基于计算机视觉的岩石裂隙识别表征与软件研制

岩石裂隙特征是评判岩体结构及其完整性的核心指标,也是评估岩石工程安全稳定性的重要因素。针对岩石裂隙识别,采用深度学习方法,通过引入混合注意力机制对Unet模型进行了改进,有效提高了岩石裂隙识别的精度。针对交叉岩石裂隙的分离与特征提取,提出了一种基于迹线方向判定的裂隙分离与表征算法,依据裂隙分离的结果形式,采用重合追踪法或断裂追踪法分离交叉裂隙骨架,继而使用微分累加法、方框法、线性回归法求得裂隙的长度、宽度及倾角等几何特征指标。基于提出的算法,研制了一套具有图形用户界面的岩石裂隙图像智能识别与表征软件系统,实现了从深度学习模型参数选择、模型训练、裂隙识别、量化分析到结果可视化的完整功能。最后对岩石裂隙识别与分离表征算法的性能进行了评判,结果表明,改进Unet模型对复杂分布的裂隙识别效果最好,其总体识别性能要优于其他网络;骨架分离算法对常见类型交叉裂隙能够取得预期结果,表征算法对分离裂隙与交叉裂隙的表征精度高,对实际岩石裂隙图像的应用效果较好。研究成果可为基于计算机视觉的岩石工程试验与岩体结构检测技术研发提供参考依据。

楞古水电站V线右岸边坡深部裂隙成因及边坡稳定性分析

针对楞古水电站V线右岸边坡深部裂隙发育特征,以边坡工程地质条件及坡体结构为基础,结合嘎夏帕滑坡破坏模式对其深部裂隙成因进行了分析,认为其深部裂隙是由于边坡滑移-剪切变形所造成,且边坡缓倾角结构面发育程度决定了边坡深部裂隙分布范围及张开度。分析边坡深部裂隙变形程度,结合边坡整体稳定性FLAC3D模拟,得出蓄水后边坡上游侧稳定性较边坡下游侧更低,以后对边坡采取合理的支护措施提供了可靠的依据,并为同类水电站蓄水边坡稳定性研究提供了参考。

单轴压缩条件下单裂隙花岗岩力学特性及破坏特征

为研究含贯通单裂隙花岗岩的力学特性及破坏特征,以我国高放废物地质处置甘肃北山预选区完整花岗岩及含倾角30°、45°和60°贯通裂隙的花岗岩为研究对象,开展单轴压缩试验研究.结果表明:裂隙倾角越大,试样的单轴抗压强度、损伤应力以及弹性模量越低;与完整岩石相比,倾角30°、45°和60°裂隙花岗岩的抗压强度分别下降7.97%、29.17%和71.68%,损伤应力分别下降9.35%、24.26%和69.79%,弹性模量分别下降5.89%、23.32%和60.49%.裂隙倾角不同,试样的应力-应变曲线呈现出显著的差别;裂隙倾角越大,损伤应力至峰值应力之间的屈服阶段越明显,发生沿裂隙面滑移破坏特征越显著;裂隙倾角影响花岗岩的破坏模式,试样的破坏形式主要表现为穿裂隙面破坏(倾角30°)、穿裂隙面破坏和沿裂隙面滑移并存的复合破坏(倾角45°)以及沿裂隙面滑移破坏(倾角60°);倾角60°的裂隙花岗岩的抗压强度与试验前后裂隙面的分形维数差符合幂函数增长关系.

