光测方法在岩层移动相似模拟实验中的应用

以淮南潘一矿11-2槽煤层2171(1)工作面为工程背景,进行了深部开采情况下上覆岩层的移动和地表沉陷相似材料模型实验.将非接触式的光学测量技术数字散斑相关方法引入到该实验中来,对该方法应用于相似材料模型实验的精度进行了分析,通过计算得到了不同推进度下的上覆岩层移动的全场等高线云图,分析了上覆岩层的移动规律.结果表明,数字散斑相关方法不仅克服了传统机械点测量方法的某些缺点,同时具有较高的精度,可用于相似材料的模型实验.

隐伏走滑断层破裂扩展特征的实验研究

通过模拟实验研究了基岩中走滑断层在上覆沉积层中的破裂扩展特征,利用白光数字散斑相关方法分析了沉积层表面变形场的演化过程,重点研究了基岩断层位移和沉积层厚度的影响。结果表明,在沉积层厚度一定的情况下,随基岩断层的滑动,沉积层中围绕断层投影线逐渐形成一个变形带以及由张性破裂和剪切破裂组成的破裂带,基岩断层的位移越大,沉积层中的变形带越宽、变形越强烈;但当基岩断层位移超过某一临界值后,变形带宽度将保持稳定,只是变形随断层位移增加而更集中。对于同样的基岩断层位移,沉积层厚度越大,受基岩断层控制的变形破裂带越宽,即基岩断层的影响范围越大;但当沉积层厚度超过某一临界值时,沉积层的变形发生了变化,沉积层表面并不存在与基岩断层走向一致的变形带,而是发育了较大尺度、与基岩断层走向斜交的张剪性破裂带。实验结果意味着,临界断层位移和临界沉积层厚度对于确定隐伏断层发震产生的地表变形和破坏具有重要意义。

高速冲击载荷作用下巷道动态破坏过程试验研究

冲击地压瞬时释放大量积聚能量,造成巷道严重破坏,直接影响煤矿安全生产。利用爆炸加载相似模拟试验和数字散斑观测方法(DSCM),研究高速冲击载荷作用下巷道动态破坏过程。试验结果表明,高速冲击波以巷道方向传递为主,顶板处变形较大,顶板岩层与煤岩体交界处发生错动,上部岩层明显下沉,顶板岩层受拉剪破坏,裂缝逐渐发育延伸至巷道;冲击波重复作用致使顶板岩体破碎,进而造成巷道局部破坏或垮塌。数字散斑观测结果说明,在高速冲击载荷作用下,顶板产生下沉位移约为4 mm,进而冲击波向两帮传播,岩层破碎后沿表面剥离脱落,表现为散斑计算结果云图中出现白色空白区。

用数字散斑法测量铜/铝复层板拉伸变形

提出了一种基于数字散斑相关法和双目立体视觉技术的全场三维变形测量方法,实现了对爆炸焊接制备的铜/铝复层材料的变形测量。研究了该方法所涉及的数字散斑相关算法、三维坐标、位移和应变计算等关键技术,借助于VC++6.0开发环境,研制并开发了用于铜/铝复层板全场变形测量的试验系统及其软件。为了验证本文所述测量方法的可行性,进行了精度验证实验和铜/铝复层板单向拉伸试验,且对复层板拉伸试验结果与有限元软件Abaqus数值模拟结果进行了对比分析。结果表明:本文方法的应变测量精度优于0.5%,与引伸计测得的结果基本相当;测得的应变极值分布与有限元模拟结果很吻合;在板料发生颈缩前,塑性应力-应变模拟曲线与试验结果很吻合;整个变形过程中位移-载荷模拟曲线的变化趋势与试验结果一致,模拟得到的极限载荷的相对误差为0.06%～2.25%。实验结果说明,数字散斑方法是一种精确获得复层板料全场应变的有效手段。

高速冲击作用下锚杆支护巷道变形破坏研究

以波动冲击理论为基础,利用低能爆炸载荷模拟冲击地压能急剧释放,采用数字散斑光测方法(DSCM),对锚杆支护巷道变形破坏进行相似模拟研究。试验结果表明,在高速冲击载荷作用下,巷道顶板及模型顶板分别出现竖向和横向裂缝,且顶板有明显下沉,位移约为2.5 mm,进而巷道顶板岩层与锚网脱离、塌落。试验结果也说明锚杆支护方法适用于弱冲击地压等级的巷道支护,对于强冲击巷道支护可采取增设柔性吸能材料或加固措施。

