煤炭综采工程煤岩裂隙变形多尺度视觉特征提取算法

煤炭资源勘探与开采行业是国家稳定发展的支柱产业之一。随着浅部煤炭资源储量的逐渐枯竭,煤炭资源开采向深部区域发展,由于地质条件复杂性的增加,煤岩裂隙变形现象逐渐增多,威胁着煤炭综采工程的安全,提出煤炭综采工程煤岩裂隙变形多尺度视觉特征提取算法研究。预处理原始煤岩图像(灰度化处理、锐化增强处理及其去噪处理),以此为基础,基于C-V模型分割煤岩图像,获取煤岩裂隙变形目标图像,通过高斯核函数将其映射到空间范围,完成多尺度视觉空间的构建,应用MSRFE算法检测并确定煤岩裂隙变形多尺度视觉特征,从而实现煤岩裂隙变形多尺度视觉特征的提取。试验数据显示:应用本文提出的算法获得的煤岩裂隙变形目标确定结果非常清晰地标注出了全部裂隙变形的边界,多尺度视觉特征提取完整度最大值达到了99%,充分证实了所提出算法具备更加优质的应用性能。

煤岩裂隙图像识别方法研究

煤岩裂隙与瓦斯运移密切相关,且影响煤岩体稳定性,研究煤岩体中复杂的裂隙系统对于巷道支护和瓦斯抽采有重要意义。目前煤岩裂隙图像识别方法未能综合考虑煤岩图像裂隙数量、位置、形态和类别等特点,难以获取有效信息。以鹤壁煤电股份有限公司第八煤矿掘进工作面煤岩图像为研究对象,提出了一种基于U-Net网络对图像中裂隙及类别实现像素级智能识别的方法。采用直方图均衡化、高斯双边滤波和拉普拉斯算子对煤岩图像进行预处理,以提高图像质量,更有效地提取裂隙特征信息。通过观测记录煤岩裂隙特征并分为7类,对筛选出的煤岩裂隙图像进行扩增,采用Labelme软件对图像进行像素级标注,建立煤岩裂隙数据集。采用U-Net网络构建煤岩裂隙识别模型,经调试确定网络批量大小和学习率参数,实验表明当迭代次数达到300以上时,该模型的识别精确率均值为87%,召回率均值为92%,平均交并比大于85%,类别平均像素准确率大于80%。采集井下煤岩采动裂隙和实验室张性外生裂隙对煤岩裂隙识别模型进行验证,结果表明该模型可有效提取目标特征信息并与背景特征信息区分,能够较准确地定位、识别单一裂隙。

煤田火区扩散机理与煤岩裂隙发育规律研究进展

煤田火是煤炭开采过程中遇到的主要灾害之一,也是世界性灾害之一.但煤田火区扩散机理及相关影响因素的研究则仍未完善,其中近地表煤岩裂隙的产生和发育为煤田火的燃烧和扩散提供了持续可靠的的供氧通道.国内外学者对煤田火区的燃烧机理、燃烧气体在裂隙中的运移特征与煤田火燃烧特性之间的关系,以及煤岩裂隙发育特征等方面的分析与研究,对于煤田火燃烧的认识存在不足之处,通过分析煤田火区扩散的相关影响因素为煤田火区的治理提供了依据.

围压作用下煤粉充填煤岩裂隙渗流特性

为了研究不同颗粒大小的煤粉充填煤岩裂隙对煤层气渗透率产生的影响,以焦作煤业有限责任公司下属的赵固一矿二1煤储层为研究对象,以不同粒径煤粉为充填介质,在一定围压条件下,以不同气压和不同裂隙宽度进行了煤粉充填煤岩裂隙渗透特性实验。结果表明:在一定围压条件下,随着气压的增大,相同裂隙宽度不同目数煤粉充填的煤岩裂隙渗透率都先增大后减小,且峰值渗透率随着煤粉目数的增大也减小;在不同裂隙宽度相同目数煤粉充填的煤岩裂隙中,煤岩裂隙渗透率随着充填宽度的增大而增大。