富水沟谷区浅埋煤层导水裂隙演化特征

富水沟谷区域下浅埋煤层赋存条件特殊,采场上覆岩层导水裂隙发育演化特征复杂。为了揭示沟谷区浅埋煤层在回采扰动作用下覆岩裂隙演化规律,以朱家峁煤矿1305-2工作面过沟谷区回采阶段为工程背景,采用理论分析、物理相似模拟、数值模拟与现场效果验证的方法,建立了覆岩裂隙−渗流场概念模型,开展了覆岩结构发育与微震能量演化研究,分析了覆岩变形与塑性破坏分布特征,提出了针对沟谷区下浅埋煤层导水裂隙防治措施,并应用于现场工程实践。结果表明:开采扰动下裂隙−渗流场模型呈“梯台”结构,并依次划分为初渗区域、稳渗区域、紊渗区域3个区域;将所研究矿井的工况数据代入模型结构,计算出各个渗透区域范围,并根据计算结果对矿井的稳渗区域采取注浆措施。工作面回采至沟谷区段,覆岩裂隙域形态呈现“拱形-梯形-复合梯形”的扩展演化特征,裂隙纵向发育高度达到163 m,并与沟谷区地表贯通。随工作面推进,地表裂隙依次经历“滑移-挤压-撕裂”过程;沟谷区域位移云图呈现出滞后开采“高位梯形”破断形态,在沟底处下沉位移最大,达3.47 m。针对开采导致的裂隙大范围扩展贯通,提出在地面进行采动裂缝注浆处理,在工作面上覆岩层进行注浆封堵,实现过沟谷区开采“井上−井下”联合防治,保证安全开采。该研究结果可为浅埋煤层的过沟谷区开采、采动裂隙防治及富水区“保水采煤”提供新的科学依据。

三轴压缩下单裂隙位置对复合岩样力学变形与破坏模式的影响

在地下富存裂隙的层状复合岩体中,复杂围压环境和裂隙分布对复合岩体力学性质和损伤破坏具有显著影响。选取由类灰岩和类砂岩组成的含预制单裂隙的复合岩样作为研究对象,通过常规三轴压缩试验,分析不同裂隙位置和围压条件下岩样的力学变形和破坏模式。结果表明:(1)完整复合岩样的强度受砂岩控制,而变形受灰岩限制。(2)随着围压的增加,复合岩样破坏特征由裂隙位置主导转变为由围压主导;复合岩样的体缩受围压的影响,而体胀受裂隙位置的影响。(3)在单轴压缩条件下,裂隙对岩样力学性质的削弱程度最大;当裂隙位于灰岩中时,损伤应力受围压影响最显著,岩样的强度和弹性模量随着裂隙位置的改变(从灰岩、接触面到砂岩)及围压的增加呈现出增加的趋势。(4)灰岩中的裂隙易产生拉伸裂纹,砂岩中的裂隙易产生剪切裂纹;随着围压的增加,复合岩样由拉伸破坏转变为剪切破坏,破坏模式由围压主导。该研究成果对复合岩体工程的安全加固设计具有一定的指导意义。

基于三维裂隙网络模拟和单孔压水试验的裂隙张开度确定方法

岩体裂隙的等效水力张开度(水力学等效隙宽)是岩体的关键力学几何参数之一。目前常采用交叉孔试验等大型试验方法获取野外深部岩体裂隙的张开度,但该方法很少在一个工程中多次使用,且难以分析裂隙张开度在空间上的变化。以三峡大坝右岸地下电站硐室围岩为例,提出了一种联合利用常规单孔压水试验数据和三维裂隙网络模拟,反演确定裂隙等效水力张开度的新方法。利用实测裂隙编录资料取得的统计数据开展裂隙产状随机模拟,构建与压水试验钻孔连通的三维离散裂隙网络渗流模型,拟合单孔压水稳态流量和压力的关系,反演不同深度岩体的裂隙等效水力张开度。结果表明,研究区岩体裂隙的等效水力张开度一般为0.07~0.30 mm,符合对数正态分布的统计特征,多数钻孔反演的裂隙等效水力张开度随埋深呈指数形式衰减,少数钻孔呈现出裂隙等效水力张开度随机性强、随埋深变化不明显的特征。相较传统方法,本方法反演结果显著不同,有待进一步验证。