冲击波作用下巷道破坏规律相似模拟研究

利用爆炸加载的方式,采用相似材料模拟试验方法,借助数字散斑观测手段(DSCM),研究不同炮孔位置和装药量条件下巷道变形破坏规律。试验结果表明,微量炸药引爆后,冲击应力波以巷道方向传递为主,巷道顶板附近形成裂纹、破碎或坍塌区;当装药量足够大时,冲击波对上部岩体破坏力明显增大,冲击能是影响巷道破坏程度的主要因素。试验结果还表明,高速冲击载荷作用下巷道围岩体破坏过程可分为拉剪裂缝、重复拉剪破碎和破坏三个阶段。其中,当炮孔距离巷道为450mm,装药量为6.0g时,巷道顶板附近出现裂缝,属于拉剪裂缝阶段;当炮孔距离巷道为300mm,装药量为6.0g时,巷道顶板附近裂缝较为发育,且巷道顶层出现部分塌落,属于重复拉剪破坏阶段;当炮孔距离巷道为200mm,装药量为8.0g时,巷道顶板出现塌落,且四周破坏,属于破坏阶段。研究结果为冲击地压巷道破坏预测和防治提供了有力参考。

深部开采对覆岩破坏移动规律的实验研究

根据淮南矿业集团潘一矿2171(1)工作面开采实践,采用相似材料模拟实验。利用电子经纬仪与数字散斑相关方法相结合监测位移,分析研究了采场上覆岩层的"三带"特征及分布规律,上覆岩层移动发展趋势、演化规律、存在范围及形态,以及与开采宽度的关系。结果表明:一定采宽后顶板垮落规律显著,断层下顶板周期断裂步距减小;岩层下沉系数与岩层高度和采厚比成线性关系,上覆岩层沉降具有非对称性;离层裂隙的发生、扩展、闭合受关键岩层的影响和控制。数据分析还表明,数字散斑相关方法具有较高的精度,这一新的研究方法引入,丰富了上覆岩层活动规律的研究手段。本文结果可为指导工程实践提供重要理论依据。

基于单幅数字散斑投影及图像相关的离面振动测量

采用单幅数字散斑图投影及高速数字图像采集技术,研究了动态离面位移的测量。采用商用液晶投影仪将计算机产生的模拟散斑图投影到待测动态变形物体表面,由高速数字图像采集设备摄取并保存变形散斑图,采用时间序列数字图像相关软件计算出物体表面各点随时间变化的离面位移。这种方法用于振动分析时不仅可以获得振型分布,而且还可以获得各点的振幅值。与现有的激光频闪照相测振及激光多普勒测振等方法相比,具有光学系统简单,可全场定量测量。悬臂梁振动实验结果证实了该方法的有效性。

煤层倾角变化对采动覆岩变形规律影响的相似模拟试验研究

为研究工作面开采后顶板变形破坏随煤层倾角变化的规律,以南桐矿区不同倾角的同一煤层开采为工程研究背景,分别选取缓倾斜、倾斜、急倾斜三种煤层倾角进行煤层开采顶板变形破坏规律的相似模拟试验。对相似模型开挖前后图像进行数字散斑相关法处理,得到相似模型煤层开采后顶板覆岩位移及平面总应变等值线云图。通过综合分析顶板位移及平面总应变可知:上覆岩层变形的破坏程度总体上是随煤层倾角的增加呈减小趋势,其下沉剧烈区域和膨胀变形破坏剧烈区域呈逐渐向工作面上山方向发展的趋势;根据顶板位移云图和平面总应变云图中的等值线极值区域特征,确定了缓倾斜、倾斜煤层开采垮落带、裂隙带高度和偏心程度等参数,并根据"压力拱"理论确定了急倾斜煤层开采裂隙带范围;随煤层倾角增大"两带"高度总体上呈减小趋势,且"两带"偏心方向呈向上山方向增加的趋势。