基于Micro-CT技术的煤岩裂隙精细表征

为了表征完整煤样裂隙开度及空间展布,采用高精度Micro-CT扫描技术分析新巨龙煤矿的样品的裂隙结构。根据CT图像中裂隙周边CT数分布规律及三维可视化技术,对煤岩裂隙开度、分布和空间配置等参数进行精细表征。研究结果表明:运用高斯函数可以克服裂隙两侧CT数由于非均质造成波动,较为准确拟合裂隙CT数曲线的衰减规律;利用高斯函数的峰度(PH)与曲线面积(MA)对裂隙分布形态进行测量,当裂隙开度较小时(<0.24 mm),利用PH法测量有较高的准确性;当裂隙开度较大时(>0.24 mm),MA法测量有较高的准确度;通过煤岩三维重建的裂隙3D可视化模型,可清晰识别煤中裂隙空间分布形态。根据三维裂隙区域中197个特征位置CT数分布的误差分析表明,采用参数PH法测量的平均误差为14.3%,而采用MA法测量的平均误差为17.1%,说明PH法具有较高的准确度。

不同加卸载条件煤岩裂隙面形貌分形各向异性特征研究

为研究典型破坏形式下煤岩裂隙面分形各向异性特征及其尺寸效应,以复杂破坏荷载作用下煤岩裂隙面为研究对象,采用激光扫描、CATIA三维模型重构等研究手段,结合分形理论,对煤岩裂隙面的分形各向异性特征及尺寸效应展开研究。研究表明:针对裂隙截面迹线分维而言,复杂破坏路径下的迹线分维范围在1.0013~1.0096之间,最大值均出现在沿裂隙扩展方向30°~90°范围内;针对裂隙截面分维而言,复杂路径破坏裂隙面的分维最大值集中在120°~300°范围内;截取的正方形裂隙截面分形维数计算结果表明,当截面尺寸边长小于20 mm时,各典型破坏裂隙面分维波动幅度范围较大,但当所取区域边长大于20 mm时,分维逐渐趋于稳定,分析裂隙面分维时初步建议采用大于20 mm的截面尺寸。

静载下含预制裂隙煤岩力学特性及破坏特征试验研究

含预制裂隙的煤岩,在外载荷作用下具有与完整煤岩不同的力学特性及破坏特征。采用金刚石线切割法对完整煤岩试样进行不同倾角(30°、45°、60°)的三维宏观裂隙预制,通过单轴与三轴压缩试验,结合声发射监测手段,进行裂隙煤岩在不同加载条件下的强度、变形、破坏模式、裂隙扩展规律和声发射特征的研究,探究具有冲击倾向性裂隙煤岩失稳破坏的规律。结果表明:完整煤岩强度、弹性模量与围压具有良好的线性关系,围压从0~16 MPa,强度提升了400%,其破坏模式为剪切破坏,剪切角度呈增大趋势。预制裂隙的存在降低煤岩强度,30°、45°、60°裂隙煤岩强度分别降低了13%、24%、37%,破坏时由裂隙尖端扩展翼型新裂隙,新裂隙沿最大主应力方向扩展与预制裂隙汇合贯通,煤岩发生失稳破坏。裂隙煤岩在围压增大到一定水平时发生“逆围压效应”,即围压越大,强度劣化越明显,当围压达到8 MPa, 3种裂隙煤岩强度均降低了200%。完整煤岩在破坏阶段声发射强度达到极值,裂隙煤岩因裂隙扩展发育在各阶段会产生声发射信号激增点,可根据此判断裂隙煤岩的破坏程度及所处应力状态。

基于DIC技术的预裂煤岩体裂隙演化特性研究

为了研究煤岩体裂隙网络结构以及表面裂隙演化发展过程,开展了基于采动煤岩体应力路径的三轴加载试验,在应力刚超过峰值应力时停止加载,得到采动应力作用下的预裂煤岩体;然后引入数字图像相关(DIC)技术,并继续单轴加载,观察和记录裂隙演化发展过程;并结合分形几何,计算出不同加载阶段煤岩表面裂隙的分形维数。研究结果表明:在真实采动应力路径下,受围压释放的影响,煤岩承载能力下降超过40%;由于裂隙面的粗糙度不同以及煤岩体非均质性和原生缺陷等,预裂煤岩体除了沿预裂裂隙面继续变形破坏外,还会产生新的次生裂隙;在单轴压缩条件下,预裂煤岩体表面裂隙分形维数由1.12增长到1.60,裂隙演化的整体趋势为缓慢→快速发育→平稳。

