【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(duì)預(yù)防煤巖動(dòng)力災(zāi)害有重大意義。且由于煤和巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度,煤巖體在發(fā)生失穩(wěn)破壞的過(guò)程中,拉伸破壞往往占據(jù)了主要的部分。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)煤巖體在沖擊拉伸破壞下的破壞過(guò)程進(jìn)行了描述并其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)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(guò)程時(shí)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(guò)程。同時(shí),煤巖體在沖擊加載下的失穩(wěn)破壞過(guò)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(dòng)態(tài)沖擊下破壞狀態(tài)的表現(xiàn)形式,也是煤巖體當(dāng)前狀態(tài)最直接的體現(xiàn),因此通過(guò)裂紋擴(kuò)展的圖像信息可以更好地反映煤巖體的破壞過(guò)程。然而由于閾值分割等傳統(tǒng)圖像處理算法無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)煤巖體裂紋進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和定量化,目前應(yīng)用裂紋特征描述煤巖體破壞過(guò)程的研究較少。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)可以對(duì)煤巖體裂紋進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和定量化的方法,進(jìn)而研究煤巖體在沖擊破壞過(guò)程中的裂紋擴(kuò)展特征及其與動(dòng)力學(xué)特征的關(guān)系,為進(jìn)一步揭示煤巖體的破壞過(guò)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(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和高幀率攝像機(jī)同步采集了煤巖體在沖擊破壞下的應(yīng)力波信號(hào)和破壞視頻圖像。通過(guò)設(shè)計(jì)的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CrackSHPB模型對(duì)煤巖體破壞過(guò)程中的裂紋進(jìn)行了識(shí)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(dòng)態(tài)劈裂拉伸破壞過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性、裂紋演化擴(kuò)展規(guī)律以及二者之間的關(guān)系。最后,基于非局部近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)理論,分別對(duì)砂巖和煤的SHPB動(dòng)態(tài)沖擊破壞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了建模、求解和分析。本文的具體研究?jī)?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(duì)煤巖破壞視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了3個(gè)方面的研究:(1)提出了一個(gè)包括“局部濾波—平均曲率流計(jì)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(duì)比度并保留裂紋的原始特征形態(tài)。(2)針對(duì)SHPB沖擊破壞過(guò)程中采集到的煤巖圖像分辨率較低的問(wèn)題,在保證圖像質(zhì)量的情況下對(duì)低分辨率的煤巖裂紋圖像進(jìn)行了3倍的超分辨率重構(gòu)。(3)為了實(shí)現(xiàn)SHPB沖擊破壞下對(duì)煤巖體裂紋的自動(dòng)識(shí)別,提出并實(shí)現(xiàn)了1個(gè)具有44萬(wàn)個(gè)權(quán)重參數(shù)的CrackSHPB模型,在TensorFlow深度學(xué)習(xí)框架中對(duì)其進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。采用RatSnake開源標(biāo)注軟件,創(chuàng)建了2個(gè)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(gè)可以從不同角度評(píng)價(jià)煤巖體裂紋算法優(yōu)劣性的指標(biāo):precision、recall、F1-score以及AUC ROC。通過(guò)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)集和提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)中煤巖圖像的裂紋進(jìn)行了識(shí)別,結(jié)果表明CrackSHPB模型在對(duì)煤巖體裂紋識(shí)別上各個(gè)指標(biāo)都取得了較高的準(zhǔn)確率。在對(duì)BXY砂巖的裂紋識(shí)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(zhǔn)確率。在對(duì)BCM和BPM煤樣的裂紋識(shí)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(zhǔn)確率。(2)SHPB沖擊加載下煤巖動(dòng)力學(xué)特征研究通過(guò)應(yīng)變片及超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集了煤巖SHBP沖擊破壞實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力波數(shù)據(jù),研究了煤巖體在沖擊破壞下的動(dòng)力學(xué)特性。(1)采用EMD分解和HHT變換對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力波數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波處理,之后采用“二波法”公式計(jì)算了煤巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度、應(yīng)變率、破壞應(yīng)變、應(yīng)變能以及比能量吸收值等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。(2)砂巖與煤在沖擊破壞過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本一致,可以劃分為初始?jí)好茈A段、彈性變形階段、裂紋擴(kuò)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(dá)應(yīng)力峰值,進(jìn)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?jí)好茈A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(shì)基本相同,大致可以劃分為:緩慢增長(zhǎng)階段、快速增長(zhǎng)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(huì)影響砂巖材料的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度,且最大應(yīng)變率較平均應(yīng)變率對(duì)其動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的影響更為明顯。而煤體的應(yīng)變率與動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度并無(wú)明顯關(guān)系。對(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度普遍高于平行層理加載方向的煤樣,說(shuō)明在在垂直方向煤的動(dòng)態(tài)抗拉性更強(qiáng)。隨著沖擊速度的增加,平行層理煤樣的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度變化幅度普遍大于垂直層理方向。