裂隙水作用下岩质边坡平面滑动力学模型

在降雨等水力条件作用下沿岩层层面的平面滑动是顺层岩质边坡最常见的一种破坏模式,而目前关于该类边坡的稳定性计算方法几乎很少考虑裂隙面粗糙度对地下水渗流力及滑面抗剪强度的影响,进而导致其稳定性计算结果误差较大。为此,首先对地下水作用下的顺层岩质边坡受力特征进行分析,认为地下水将对滑动岩体产生3个方面的力学作用:张裂隙中的静水压力、滑面上的扬压力和渗流力,由此建立了相应的边坡稳定性计算模型。其次,通过引入裂隙面粗糙度对裂隙抗剪强度及地下水渗流力的影响,提出了考虑裂隙粗糙及地下水渗流力的顺层岩质边坡稳定性计算模型。而后,通过对含一条贯通粗糙裂隙的岩质边坡稳定性为例,验证了该模型计算结果的合理性,同时计算结果表明裂隙面粗糙度系数JRC对边坡稳定性有重要影响,必须予以考虑。最后,基于参数敏感性分析研究了主要参数如裂隙面粗糙度系数、裂隙基本摩擦角、裂隙宽度、裂隙壁面岩石抗压强度及地下水位高度等对边坡稳定性的影响,结果表明:仅裂隙宽度对边坡稳定性影响很小,而其他参数对边坡稳定性影响则相对较大,不容忽视。且裂隙面粗糙度对边坡稳定性的影响与裂隙壁面岩石抗压强度密切相关,随着其增加,裂隙面粗糙度对边坡稳定性的影响程度逐渐变大。

综采工作面采动覆岩导水裂隙带发育高度综合研究

针对因煤层开采易导致上覆岩层产生裂隙,贯通地下含水层引发矿井水灾的问题,以盘城岭煤业150105工作面为研究背景,采用理论公式、现场井下仰孔注水测漏法和钻孔电视成像探测法,以及FLAC3D和UDEC数值模拟综合分析导水裂隙带的高度和发育规律。理论计算导水裂隙带的最大高度为81.56 m;通过井下仰孔注水测漏法监测3个钻孔的注水渗透量梯度临界值为12 L/min,通过临界值判定导水裂隙带高度为78.56~79.99 m;通过钻孔电视成像探测法观测钻孔内裂隙分布判定导水裂隙带高度为78.39~79.46 m;利用FLAC3D和UDEC数值模拟,根据覆岩塑性区变化特征,当工作面推进至180 m时,裂隙发生贯通,塑性区最大高度达到76.4 m,并根据覆岩塑性区变化、垂直应力分布、垂直位移云图分析了导水裂隙带发育规律的3个阶段。对不同方法下的导水裂隙带高度进行了相互验证。

含二维和三维预制裂隙的脆性岩石试样的破坏特征数值验证

为模拟岩体中原生裂隙的真实破坏行为,基于含二维和三维预制裂隙的类岩石试样的单轴压缩试验开展了相应的离散元模拟研究。试验和模拟结果表明:内部次生破坏率先出现在内置二维裂隙下部和三维裂隙周围,且次生拉裂纹与预制裂隙在走向方向上完全平行呈条带状分布。裂隙倾角的增大对岩样的破坏有不同程度的影响,随着裂隙倾角逐渐减小,次生拉裂纹越来越明显,翼裂纹的曲率越来越大,内置三维裂隙附近的拉裂纹簇分布范围越来越大。同时,次生剪裂纹的产生也随着裂隙倾角的减小而发育越来越明显,连通性增强,试样越容易发生破坏,说明随着预制裂隙倾角在一定范围内减小,试样强度呈现递减趋势。

基于三维裂隙网络的岩体剪切特性尺寸效应分析

为研究复杂裂隙岩体剪切特性的尺寸效应,以西藏怒江松塔水电站PDC3平硐为例,在现场采集裂隙信息的基础上,基于颗粒流PFC3D软件通过统计学方法及蒙特卡洛原理生成三维裂隙网络,构建等效岩体,进行大尺度直剪模拟试验得到裂隙岩体的抗剪强度、内摩擦系数及内聚力,分别研究其尺寸效应并确定不同参数下的REV尺寸,继而对相关参数和试样尺寸分别进行非线性回归拟合,探究其函数关系。结果表明:抗剪强度、内聚力及内摩擦系数随着试样尺寸的变化而趋于稳定,且不同参数得到的REV大小不同;综合分析不同参数的REV尺寸,得出研究区裂隙岩体的剪切特性REV尺寸为11 m×11 m×11 m;通过函数关系拟合,抗剪强度、内聚力和内摩擦系数与试样尺寸之间均存在指数函数关系。该成果为研究复杂裂隙岩体的力学REV以及合理确定力学参数提供了依据。