不同裂隙分布下半煤岩结构体冲击倾向性研究

为了探究半煤岩巷道条件下裂隙对煤岩结构体冲击倾向性的影响,分析了基于粘弹性本构方程的煤岩体失稳破坏判据是由煤岩体应变定义的形变参数得出的,并对单裂隙煤岩体的裂纹扩展形式进行了分析,最终通过数值计算定量分析了裂隙数量与裂隙位置对煤岩体力学特性与冲击能量特性的影响。结果表明:煤岩体的抗压强度及冲击能量指数随着裂隙数量的增加呈指数型降低;单裂隙条件下当裂隙位于岩层段时,煤岩体冲击倾向性较弱。由此表明,裂隙可通过降低煤岩体强度的方式显著弱化冲击倾向性。

煤岩裂隙瓦斯运移规律的实验研究

为研究瓦斯在煤层裂隙中流动规律以及瓦斯渗透率变化,使用含瓦斯煤热流固耦合实验系统对含有贯穿裂隙的煤样进行了瓦斯渗流实验。通过改变煤样两端瓦斯压力差,得到了瓦斯渗流速度和煤样两端瓦斯压力差之间的关系,求解出各瓦斯压力条件下的渗透率,然后对试验数据拟合,分析渗透率变化的原因。研究结果表明:含贯穿裂隙煤样瓦斯渗流速度随煤样两端瓦斯压力增大呈抛物线关系增加;在外载应力作用下,瓦斯在煤层裂隙中流动存在滑脱效应;随着瓦斯压力差的增大,滑脱渗透率对气测渗透率贡献率也在增大。

考虑区域地应力特征的裂隙煤岩流固耦合特性实验

通过位移反演方法对区域地应力特征进行理论分析,建立研究煤岩内部裂隙时空演化规律的力学实验系统,设计了区域地应力作用下裂隙煤岩流固耦合计算模型,初步揭示裂隙煤岩流固耦合特性。通过地应力的现场监测,验证了位移反演方法的准确性,垂直地应力与最小水平主应力数值稳定,受开采扰动影响,最大水平主应力出现局部性突增。借助数字化X射线摄影系统,给出了不同载荷下内部裂隙场DR扫描图像,发现随外载增大煤岩内主裂隙持续扩展,且裂隙场形态分别为共轭型与X型。矢量化处理裂隙场信息并导入耦合计算模型,分析不同工况下耦合模型的渗流参数变化情况,初步得出裂隙煤岩流固耦合特性:外载增大将导致煤岩内部微裂隙进一步相互贯通扩展并出现宏观破裂,这是裂隙煤岩孔隙率与渗透率持续性增加的本质原因,且流速最大区域迁移过程可表征裂隙煤岩次生裂隙分布特点,主裂隙内水体流速最大且随注水压力的增大,水体流速不断增加,较大的流速一般发生在具有较大水力梯度的细小裂隙位置处。同时,出口流速特征表现为出口流速分量的最大值均位于煤岩两侧并随着外载的增大而增加。

深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究

为了对深部高应力裂隙煤岩体变形破坏特征及改性强化机理进行研究,首先采用小孔径水压致裂法对埋深500 m左右和1000 m左右的地应力分布特征进行现场实测研究,以此为基础对比分析了不同埋深条件下地应力分布特征、煤岩体破裂强度及典型裂隙分布发育特征,拟合得到了不同埋深条件下裂隙煤岩体摩尔强度包络线公式。采用数值模拟方法对比研究了不同埋深不同应力水平条件下煤岩体不同角度裂隙变形破坏特征。根据裂隙扩展应变能释放率与能量吸收率间的关系,探讨了影响深部裂隙煤岩体改性强化的主要影响因素。通过建立裂隙悬臂梁力学模型,采用格里菲斯裂纹扩展破坏准则分析了裂隙扩展临界载荷和裂隙不同角度间的关系。基于现场实测及数值模拟研究结果,通过对不同埋深煤岩体破裂强度的统计分析,结合煤岩体改性强化的工艺及装备要求,提出了深部裂隙煤岩体改性强化的基本原则及临界值范围。基于上述研究成果,在千米深井工作面巷道进行了现场试验,得到了裂隙煤岩体改性强化高压注浆全过程改性压力曲线。通过对裂隙煤岩体不同改性强化阶段浆液扩散特征的分析,最大注浆改性强化压力为30 MPa,一般为15~20 MPa,与提出的改性原则相符。通过现场取样表征分析、实验室扫描电镜对尺度2~20μm浆液固结体特征进行对比分析,采用纳米压痕试验对浆液固结体和煤岩体的界面弹性模量效应进行了分析,从宏观到微观验证了裂隙煤岩体改性强化效果良好。