同時(shí),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(duì)煤巖體動(dòng)力學(xué)特征有較大的影響。當(dāng)沖擊速度較小時(shí),砂巖的最大應(yīng)變率及動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度保持不變,隨著沖擊速度的增加,砂巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)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(dòng)。(3)SHPB沖擊加載下煤巖裂紋擴(kuò)展特征研究通過(guò)提出的CrackSHPB模型、裂紋定量化方法和裂紋特征參數(shù),對(duì)沖擊破壞實(shí)驗(yàn)中33組煤巖體產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行了識(shí)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(zhǎng)速率及裂紋沿X-Y軸的擴(kuò)展速率基本符勻速增長(zhǎng)特性。(2)對(duì)于煤巖動(dòng)態(tài)巴西圓盤劈裂實(shí)驗(yàn),其表面裂紋破壞從中心起裂,逐漸演化擴(kuò)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(qiáng)度準(zhǔn)則。對(duì)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(kuò)展,層理方向慢慢產(chǎn)生次生裂紋,之后與中心裂紋一起擴(kuò)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(guò)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(guò)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(guò)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(dòng)力特征數(shù)與裂紋擴(kuò)展特征的對(duì)比研究(1)沖擊速度對(duì)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(kuò)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(shì),裂紋沿Y方向擴(kuò)展速率同樣表現(xiàn)出先降低后增加的變化趨勢(shì)。(2)煤巖體在受到?jīng)_擊后,并沒(méi)有立刻出現(xiàn)裂紋,但應(yīng)力逐漸增加。同時(shí)煤在受沖擊后出現(xiàn)裂紋的時(shí)間要遠(yuǎn)大于砂巖,說(shuō)明煤進(jìn)入塑性區(qū)需要更長(zhǎng)的時(shí)間,這主要是由于煤在進(jìn)入塑性區(qū)前既包括彈性變形階段,又包括壓密階段。當(dāng)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(zhǎng)速率的增加,砂巖和煤的應(yīng)力下降速率逐漸增大,說(shuō)明煤巖材料在發(fā)生破壞失穩(wěn)后其裂紋面積增長(zhǎng)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(zhǎng)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(shì)。(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(guò)程中裂紋面積增長(zhǎng)速率表現(xiàn)出了明顯的負(fù)相關(guān)性。而隨著裂紋面積增長(zhǎng)速率的增加,煤的應(yīng)變率都在較小范圍內(nèi)波動(dòng)。(5)非局部近場(chǎng)動(dòng)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(guò)7860個(gè)材料點(diǎn)的位置變化可以清晰地描述裂紋的起裂、擴(kuò)展過(guò)程以及貫通后的裂紋形態(tài),與實(shí)驗(yàn)采集的破壞圖像基本一致,且本文建立的模型對(duì)其次生裂紋也進(jìn)行了較好的模擬。同時(shí)模擬得出的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較為一致,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)和模擬的準(zhǔn)確性。此外,模擬中計(jì)算了整個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)其進(jìn)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(shí)在模擬的過(guò)程中發(fā)現(xiàn),由所有尚未損傷材料點(diǎn)(彈性部分)的總應(yīng)變能W計(jì)算出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系即使在塑性區(qū)與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果也較為吻合。這從另一方面說(shuō)明了煤巖體在進(jìn)入塑性區(qū)后,可以認(rèn)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(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(huì)增加更多的計(jì)算時(shí)間。因此，在對(duì)煤巖圖像濾波時(shí)，我們需要在去掉標(biāo)定線的同時(shí)，不對(duì)圖像的其他的區(qū)域帶來(lái)影響，特別是煤巖體表面裂紋的區(qū)域。本文在處理時(shí)首先利用表定點(diǎn)的坐標(biāo)找到各個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，之后用一個(gè) 3x3 的區(qū)域塊的中間值來(lái)對(duì)此點(diǎn)進(jìn)行替代，具體計(jì)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(biāo)定點(diǎn)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(jì)算高斯曲率和主曲率等，之后再對(duì)曲率的大小進(jìn)行各向異性的擴(kuò)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(gè)最為主要的問(wèn)題，即系統(tǒng)處理的數(shù)字圖像是離散的。雖然仍可以計(jì)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(diǎn)出現(xiàn)二階不可導(dǎo)現(xiàn)象。對(duì)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(hào)保留，同時(shí)，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(duì)頻率進(jìn)行選擇濾除，但是不具有通用性，因?yàn)槊恳粡垐D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(wèn)題。如圖 2.5 所示，可以看到經(jīng)過(guò)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(duì)背景噪聲進(jìn)行了有效的濾除。同時(shí)也注意到，雖然經(jīng)過(guò)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(duì)比度仍然很低，因此需要進(jìn)一步處理。

可以有效地提高圖像的全局對(duì)比度。同時(shí)，直方圖均衡化也是一個(gè)可逆的操作，這對(duì)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(duì)圖像中存在的灰度值進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì)，即橫坐標(biāo)代表了灰度值，縱坐標(biāo)代表了該灰度值下像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，通過(guò)將圖像的直方圖展示出來(lái)可以直觀地看到整個(gè)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(méi)有一個(gè)明顯的波谷。(a) 巖石圖像 (b) 煤樣圖像

本文編號(hào)：2795441