含平行双裂隙白砂岩力学行为数值分析

目的为探究平行双裂隙对白砂岩力学特性、裂纹扩展和能量演化的影响,方法利用颗粒流软件PFC2D获取白砂岩细观力学参数,通过改变双裂隙倾角和双裂隙间距2个关键影响因素,进行多次单轴压缩试验并对模拟结果进行分析。结果结果表明:随着裂隙倾角增大,岩石的峰值强度、弹性模量变大;随着平行双裂隙间距增大,裂隙倾角为30°时,岩石的峰值强度和弹性模量大幅降低,裂隙倾角为60°时,裂隙间距对岩石的峰值强度和弹性模量无显著影响,即裂隙间距转变为影响力学特性的次要因素;裂隙倾角对岩石的微裂纹发育过程有着重要影响,在裂纹扩展初期以拉伸裂纹为主,最终破坏形式多为剪切破坏;裂隙倾角为45°时,裂纹发育至贯通最为彻底;随着裂隙倾角增大,耗散能开始出现应变节点逐渐后移现象,岩石的弹性储能极限随之增强,裂隙倾角为0°~15°时,储能极限会发生一次小幅度反弹。结论双裂隙倾角和间距对白砂岩力学特性、裂纹扩展和能量演化的影响至关重要。

诱导下岩体裂隙扩展规律研究存在问题及对策

大部分地下工程的失稳都是岩体在长期的“诱导”作用下裂隙扩展、贯通从而改变岩体本身的强度特征导致的结果,因此,研究岩体中裂隙的扩展演化规律,对进一步揭示岩体工程失稳、岩石破坏现象的机理和本质具有重要意义。本文从物理实验、数值模拟和力学理论三个方面介绍了目前对于裂隙岩体扩展的研究现状,并结合地下工程的演化过程和工程需求分析了目前裂隙扩展研究中存在的问题,提出了更适应工程问题需求的研究思路:以相似材料、3D打印和声发射技术为手段,首先通过小试样压缩实验确定适用于声发射技术监测的相似材料成分及配比范围,然后采用3D打印的方法制作成交叉裂隙的拉、剪实验试件并开展拉、剪蠕变试验,研究裂隙扩展致裂规律,裂隙岩体拉、剪蠕变声发射特征及破坏的前兆特征,分析岩体强度随蠕变时间的变化规律,在此基础上建立裂隙岩体的大型相似材料模型,研究开挖诱导下随裂隙参数、时间等因素的预测模型和岩体冒落触发时间与裂隙参数、开挖空间的关系模型,揭示裂隙岩体冒落演化机制,预测岩体冒落时间和范围,为地下工程长期稳定性和岩体冒落调控提供理论支撑。

峰丛洼地岩溶裂隙水土漏失过程室内模拟试验

[目的]水土漏失控制是喀斯特地区石漠化防治的关键,因此对水土漏失机理及其影响因素进行探究。[方法]通过室内模拟试验,研究水压力(0.3,1.3,2.3,5.5 m水头)、岩溶裂隙宽度(0.25,0.50,0.75,1.00 cm)和土壤团聚体粒径(0~1.0,1.0~2.0,2.0~5.0,0~5.0 mm)对峰丛洼地水土漏失过程的影响。[结果]水压力和裂隙宽度越大、团聚体粒径越小或粒组缺失的土壤,上覆土层越易被击穿。土层被击穿时间约需2~20 min。在土层被击穿后,水漏失速率迅速增大并逐渐趋于稳定,土壤漏失速率则急剧增大至峰值后减小并趋于其稳定值,且水土漏失速率及其累积漏失量显著大于未击穿土层。水土漏失量随着水压力或裂隙宽度的增大而增大。当裂隙宽度为0.25,0.50,0.75,1.00 cm时,1.3~5.5 m水压力时的累积水漏失量分别比0.3 m水压力时增大1.2~13.2,2.4~131.0,2.1~167.3,75.8~141.9倍。累积土壤漏失量随团聚体粒径的增大而显著减小。在大团聚体缺失时土壤漏失量随着裂隙宽度的增大而减小,而在小团聚体缺失时则随之增大。当裂隙宽度为0.25,0.5,0.75,1.0 cm时,1.0~2.0,2.0~5.0 mm团聚体粒组的土壤漏失量分别比0~1.0 mm粒组减小98.4%和99.1%,46.3%和83.7%,43.2%和74.0%及41.1%和27.1%。[结论]上覆土层的稳定状况决定峰丛洼地水土漏失过程,水力条件、土壤性质及岩溶裂隙发育程度是影响其稳定的关键因素。