爆炸冲击载荷作用下吸能支护巷道变形规律研究

利用低能爆炸加载方式,采用相似材料模拟试验方法,借助数字散斑光测手段(DSCM),研究高速冲击载荷作用下吸能支护巷道变形规律。试验结果表明,巷道顶板首先出现微裂缝,顶板向下位移约为0.6 mm,顶板岩层与煤层交界处无错动现象,冲击波重复作用使得模型顶面出现贯通裂缝,但巷道及周围岩体并无破坏,说明吸能支护可吸收大量冲击能,从而有效降低对巷道的冲击破坏。通过模拟试验结果可知,采用吸能支护可大大降低巷道的破坏程度,对于采矿工程安全生产具有实际意义,同时为巷道支护提供一种新方法。

爆炸应力波作用煤巷变形破坏模拟试验研究

采用相似材料和数值模拟试验方法,利用数字散斑观测(DSCM)技术,对不同炮孔位置和装药量条件下煤巷变形破坏进行模拟试验研究,得到爆炸应力波在煤岩中的传播规律.试验结果表明:(1)爆炸应力波沿垂直巷道方向上传播为主,巷道顶板附近形成裂纹、破碎或坍塌区;随着装药量不断增加,应力波对上部岩体破坏力明显增大,应力波能量是影响巷道破坏程度的主要因素.(2)装药量为4.0g,炮孔距离分别为450mm和300mm时,第一次引爆(距离为450mm)后,巷道顶板附近出现裂缝,属于拉剪裂缝;第二次引爆(距离为300mm)后,巷道顶板附近裂缝较为发育,且巷道顶层出现部分塌落,属于重复拉剪破坏;装药量为8.0g,第三次引爆(距离为200mm)后,巷道顶板出现塌落,且四周破坏,说明随着炮孔距离推进和装药量增加,巷道变形破坏程度更严重.(3)数值计算结果表明,顶板受冲击作用和下沉位移较大,两边帮向巷道内部弯曲变形也较大,冲击载荷对巷道变形破坏影响较大,与相似材料试验结果具有一致性.

高聚物粘结炸药模拟材料动态变形破坏的实验研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)加载装置对高聚物粘结炸药(PBX)模拟材料进行动态拉伸和压缩加载。利用高速摄影装置记录材料动态变形破坏过程,结合数字散斑相关技术,对不同加载条件下的位移场和应变场进行了分析,对PBX模拟材料动态变形破坏现象和机理进行了分析。实验结果和理论分析基本吻合,验证了数字散斑相关方法用于PBX模拟材料动态测量的可行性。

数字散斑时间序列相关三维面形测量中提高精度的方法

:本文提出一种基于数字散斑时间序列相关三维面形测量法中提高测量精度的方法—多相关峰优化法。在数字散斑时间序列相关测量法中 ,当物体表面存在复杂细微结构时 ,被物体调制的散斑图中局部区域的散斑子图像会出现明显变形和局部阴影 ,这时相关曲线会出现多相关峰。由于相关值很低 ,这些相关峰对应高度都有可能是测量点的高度值。本文用特殊的算法对这些相关峰对应高度值进行辨别 ,找出最适合的高度值作为测量值 ,对测量结果进行优化。实验证明该方法对改善因局部区域的散斑子图像的变形和局部阴影影响而导致的测量误差具有非常显著的效果 。

数字散斑时间序列相关的计算机模拟及系统参数选择

本文分析了数字散斑时间序列相关方法中由于参考平面沿z轴方向平移而引起的散斑场的平移和缩放,并进行了计算机模拟,得出了决定参考平面间距选取的因素。本文分析的结果将有助于确定数字散斑时间序列相关系统的设计参数,以及系统校准过程中参考平面间距的确定原则,为系统设计提供理论依据和技术方案。

基于数字散斑相关方法的矿山相似模拟位移监测

为解决传统采矿相似模拟观测方法存在的自动化程度低、试验前安装过程麻烦、工作量大、精度低等缺点,提出一种适用于采矿相似模拟模型的数字散斑相关方法(digital speckle correlation method,DSCM),实现对相似模拟模型位移场的自动监测。该方法考虑模型沉陷位移规律,将有限元思想应用于模型位移监测,并根据位移特点将模型表面进行分区处理,设计搜索区域以及改进有限元方法以求取位移初值。在此基础上,根据位移矢量大小选用不同的搜索方法,得到整像素级位移精确值,接着使用灰度插值法求取亚像素级位移精确值。最后通过单应变换将不同时期的监测点像素坐标映射到物方平面得到监测点物方位移。试验结果表明:利用该方法所测监测点的像方分辨率为0.01像素,物方分辨率高于0.001 m,所得位移场的竖直与水平位移与实际情况一致,可以满足矿山岩层相似模拟试验的要求。

