基于机器视觉的岩块自动化识别检测方法

在隧道施工过程中,岩体参数的获取是实现隧道掘进机参数调整和智能决策的前提,因此,要对掘进过程中获得的岩块进行采样和检测,而岩块识别和检测目前主要由人工完成。本文针对岩块的自动化识别和检测问题,提出了一种基于机器视觉的岩块自动化识别检测方法,通过融合岩块区域检测和语义分割算法能够快速准确获取岩块的形心坐标和过形心最小直径。首先,使用YOLOv3网络对岩块进行识别,实现岩块的区域检测。其次,针对每个区域的岩块采用FCN-DenseNet网络进行语义分割和图像处理,并对全卷积神经网络进行改进,减少了语义分割模型的参数量,提高了语义分割效率,提升了岩块轮廓获取的精度和速度。最后,根据获得的岩块轮廓点,计算其形心坐标及过形心的最小直径,为机械臂抓取和岩块点荷载强度的计算提供支持。搭建实验平台,完成机械臂手眼标定和深度相机坐标下岩块图像与岩块点云对齐,获取岩块形心坐标在机械臂坐标下的位置。实验结果表明,本文所提算法能够快速准确地获取岩块的形位参数,对10次实验中的102块岩块识别检测成功率为91.18%,在所有完成识别检测岩块中的吸取成功率为92.47%,可以应用于岩体的自动化检测,提高岩体检测的效率和智能化水平。

岩块尺度对采空区煤自燃区域的影响研究

为探究综放采空区岩块尺度对煤自然发火的影响,采用Fluent软件数值模拟不同直径岩块条件下采空区的煤自燃规律,分析采空区氧浓度场和风速场,分别以氧气体积分数和风速为指标,确定采空区氧化带面积并以二场叠加场作为采空区煤自燃危险区划分标准,研究煤自燃危险区域与岩块直径的关系。研究结果表明:当岩块直径由0增加到10 m时,以氧气体积分数为指标,氧化带宽度变小,面积由5563.84 m^(2)减至2602.69 m^(2);以风速为指标,氧化带面积由3376.60 m^(2)减至1262.95 m^(2);将2种指标确定的氧化带进行叠加得到煤自燃危险区,随着岩块直径的增加,其面积由1854.04 m^(2)减至552.91 m^(2),煤自燃危险区最大宽度由20.40 m缩减至9.06 m。研究结果可为采空区煤自燃发火区域的确定提供参考。

节理粗糙度对岩块体积的影响规律研究

岩体结构直接控制着岩体力学、水力学特性,岩块体积分布规律可直接反映岩体结构特征。目前研究多将节理面简化为平面,忽略了粗糙度对岩块体积的影响。利用Hurst指数H和高度均方根Rq表征节理粗糙度,研究了节理粗糙度对岩块数量和体积分布规律的影响。结果表明:(1)H、Rq控制节理的粗糙起伏形态,粗糙度随着Rq的增大而增大、随着H的增大而减小;(2)块体的数量总体上与节理粗糙度正相关,即随着粗糙度的增大而增加;(3)Rq和H对岩块体积分布的影响,主要通过改变小体积块体所占比例实现,块体的平均体积和中位体积随着粗糙度的增大而减小;(4)当节理正交且间距相近时,块体数量随粗糙度的变化可以分为3个阶段,即稳定阶段、初始增长阶段和快速增长阶段,Rq和H共同控制着各区间的相对分布范围。最后,基于摄影测量采集的数据建立了岩体节理模型,对大连某公路边坡的岩块体积分布进行了研究,验证了上述结论的准确性。

基于显著性特征的岩质边坡缺失岩块搜索方法

边坡上滑动后静止的岩块易再次诱发落石灾害.针对此,提出了一种基于显著性特征的缺失岩块搜索方法,该方法首先使用Background Matting算法对不同时刻的边坡图像进行差异分析,以检测由于岩块缺失所引起的图像变化区域;然后,采用YOLOv5s算法对变化区域中的岩块进行识别,确定缺失岩块的位置;接着,运用U2net网络剔除岩块背景噪声,并运用SURF算法提取岩块显著性特征(纹理、轮廓、面积);随后,使用Sgmnet网络进行特征匹配,根据纹理、轮廓和面积三个方面计算岩块间的相似度;最后,根据相似度大小确定移动岩块间的关联关系.结果表明,基于显著性特征的缺失岩块搜索方法能够准确查找缺失岩块,准确率为85%,弥补了现有边坡落石监测方法的不足.