覆岩导水裂隙带发育高度动态演化规律研究

为了研究覆岩导水裂隙带发育高度动态演化规律,以小保当矿区2^(-2)煤层为研究对象,通过理论分析、相似模拟实验及实例验证的方法,对导水裂隙带动态发育高度进行研究;借助概率积分法预计其上部岩层移动变形的理论公式,给出了1种基于覆岩曲率变形的导水裂隙带动态发育高度预计方法。研究表明:导水裂隙带上部岩层下沉系数是1个与挠度及下部自由空间高度相关的分段函数,上部岩层曲率变形大小是决定导水裂隙带发育高度的关键因素;导水裂隙带发育高度与工作面推进长度相关;理论预计小保当矿区2^(-2)煤层导水裂隙带发育高度为160.8 m,相似模拟实验发育高度为155 m,现场实测发育高度为152.01~175.57 m。

基于开采高度对工作面覆岩裂隙演化影响的钻孔瓦斯抽采研究

采动覆岩裂隙演化规律对层间瓦斯运移起主导作用,研究覆岩裂隙发育分布规律对于提高瓦斯抽采效率至关重要。以甘肃省魏家地矿西2107综采工作面为工程背景,采用UDEC模拟软件建立不同采高的数值模型,利用分形几何理论分析了工作面覆岩近场裂隙演化与不同开采高度的关系,确定了钻孔瓦斯抽采最优工作面高度,并通过理论经验公式、覆岩裂隙窥视情况与现场瓦斯抽采结果对其验证。结果表明:采动裂隙总数随着采高增大而增大,但不同阶段增大的幅度皆不相同,覆岩裂隙不断向覆岩四周呈“伞状”发育;不同开采高度的工作面覆岩近场裂隙均经历产生、扩张贯通、压实稳定的3个阶段,且采高越大,压实区范围越小,适当增加采高,有助于提高覆岩瓦斯抽采效果;当采高选择4 m时,顶板裂隙在位于10 m与40 m位置处的裂隙发育密度与范围均明显大于其他区域,该区域与布置高、低巷双位一体的协同抽采巷最佳位置相一致。

初始裂隙几何要素对岩石裂隙扩展演化的影响

为了探求初始裂隙几何要素对岩石裂隙扩展演化的影响,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统,研究特定应力条件下裂隙长度、无偏置双裂隙的水平间距和竖直间距对裂隙演化的影响。通过大量的数值试验,再现裂隙的发展演化过程,获得了特定条件下裂隙发展演化的一般规律,并对岩块破坏形态进行了描述。所获得的理论成果,对于研究裂隙岩体在外界荷载作用下的裂隙扩展演化规律具有一定的参考价值。

基于连续-非连续方法的裂隙破坏与相互作用研究

岩体内裂隙等非连续结构面对岩体的强度及变形等力学特性有着显著的影响,研究岩体裂隙起裂、扩展、相互作用和贯通机制,对工程岩体力学行为的表征和工程性能的评价十分重要。本文基于连续介质力学模型的离散元方法,通过考虑裂隙分布、模型加载条件及其与裂隙产状的关系,建立了一系列裂隙力学计算模型,研究了不同模型裂隙扩展演化特征和岩体破裂机制,分析了岩体裂隙扩展规律及其对岩体破坏路径和强度的影响,研究结果表明:(1)裂隙岩体模型加载条件下的破坏起裂点、最终贯通破坏特征及损伤分布受控于裂隙的产状及其与最大主压应力取向角度大小及围压大小。(2)裂隙弱面走向与最大主压应力取向斜交时,裂隙弱面在加载条件下其端部裂隙扩展、贯通破坏表现比较明显,反之,当裂隙弱面走向与最大主压应力取向一致时,裂隙弱面被动影响裂隙模型内新生裂隙的萌生、扩展和贯通模式,自身未出现新的扩展破坏。(3)裂隙数目的增多和围压的增大会显著增加模型内部剪切裂缝的数量和模型破坏后的破碎程度,模型内部的损伤区域主要围绕破裂面呈滑移线型交叉分布,非破裂面区域损伤呈条带状X型分布。(4)裂隙弱面走向与最大主压应力取向斜交时,裂隙对岩体模型强度的弱化程度高于裂隙弱面走向与最大主压应力取向一致的情况,而裂隙模型破坏后的残余强度则正好相反。