基于数字图像相关法的应变测量理论误差分析

数字图像相关法作为新型的应变测量方法,因其具有全场测量、操作方便等优点已被广泛运用到各个领域。文中通过改进经典的数字图像相关算法,使二次曲面拟合时选择的八连域控制在一个更狭小的精确范围内。通过Matlab实现理论精确控制的模拟散斑图像,理论分析改进后的算法精度及其主要误差影响因素。结果表明,改进后的数字图像相关法理论计算精度提高一个数量级。通过分析不同误差影响因素的具体作用,提出在实际测量中应选择的最适合计算参数。

三维数字图像相关法的初值估计和仿真图研究

三维数字图像相关法主要用来测量物体表面的三维形貌和变形,其关键技术主要包括相机标定、图像匹配、三维重建和三维位移场和应变场的计算等。针对现有的初值估计方法在计算速度和精度上的局限性,提出基于sift的形函数和线性插值的初值估计方法,有效地提高了计算的速度和精度。传统的三维算法精度分析只能借助于高精度的仪器测量对比,为此提出了基于反向映射法的三维仿真散斑图分析方法。仿真结果表明:在小变形情况下z方向的误差在2×10^(-4)%左右,面内位移测量误差在8μm以内。验证了三维仿真散斑图的有效性和三维初值估计策略的可行性。

基于双目视觉的数字散斑时空相关三维面形测量

现有基于数字散斑相关的三维面形测量技术主要有空间相关和时间相关两种。空间相关只需要左右摄像机同步拍摄一帧图像即可重建被测物体三维面形,此类方法适用于测量动态物体,但测量精度较低。时间相关则需要同步获取数十帧散斑图像,重建被测物体三维面形,此类方法测量精度较高,适用于测量静态（或者准静态）物体。本文将数字散斑重建中的时间相关与空间相关技术结合起来,在时空域中进行相关运算,在提高空间测量精度的同时,有效地减少了重建被测物体三维面形所需的投影散斑图像数量。实验表明仅需拍摄5帧散斑图像,就可以重建复杂物体的三维形貌。

应用数字散斑相关的运动轴面位置匹配

由于进行转轴动态扭矩测量时的旋转运动会导致应变测量无法直接进行,故提出了应用数字散斑相关技术的动态转轴表面位置匹配方法。该方法可通过对旋转运动中轴面位置的识别实现后续转轴表面应变位移的计算。搭建了运动轴面数字散斑相关实验系统,进行了轴面灰度值稳定转角范围的标定实验、标准转角的转角位移测量实验和运动轴面位置识别实验。实验表明,本系统轴表面图像在-π/15~π/15转角内灰度值较稳定,该转角范围对应转动方向160个像素,相关系数曲面有明显峰值,转角为-π/15和π/15的相关度分别为0.389 2和0.322 1,超出该范围后图像灰度信息淹没在由轴面弧度变化引起的噪声中;标准转角轴面位移识别精度和运动轴面位置识别精度为1像素。本文方法解决了旋转运动轴面的位置匹配这类大位移测量问题,为动态转轴的位移、应变等测量问题提供了有效方法。

基于数字散斑相关技术与有限元仿真相结合方法研究0Cr18Ni9不锈钢的断裂行为

依据GB/T 21143-2014,对0Cr18Ni9不锈钢板紧凑拉伸试样进行了断裂试验,结合扫描电镜(SEM)观察其钝化线,采用数字散斑相关技术和有限元仿真相结合的方法得到了裂纹区域的应变和应力场。结果表明:0Cr18Ni9不锈钢钝化线斜率约为GB/T 21143-2014推荐经验钝化线斜率的2倍;该材料呈现出高韧性断裂特征,试样在发生较大范围屈服时,裂纹才明显张开,试样启裂时,韧带区域已全面屈服;断裂力学有限元仿真验证了数字散斑相关技术的适用性,数字散斑相关技术能够比较准确地表征裂尖"奇异区"外的结构应变场。