完整岩块辐射流剪切盒中含压流体密封方法研究

为提升岩石剪切渗流试验系统中辐射渗流剪切盒的流体密封性能,基于自主研发的新型岩石剪切渗流试验装置提出3种辐射渗流密封装置的结构设计方案:密封圈横向预压缩密封、硅胶垫法向压缩密封以及密封圈法向预压缩密封,并分别对其进行大变形数值模拟和试验验证。结果表明:(1)密封圈横向预压缩密封的密封效果与施加的法向荷载大小无关,而与岩样上端面平整度和平行度密切相关,流体密封压力较为稳定,密封水压力在0.72 MPa上下波动;(2)硅胶垫法向压缩密封的密封效果与施加的法向荷载大小呈正相关,在法向荷载允许范围内密封垫客观上具有密封压力阈值,在3.3 MPa法向荷载作用下密封水压力最大值可达到1.62 MPa;(3)密封圈法向预压缩密封既具备硅胶垫法向压缩密封的优点,还克服了硅胶垫密封性能依赖法向荷载大小的缺陷,可在较低的法向荷载状态下实现相对较好的密封效果,最大密封压力可达到2.45 MPa。数值仿真结果表明,对于密封圈法向预压缩密封,扩大密封圈直径并不能明显提高密封性能,而改变密封圈材料对密封性能影响较大。研究结果可为突破目前剪切渗流试验设备5 MPa水压力密封的极限及优化剪切盒密封装置结构设计提供了理论参考和研发借鉴。

基于岩块轮廓属性的爆堆图像自适应分割方法

针对爆堆岩块图像中因粘连、堆叠、边缘模糊等造成的错误分割问题,提出基于岩块轮廓属性的爆堆图像自适应分割方法。首先对爆堆图像进行预处理,然后采用Phansalkar方法进行二值分割,并采用形态学优化和面积滤波去除噪点,再利用爆堆岩块的轮廓坚实度和迭代腐蚀相结合的方法来标记种子点,最后基于标记的种子点利用分水岭算法对图像进行分割。将该方法用于爆堆图像分割,种子点标记结果表明基于岩块轮廓坚实度的种子点标记方法可避免部分噪点的影响,提高对爆堆岩块标记效率。分割结果表明该方法获得的面积累计曲线与人工分割的面积累计曲线高度相似,3个特征面积参数的最大相对误差仅为4.32%,对于100 cm 2以上的岩块,分割准确率为98.33%。相较于其他用于岩块分割的分水岭改进方法有效地减小了错误分割的可能,实现了基于岩块灰度特征和轮廓特征的爆堆图像高精度自适应分割。

大别山毛屋镁铁－超镁铁岩块的原岩与超高压变质作用

毛屋镁铁－超镁铁层状岩体由方辉橄榄岩、橄榄方辉岩、含石榴石方辉岩、石榴二辉岩、石榴透辉岩、榴辉岩、绿辉石岩等不同岩性的岩石组成的变层状堆晶岩。岩石主要由贫铝辉石、橄榄石和石榴石组成，根据矿物变质重结晶特点与岩石Ｐ－Ｔ平衡条件估计，以及钛粒硅镁石、钛斜硅镁石和菱镁矿高压矿物的发现，推测毛屋镁铁－超镁铁岩原岩相当于一套侵入于地壳的富镁基性岩浆结晶分异形成的堆晶岩。原始富镁基性岩浆结晶演化序列是：辉橄岩→橄辉岩→橄长岩→辉长岩→富斜辉长岩。在扬子板块与华北板块碰撞俯冲过程中，高压下发生尖晶石相向石榴石相的转变（＞２．０ＧＰａ）、橄榄石和斜方辉石向钛粒硅镁石、钦斜硅镁石和菱镁矿的转变（＞３．０ＧＰａ）和超高压下发生富铝辉石向贫铝辉石和石榴石的相转变（～５．０ＧＰａ）。在快速抬升过程中，高压下（地幔）发生钛粒硅镁石、钛斜硅镁石退变为橄榄石和钛铁矿，在下地壳条件下绿辉石分解出钠长石十透辉石后成合晶，上升到中、上地壳环境，镁铁－超镁铁岩与围岩同步进入角闪岩相（０．７－０．８ＧＰａ）和绿片岩相（地壳浅部）区域变质作用。