分级静动组合加载下裂隙煤岩破裂特性

为研究分级预静载与不同动载振幅水平组合加载下裂隙煤岩的力学特性和破坏演化特征,以不同倾角预制裂隙冲击倾向性煤岩为试验对象,利用岩石动静三轴力学试验系统,开展“分级预静载+动力扰动”组合加载试验,并辅以高速摄像机研究煤岩的裂纹扩展特征。结果表明:分级静动组合加载下,完整煤岩和部分含预制裂隙煤岩显现应力-应变强化现象,峰值强度有不同幅度的提高,表现出显著的应变率效应,但随着动载振幅水平增大,强化阶段提前显现,强化现象持续时间大幅缩短,加速煤岩的破坏过程;随着煤岩预制裂隙倾角增大,峰值应力整体先减小后增大,而变形能力与其峰值应力变化趋势呈负相关;裂隙煤岩裂缝扩展尺度随着预制裂隙倾角的增大呈先增大后减小,高水平动载振幅下,随着预制裂隙倾角增大,拉伸裂纹向剪切裂纹过渡,破坏模式发生转变。试验结果有助于深入理解深部煤岩体承受高地应力和增幅动力扰动作用下的力学特性及破裂演化特征,可为矿井开采动力灾害预报与控制提供理论参考。

玉华矿4-2煤裂隙煤岩三轴压缩破坏机理研究

采用TAW—1000三轴试验系统进行不同围压下完整和单一裂隙煤岩的三轴压缩试验,并借助声发射监测系统,结合裂隙煤岩破坏图及应力应变关系,分析了裂隙煤岩的破坏机理。结果表明:单一裂隙煤岩相比于完整煤岩受力更复杂,裂隙尖端应力集中,形成微裂隙并发育贯通,造成煤岩更早进入塑性阶段,导致煤岩强度和弹性模量的劣化显著;裂隙煤岩与完整煤岩相比,在较高围压下侧向变形更加显著;随着围压增大,45°裂隙煤岩破裂形态呈现出由直剪破坏向斜剪破坏过度的破坏形态;60°裂隙煤岩应力应变曲线呈现平台式软化,且围压增大弹性模量变化不明显;在相同围压下,随着裂隙角度的增加,裂隙煤岩力学参数劣化显著;裂隙倾角与振铃计数呈正相关。

单轴应力下煤裂隙演化规律及数学表征

为了探究单轴应力加载过程中煤的天然裂隙结构演化规律及数学表征方法,基于计算机断层(computed tomography, CT)扫描试验,重构了能准确描述天然裂隙结构的三维数值模型,开展了煤样的单轴压缩数值模拟试验。引入长度、开度、裂隙度和分形维数表征裂隙空间形态,分析表征参数随载荷增加的变化规律,揭示了单轴应力加载过程中煤裂隙结构的演化特征。研究发现天然煤层内部多为小尺度裂隙,加载过程中裂隙演化可分为2个阶段:第一阶段,即加载初期,裂隙被压实闭合,对比未加载时,裂隙长度上限值下降44%,裂隙度下降35%,分形维数下降22%;第二阶段,随载荷增加,煤内部裂隙开始发育,峰值载荷时,长度平均上升10%,裂隙长度最小区间的分布频率上升12%,开度最小区间的分布频率上升50%。研究成果为揭示煤体在载荷作用下的裂缝扩展规律、有效实施水力压裂技术提供了理论依据。

