明顯。而煤體的應(yīng)變率與動態(tài)抗拉強度并無明顯關(guān)系。對于垂直層理加載的煤樣,其平均應(yīng)變率主要集中在60-70s~(-1)內(nèi),而對于平行層理加載的煤樣,其最大應(yīng)變率主要集中在100-106s~(-1)內(nèi)。(4)垂直層理加載煤樣的動態(tài)抗拉強度普遍高于平行層理加載方向的煤樣,說明在在垂直方向煤的動態(tài)抗拉性更強。隨著沖擊速度的增加,平行層理煤樣的動態(tài)抗拉強度變化幅度普遍大于垂直層理方向。同時,平行層理方向加載煤樣的破壞應(yīng)變和應(yīng)變率均大于垂直層理方向加載的煤樣。(5)沖擊速度對煤巖體動力學(xué)特征有較大的影響。當沖擊速度較小時,砂巖的最大應(yīng)變率及動態(tài)抗拉強度保持不變,隨著沖擊速度的增加,砂巖的動態(tài)抗拉強度迅速減小,最大應(yīng)變率增加。而煤的應(yīng)變率都在較小的變化范圍內(nèi)波動。(3)SHPB沖擊加載下煤巖裂紋擴展特征研究通過提出的CrackSHPB模型、裂紋定量化方法和裂紋特征參數(shù),對沖擊破壞實驗中33組煤巖體產(chǎn)生的裂紋進行了識別、定量和特征分析。結(jié)果表明:(1)煤巖體裂紋起裂后,其裂紋面積增長速率及裂紋沿X-Y軸的擴展速率基本符勻速增長特性。(2)對于煤巖動態(tài)巴西圓盤劈裂實驗,其表面裂紋破壞從中心起裂,逐漸演化擴展到試件兩端,與靜態(tài)的破壞形式相似,在一定程度上符合Griffith強度準則。對于表面層理與入射桿呈一定傾角的煤樣,其裂紋從試件中心位置發(fā)生起裂,隨著中心主裂紋的擴展,層理方向慢慢產(chǎn)生次生裂紋,之后與中心裂紋一起擴展直至中心裂紋發(fā)生貫通,導(dǎo)致煤巖體的破壞失穩(wěn)。(3)由于層理的存在,煤巖體在破壞過程中產(chǎn)生的裂紋除中心主裂紋外,次生裂紋大多分別在加載軸兩側(cè),具有一定的離散性。就破壞后的形態(tài)而言,平行層理方向加載的煤樣更具有多樣性,且垂直層理加載煤樣的裂紋形態(tài)與砂巖裂紋的最大區(qū)別在于次生裂紋的形態(tài)。(4)煤巖體在SHPB沖擊破壞過程中表面產(chǎn)生的裂紋具有良好的分形特征,且分形維數(shù)在沖擊過程中逐漸增大。砂巖和煤樣的分形維數(shù)范圍分別在0.8~1.2以及0.6~1.4之間。(4)煤巖沖擊破壞動力特征數(shù)與裂紋擴展特征的對比研究(1)沖擊速度對煤巖體的裂紋特征有較大的影響。隨著沖擊速度的增加,砂巖裂紋面積逐漸增加之后有微小的降低,裂紋沿Y方向的擴展速率一直增加。而煤的裂紋面積表現(xiàn)出先降低后增加的變化趨勢,裂紋沿Y方向擴展速率同樣表現(xiàn)出先降低后增加的變化趨勢。(2)煤巖體在受到?jīng)_擊后,并沒有立刻出現(xiàn)裂紋,但應(yīng)力逐漸增加。同時煤在受沖擊后出現(xiàn)裂紋的時間要遠大于砂巖,說明煤進入塑性區(qū)需要更長的時間,這主要是由于煤在進入塑性區(qū)前既包括彈性變形階段,又包括壓密階段。當出現(xiàn)裂紋后,隨著裂紋面積的增加,煤巖體的應(yīng)力逐漸降低,裂紋面積與殘余應(yīng)力呈現(xiàn)較好的二次函數(shù)關(guān)系。隨著裂紋面積增長速率的增加,砂巖和煤的應(yīng)力下降速率逐漸增大,說明煤巖材料在發(fā)生破壞失穩(wěn)后其裂紋面積增長的越快,其所能承受的應(yīng)力下降越快。在與裂紋特征的關(guān)系中,隨著裂紋面積增長速率的增加,砂巖與煤的應(yīng)力峰值均表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢。(3)在煤巖體受沖擊出現(xiàn)裂紋后,砂巖與煤的應(yīng)變隨裂紋面積的增加都逐漸增加,不同的是巖石的應(yīng)變與裂紋面積呈線性關(guān)系,而煤的應(yīng)變與裂紋面積符合二次函數(shù)的關(guān)系。砂巖試件的平均應(yīng)變率與破壞過程中裂紋面積增長速率表現(xiàn)出了明顯的負相關(guān)性。而隨著裂紋面積增長速率的增加,煤的應(yīng)變率都在較小范圍內(nèi)波動。(5)非局部近場動力學(xué)在煤巖沖擊破壞模擬中的應(yīng)用研究本文建立的煤巖沖擊破壞模型通過7860個材料點的位置變化可以清晰地描述裂紋的起裂、擴展過程以及貫通后的裂紋形態(tài),與實驗采集的破壞圖像基本一致,且本文建立的模型對其次生裂紋也進行了較好的模擬。同時模擬得出的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與實驗結(jié)果也較為一致,驗證了實驗和模擬的準確性。此外,模擬中計算了整個煤巖體表面的損傷分布、應(yīng)變分布、應(yīng)力分布以及位移分布,并結(jié)合實驗結(jié)果對其進行了分析,解釋了煤巖體在沖擊加載下裂紋從中心起裂的原因。同時在模擬的過程中發(fā)現(xiàn),由所有尚未損傷材料點(彈性部分)的總應(yīng)變能W計算出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系即使在塑性區(qū)與實驗得到的結(jié)果也較為吻合。這從另一方面說明了煤巖體在進入塑性區(qū)后,可以認為其受到的殘余應(yīng)力是由材料的未破壞部分的彈性能釋放導(dǎo)致的。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD324
【圖文】：