勉略构造带勉县段火山岩构造岩块地球化学特征及其构造意义

在对勉略构造带勉县段火山岩构造岩块1:1万地质填图基础上,依据其岩石类型、岩石组合、岩石地球化学特征等划分出4类变质火山岩组合。观音堂火山岩由基性火山岩+酸性火山岩组成,岩石组合为玄武岩、英安质流纹岩、流纹岩等,属碱性系列火山岩;稀土元素配分曲线为轻稀土富集右倾型,具弱δEu正异常,微量元素蛛网图呈大离子亲石元素Ba、U、Sr及高场强元素Ta、Zr、Ti的富集隆起形态,Th元素亏损。土地庙火山岩由基性火山岩+中性火山岩+酸性火山岩组成,岩石组合为玄武岩、玄武安山岩、安山岩、粗安岩、流纹岩等,分属拉斑玄武岩系列、钙碱性系列和碱性系列火山岩;稀土元素曲线为轻稀土较强富集右倾型,具δEu负异常,富集大离子亲石元素Ba、Th、U,强烈亏损高场强元素Nb、Ta、Hf、P、Ti,微量元素蛛网图具有谷峰迭起的形态。西沟火山岩均由中基性火山岩组成,岩石组合为玄武岩、玄武安山岩等,属于拉斑玄武岩系列火山岩;稀土元素曲线右倾,轻重稀土元素分馏明显,不显示δEu异常,富集大离子亲石元素Sr、Rb、Th、Sm和部分高场强元素Ta、Zr,亏损高场强元素Nb、Hf、P。鞍子山火山岩均为基性火山岩,属于拉斑玄武岩系列火山岩;具有平坦的稀土元素配分曲线,具δEu正异常,富集大离子亲石元素Sr、Rb、Ba,具高场强元素Nb、Zr、Hf丰度较低,低场强元素K、Sr、Rb丰度较高的特点。研究认为其分别形成于大陆板内裂谷环境、陆缘火山弧环境、洋岛环境和弧后小洋盆环境,这为勉略构造带的形成和演化过程提供了新的信息。

岩块波速–应力关系及其卸荷效应

当岩块从原有的地质环境中取出时,它在原位岩体中受到的应力将被解除,其物理力学性质亦会发生变化,从而产生卸荷效应。通过自行设计的岩块波速–应力试验,研究了岩块的波速–应力关系。研究发现:波速–应力关系曲线可以较清楚地反映出岩石受荷过程中体积变形的3个阶段;波速–应力关系曲线基本上以σ=σc=(1/4～1/3)Rc为界,当σ<σc时,岩样波速随应力增大迅速增加,波速–应力关系符合幂函数曲线,当σ>σc时,岩样波速逐渐达到峰值,随后迅速下降,波速–应力关系符合二次函数曲线;波速–应力试验过程中,当应力增加到岩样在原位状态下同试验加荷方向下所受的应力时,波速增加速度急剧变缓。根据岩块的波速–应力关系提出了岩样的卸荷指标,并将其定义为岩块在原位所受应力对应的波速与未受荷时的波速之比,通过试验和计算得到黄岛地下水封石油洞库场区片麻岩和闪长岩的卸荷指标分别为1.13和1.08。

松散岩块压实破碎规律的试验研究

通过对松散岩块压实破碎的试验研究,得出松散岩块的压实破碎规律。研究结果表明,岩块的破碎大部分发生在压力水平较低的情况下,一般相对压力小于0.5～0.6,当压力超过这个范围时,岩块的破碎率就很小了,颗粒的级配基本保持不变。岩块压实破碎后,当颗粒级配趋于稳定时,对于强度较低的岩块,所产生的细颗粒的成份较多;而对于强度较高的岩块,所产生的各级颗粒的含量相差并不明显;对于强度不同的岩块,其级配曲线具有很强的相似性和相关性,并可用二次多项式进行描述。