液氮冻结和冻融条件下煤体力学特性及裂隙演化教学实验设计

该文设计了液氮冻结煤岩实验装置,并进行了液氮冻结和冻融条件下煤体力学特性实验,研究了液氮冻结时间和冻融次数对煤体力学强度及裂隙演化的影响规律,定量分析了液氮冷浸对煤体力学特征的影响。通过基于机理分析的实验教学拓展延伸,能够使学生从原理层面分析实验结果,学习宏微观结合的分析方法,加深对实验课程的理解,提高创新能力,开拓学术视野。

单轴压缩下松软煤体波速演化与裂隙分布特征

为研究松软煤体超声波传播规律与破坏特征,选用型煤代替原煤,设定3条波速传播路径,运用MTS岩石力学实验机、PCI-Ⅱ声发射仪开展单轴压缩条件下煤体多路径波速同步监测试验,引入各向异性指数分析波速演化规律;选定3个横、纵向切面,采用CT扫描设备开展破坏特征观测试验,重构破坏后煤体细观几何结构,对比研究二维横纵切面裂隙分布差异性;探讨波速和三维裂隙体积的关系。结果表明:①随轴向应变的增加,平行、垂直加载方向及煤体平均波速均表现出先平稳后降低再平稳的基本规律,波速各向异性指数具有先平稳后增大再平稳的变化趋势;垂直加载方向波速最先下降,且降幅最大。②与纵向切面相比,破坏后煤体横向切面裂隙谱峰占比和裂隙分形维数均较大,裂隙密度较高,裂隙形态也较为复杂。③随裂隙体积的增大,破坏后煤体平均波速大致呈线性降低,单轴荷载作用下煤体内部裂隙扩展以平行加载方向为主,裂隙竖向线状扩展是造成各方向波速和横纵切面破坏特征差异性的主要原因。④与平行加载方向相比,采用垂直加载方向波速求得的损伤变量较大、评价煤体损伤破坏状态也更为可靠。现场采用声波评价煤体破坏状态时,将声波传播路径设置为垂直煤体受载(最大主应力)方向,有利于提高预测失稳事故的合理性。

深部巷道围岩裂隙注浆加固浆液扩散规律研究

目的为了解决深部巷道围岩裂隙注浆加固难题,方法采用现场矿压观测、数值模拟等方法,结果研究得到深部巷道围岩破坏特征:深部巷道呈现“顶、帮、底”全断面大变形现象,围岩破坏深度显著增加;深部巷道围岩由浅至深形成裂隙发育区、裂隙扩展区和原生裂隙区,其中裂隙扩展区裂隙较小,注入难度较大。采用数值模拟方法,分析裂隙特征、注浆压力、浆液水灰比等因素对浆液扩散特征的影响规律,结果表明:裂隙开度对浆液扩散半径影响显著,而裂隙粗糙度的影响较小;对于裂隙开度较大的裂隙发育区,采用常规注浆压力;对于裂隙扩展区,裂隙开度较小(小于0.10 mm),应采用高于10 MPa的注浆压力;浆液扩散半径与注浆压力、水灰比呈正比,但对于深部微围岩裂隙而言,注浆压力存在临界点,不应盲目增大注浆压力,选取水灰比时,应综合考虑浆液扩散半径和浆液析水效应。结论对于注浆工程而言,选取浆液配比及注浆压力时,应考虑巷道开挖后围岩裂隙开度的发育状态。