煤巖圖像處理及細觀損傷本構(gòu)模型研究.pdf

1、如何構(gòu)建反映煤巖變形破壞全過程的本構(gòu)模型，一直是采礦工程領(lǐng)域十分關(guān)注的問題。由于煤巖本身的復(fù)雜性，以及試驗條件、測量手段等限制，目前有關(guān)煤巖損傷理論還需進一步發(fā)展完善。本文基于細觀力學試驗和細觀結(jié)構(gòu)量化試驗，分別采用細觀損傷理論的兩類構(gòu)建方法，系統(tǒng)性地研究了煤巖變形破壞全過程，建立了煤巖彈-脆性損傷本構(gòu)模型和MCDC模型，并運用于實例進行了對比分析。
　　煤巖細觀量化結(jié)果的精確與否，直接影響上述本構(gòu)模型的準確程度。數(shù)字圖像處理（D

2、IP）技術(shù)是一種有效的細觀結(jié)構(gòu)信息量化手段，具有精確測量和數(shù)字表達等優(yōu)點。然而，由于學科跨度較大，DIP技術(shù)在巖石力學中運用往往滯后于自身發(fā)展，更多地采用傳統(tǒng)圖像分割方法，無法滿足煤巖圖像處理要求。本文引入基于偏微分方程圖像處理理論，并結(jié)合煤巖圖像特點，提出了能夠準確全面地表達煤巖細觀結(jié)構(gòu)信息的改進C-V模型和改進LBF模型。主要研究成果如下：
　　1）通過引入圖像增強算子、規(guī)范初始水平集函數(shù)等技術(shù)改進了C-V模型和LBF模型。相

3、比傳統(tǒng)圖像處理技術(shù)和以往的基于偏微分方程的方法，對普遍存在灰度不均一、弱邊緣、噪聲污染嚴重、目標與背景對比度低等特點的煤巖圖像，改進的模型具有更強的適應(yīng)性和更高的分割精度。
　　2）煤巖細觀結(jié)構(gòu)信息中各度量損傷的基準及其定義的損傷變量，與宏觀力學響應(yīng)有明顯對應(yīng)關(guān)系，且均在煤巖極限承載強度處發(fā)生急劇改變，表明煤巖是一種脆性或準脆性材料。本文定義的基于面積與方位角的損傷變量，反映了煤巖材料的各向異性，其數(shù)值最大方向為損傷主要發(fā)生方向，

4、可以作為計算損傷的簡化方向。
　　3）圖像紋理信息可以作為度量煤巖材料損傷的基準。圖像紋理信息包括分形維數(shù)和紋理特征參數(shù)，分形維數(shù)著重于目標內(nèi)容的形態(tài)，而紋理特征參數(shù)則側(cè)重描述圖像內(nèi)容的空間分布。采用紋理特征參數(shù)作為度量損傷基準定義的損傷變量，綜合考慮了煤巖表面細觀結(jié)構(gòu)的形態(tài)信息和空間分布關(guān)系，同時由于不需要各細觀結(jié)構(gòu)的具體信息參數(shù)，實際應(yīng)用更加方便。其與軸向應(yīng)變具有顯著的非線性關(guān)系，可以表述為:此處公式省略！并由此建立煤巖彈-脆

5、性損傷本構(gòu)模型，損傷本構(gòu)方程為:此處公式省略！
　　峰值強度前
　　峰值強度后
　　4）煤巖內(nèi)部廣泛存在的孔隙、裂隙等初始損傷，常常造成宏觀應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在較長的裂隙壓密階段，而現(xiàn)有的損傷本構(gòu)模型對此較少關(guān)注。本文基于細觀計算損傷理論構(gòu)建了含初始損傷和線彈性損傷影響的MCDC模型，對上述階段進行了準確描述。其與以往細觀計算損傷模型的區(qū)別還在于：①其概率分布模型采用對數(shù)正態(tài)分布，具有“比例效應(yīng)”、中心極限定量等充足的概