松散岩块压实变形模量的试验研究

通过对松散岩块压实试验研究,得到了变形模量与轴向应力、轴向应变的相关性规律。试验结果表明:松散岩块的切线模量与轴向应力间呈指数关系,并随其颗粒粒径和岩性不同而变化;而其割线模量与轴向应力则呈线性关系;松散岩块的切线模量和割线模量均与轴向应变呈指数相关性。研究结果对松散岩块压实变形机理分析具有重要价值。

勉县—略阳蛇绿混杂岩带镁铁质—安山质火山岩块年龄和该带构造演化的复杂性

位于南秦岭略阳—勉县—镇巴高川一线的勉略蛇绿混杂岩带一般认为形成于印支期,但笔者研究表明,除存在印支期的岩块外,也存在大量晋宁期的变质镁铁质火山岩块和岛弧火山岩块:1略阳三岔具岛弧火山岩性质的变质安山质火山岩的Sm-Nd等时年龄为873±71(2σ)Ma,INd=0.511796±67(2σ),MSWD0.73;2勉县安子山类似N-MORB洋壳碎片的变质镁铁质火山岩块的Sm-Nd等时年龄为877±78(2σ)Ma,INd=0.51190±10(2σ),MSWD0.93;3出露于略阳庄科轻稀土强烈亏损蛇绿岩块,虽然其Nd同位素组成分散,不形成等时线,但是其高场强大离子不相容微量元素与勉县安子山变质镁铁质火山岩具有十分类似地球化学特征,它们可能是大致同时,由类似源区形成的。这些事实表明,勉略蛇绿构造混杂岩带是复杂的,可能是多期构造事件叠加复合构造活动带。

松散岩块侧限压缩模量的试验研究

通过对松散岩块进一步的压实试验研究,得出了松散岩块的侧限压缩模量与孔隙率及岩块抗压强度之间的关系。研究结果表明,松散岩块的侧限压缩模量与孔隙率之间既可用指数关系也可用幂函数关系来描述,二者都具有很高的相关系数。同时,岩块强度与压缩模量之间呈线性关系,回归所生成的直线方程斜率和截距均与孔隙率有很强的相关性。最后得出压缩模量与岩块强度、孔隙率之间的统一关系式。

塔河油田碳酸盐岩岩块系统的参数法分类及孔喉结构特征

塔河缝涧型碳酸盐岩油藏属于强烈非均质性油藏，裂缝、溶洞的尺度与基质岩块的孔喉半径相差2～3个数量级。采用参数法对碳酸盐岩基质岩块进行初步分类后，结合岩心铸体薄片、压汞法毛管压力和孔喉分布曲线，进一步划分出3类基质岩块。结果表明，不同类别的孔喉结构特征决定了基质岩块系统的储集和渗流能力，喉道的连通性是岩块系统渗流能力的决定性因素，即使孔隙中含油，若无有效的微裂缝和喉道沟通，也会极大地降低岩块系统的采出程度。该研究成果为下一步探索适合于碳酸盐岩基质岩块的驱替条件、驱替方法、储层改造方法及对应采出程度等，提供了重要的岩心参考依据。

爆堆矿岩块度分布的计算机图像自动处理系统

对建立的计算机矿岩块度图像自动识别处理系统,引入了"双阈值亮点膨胀递减循环处理"技术进行图像二值化处理,在二值化技术的基础上对爆堆图像进行两次平滑去噪,运用拉普拉斯算子边缘检测法提取岩块边界。配合单一型链结区域增长法创造性地提出最小距分割法运用于区域分割。采用R-R函数对该处理结果进行了双对数回归分析,得到了爆堆矿岩块度分布结果。测试结果表明,系统具有较高的测试精度,误差一般不大于10%,能够满足实际应用要求,是一种具有很好发展前景的测试方法。