中的裂紋區(qū)域發(fā)生弱化和虛化的現(xiàn)象；（2）采用全局的濾波方式會增加更多的計算時間。因此，在對煤巖圖像濾波時，我們需要在去掉標定線的同時，不對圖像的其他的區(qū)域帶來影響，特別是煤巖體表面裂紋的區(qū)域。本文在處理時首先利用表定點的坐標找到各個標定點，之后用一個 3x3 的區(qū)域塊的中間值來對此點進行替代，具體計算公式如下所示：1 11 11( , ) ( , )9m nI i j I i m j n (2.9)煤巖圖像去除標定點的結(jié)果如圖 2.4 所示。(a) 巖石原始圖像 (b) 巖石濾波后圖像

| |tu (2.11)傳統(tǒng)增加維度的方式主要是計算高斯曲率和主曲率等，之后再對曲率的大小進行各向異性的擴散。這種幾何流的方式在理論上是十分完美的，但是忽略了一個最為主要的問題，即系統(tǒng)處理的數(shù)字圖像是離散的。雖然仍可以計算諸如梯度、方向?qū)?shù)、張量等參數(shù)，但是由于方程的不連續(xù)，導(dǎo)致了有些圖像中有些點出現(xiàn)二階不可導(dǎo)現(xiàn)象。對于煤巖體表面的圖像，由于裂紋的存在，我們既希望去除背景的高頻噪聲，又希望裂紋及其邊緣附近的較高頻信號保留，同時，我們盡可能要保證圖像的原始特征，傳統(tǒng)的帶通濾波器可以對頻率進行選擇濾除，但是不具有通用性，因為每一張圖像的裂紋形態(tài)、光照以及背景噪聲都在頻率域上表現(xiàn)出了較大的不同，而采用平均曲率流的方式則可以很好的解決這一問題。如圖 2.5 所示，可以看到經(jīng)過平均曲率流處理后的煤體圖像中既保留了裂紋的邊緣信息，又對背景噪聲進行了有效的濾除。同時也注意到，雖然經(jīng)過平均曲率流處理后，其背景噪聲基本去除，但裂紋與其背景的對比度仍然很低，因此需要進一步處理。

可以有效地提高圖像的全局對比度。同時，直方圖均衡化也是一個可逆的操作，這對于之后的圖像復(fù)原也有重要意義[168]。直方圖分析往往是作為圖像處理的第一步，它是對圖像中存在的灰度值進行分布統(tǒng)計，即橫坐標代表了灰度值，縱坐標代表了該灰度值下像素點的個數(shù)，通過將圖像的直方圖展示出來可以直觀地看到整個圖像中像素灰度值的分布情況。圖 2.6 分別為煤巖兩種試件的灰度直方圖，從中我們可以明顯地看出裂紋（灰度值低的區(qū)域）占據(jù)了較少的部分。特別地，由于煤體圖像的特殊性，其直方圖與砂巖的有很大差別，并沒有一個明顯的波谷。(a) 巖石圖像 (b) 煤樣圖像

本文編號：2795441