基于卷积神经网络的煤岩微裂隙提取方法

深部开采导致的煤岩裂隙结构的延伸、贯通及扩展是引起煤岩破坏的关键因素。裂隙结构的准确表征是分析煤岩破坏机理及开展煤与瓦斯绿色共采的核心要素之一。本研究采用Waifu2x卷积神经网络模型对裂隙煤岩CT图像进行处理,获得分辨率更高的CT图像。并提出“裂隙煤岩标注七步处理法”,提高了标记效率,采用图像增强技术扩充训练集,满足了模型对于训练集数量和质量的要求。采用训练后的U-Net卷积神经网络进行图像分割,提取煤岩内裂隙信息。通过对比发现,本方法所获得的裂隙连通性、开度及分布与真实CT图像更为接近,所提取的裂隙4个量化指标均优于其他提取方法。研究为裂隙煤岩物理力学行为及机理分析提供基础。

裂隙煤岩材料超声波无损探伤实验系统设计与应用

超声波无损探伤实验是工科教育的重要实践教学环节,对于培养学生实践操作能力和创新思考能力具有重要意义。深部地下工程中,煤岩材料往往含有大量孔隙和裂隙,常规超声波无损探伤实验技术难以对煤岩材料内部损伤程度进行定量化评估。为了提高超声波无损探伤效果,基于MATLAB GUI开发了适用于裂隙煤岩材料的超声波无损探伤实验系统,系统包括超声波时域特征分析模块、频谱特征分析模块、散射特征分析模块和材料损伤综合评估模块。该实验系统可用于分析超声波穿透煤岩材料后的幅值衰减规律、主频变化规律和波形散射特征,最终采用品质因子对煤岩材料损伤状况做出综合定量评估。该实验系统提高了超声无损探伤实验技术适用性,有助于学生充分理解煤岩材料无损探伤的技术原理和操作方法,提高学生在地下岩土工程安全检测方面的实践应用能力。

冻结裂隙煤岩单轴压缩破坏机制及细观参数反演

煤岩的变形破坏是一个复杂的渐进演化过程,为了研究冻结条件下裂隙煤岩的破坏机理,基于CT扫描图像,应用三维离散元模拟方法,建立了冻结裂隙煤岩的单轴压缩模型。对比分析数值试验与室内压缩试验得到的应力-应变曲线,发现二者吻合较好。通过对数值模拟结果的系统分析,得到了冻结裂隙煤岩的细观结构损伤过程和宏观变形破坏规律,也发现了煤岩的弹性模量和强度随温度变化的发展规律,同时给出了煤岩强度和弹性模量与温度的数学关系式。以上研究表明,离散元模拟方法能够为研究冻结裂隙煤岩的细观损伤演化和宏观破坏变形提供新思路,可为岩体工程的安全稳定分析提供理论依据和参数基础。

贵州盘县某矿区孔裂隙发育及煤变质程度对煤储层渗透性影响初探

基于煤储层渗透性是煤层气资源开发成败的关键因素,结合贵州盘县某矿区的煤层裂隙发育程度,从研究区的部分煤层孔隙率、多组煤样的液氮吸附和压汞实验、煤样矩形网状裂隙发育形态、孔隙发育状况及煤岩裂隙形态等方面剖析了孔裂隙发育程度对研究区煤储层渗透性的影响。煤变质程度对贵州矿区煤储层渗透性影响研究表明:渗透率和孔隙度总体趋势随着镜质组最大反射率逐渐升高,有先减小后增大的明显趋势;煤阶较低煤层的煤岩孔隙度大,渗透率较高;随着埋深的逐渐增加,煤变质程度逐渐加大,其渗透率随之降低;但镜质组最大反射率大于2.5%时,煤层孔隙度和渗透率也随之变大。

煤岩体应力波传播规律及其影响因素的数值分析

大多数煤岩体存在不同程度的损伤,分布有大量裂隙,当应力波传播穿过裂隙时,会出现波速下降、能量衰减及时间延迟等现象。为了理清应力波通过煤岩体裂隙时间延迟的规律,并对其进行定量分析,反演煤岩体内部破坏程度,采用数值计算的方法,对应力波在含单个裂隙煤岩体内的传播规律进行了研究,分析了应力波过缝前、过缝中、过缝后的波形特征,和裂隙宽度、荷载参数及岩层参数对延时规律的影响。研究结果表明:应力波过缝延时与缝宽、密度和荷载周期等因素呈正相关,各因素的敏感性排序为:缝宽>弹性模量>岩层密度>荷载振幅>荷载周期。其中,缝宽引起的延迟时间是荷载周期的0.23倍。研究结果揭示了连续一非通续单元法可以较好地模拟应力波在裂隙煤岩体内的传播规律。