岩块声学特性的试验研究

岩块具有明显的非均质性,其声学特性参数离散性很大.文中基于不同尺度不同粒径大理岩块的超声波测试结果,研究了其声学特性参数的离散程度以及粒径对声学参数的影响.结果表明,南阳大理岩块的各向异性系数不明显,除1个达到1.23/1.3,其它均在1.05~1.1左右.同种粒径不同岩块之间的纵、横波速度变异度变化不大,但由纵、横波速度计算得到的动态泊松比差异较大,难以运用于现场,因而岩块的动态泊松比不能作为材料的一个力学参数来表征岩石的变形特性.岩块的声学参数近似服从于正态分布.粒径较大的岩块,其动态参数的离散程度也较大.

亲油碳酸盐岩基质岩块系统的重力驱替作用

重力驱替作用是塔河油田缝洞型单元体中水驱油的重要作用力。基于油润湿条件下的碳酸盐岩岩心,建立油藏条件下的毛细管渗流方程,讨论重力驱替作用对采出程度的贡献及其影响因素。计算结果表明,对于亲油的基质岩块系统,岩块越高,油水密度差越大,产生的驱替作用力越大,原油采出程度越高。采用离心法模拟重力驱替作用,实验结果证明,在底水能量作用下,重力驱替作用与底水驱替作用对原油采出程度的贡献相当。结合压力恢复数据、测井曲线和取心层段含油性数据综合分析塔河油田7区典型井采油曲线,证实在底水能量作用下,发育裂缝-溶洞和裂缝-溶孔的储集体中,底水突破前,依靠油水密度差产生的重力作用驱替基质岩块系统中的油,能维持较长的低产、稳产期。

矿岩块度预测影响因素的分析研究

以现场岩体特性参数的实测资料及分析成果作为基本输入参数,采用矿岩块度预测系统,对模拟范围、节理间距分布形式、节理间距大小、两组节理面之间的夹角、完整岩石及弱面的力学性质等因素对矿岩块度的影响程度进行了模拟研究。结果表明,当节理面范围长度是模拟区域长度的3倍以上时,模拟结果不受模拟范围长度的影响,模拟区域的宽度对模拟结果有影响。根据模拟结果拟合了模拟长方体宽度与节理持续线长度比值与连续相关因子间的关系式。节理间距分布形式对模拟结果有很大的影响。岩体力学性质对崩落矿石块度有一定的影响,随着岩体中各力学参数的增大,矿石块度将会增大,但这些参数的增大对块体形状组成的影响规律性不明显。为了验证块体形状分类的效果,应用三组接近正交的理想节理组,对块度进行了模拟,模拟结果与块体形状分类定义相一致。

大颗粒岩块对月壤钻取过程的影响分析

针对月壤钻取采样过程中存在大颗粒岩块情况进行三维离散元动态仿真分析。建立考虑扭转、弯曲力矩及等效引力作用的新型三维离散元月壤模型,通过三轴仿真试验进行细观参数标定,得到黏聚力为0.90 k Pa,内摩擦角为42.25°的满足真实月壤宏观力学指标的仿真模型。针对月壤内层存在大颗粒情况设计4种采样工况分别进行仿真分析,监测大颗粒运动轨迹与采样效率,发现了"旋入效应"、"纵向运移效应"与"阻塞效应",仿真结果表明岩块粒径大小直接影响采样结果:当岩块粒径小于钻头"虚拟切削圆"时,其无论存在于任何位置对采样效率与后续样品缠绕收集均无明显影响;当岩块粒径大于"虚拟切削圆"时,阻塞现象严重,样品收集困难,极易导致采样失败。研究结论对月壤钻取采样控制设计与钻具结构设计具有重要的工程参考价值。

矿岩块度计算机图象分析技术的研究与应用

基于对矿岩图象特征与规律的认识与分析，采用“双阈值亮点膨胀递减循环处理”技术，基本实现了岩块边界的自动识别，可用于对全爆堆矿岩的块度分布进行定量的统计和计算，测量误差一般在５％～１０％，其处理和统计计算的速度也大为提高。在本钢南芬露天铁矿爆破块度测量工作中实际应用，取得了良好效果。