煤巖圖像處理及細(xì)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(guò)程的本構(gòu)模型，一直是采礦工程領(lǐng)域十分關(guān)注的問(wèn)題。由于煤巖本身的復(fù)雜性，以及試驗(yàn)條件、測(cè)量手段等限制，目前有關(guān)煤巖損傷理論還需進(jìn)一步發(fā)展完善。本文基于細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)和細(xì)觀結(jié)構(gòu)量化試驗(yàn)，分別采用細(xì)觀損傷理論的兩類(lèi)構(gòu)建方法，系統(tǒng)性地研究了煤巖變形破壞全過(guò)程，建立了煤巖彈-脆性損傷本構(gòu)模型和MCDC模型，并運(yùn)用于實(shí)例進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　煤巖細(xì)觀量化結(jié)果的精確與否，直接影響上述本構(gòu)模型的準(zhǔn)確程度。數(shù)字圖像處理（D

2、IP）技術(shù)是一種有效的細(xì)觀結(jié)構(gòu)信息量化手段，具有精確測(cè)量和數(shù)字表達(dá)等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于學(xué)科跨度較大，DIP技術(shù)在巖石力學(xué)中運(yùn)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(wú)法滿(mǎn)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(diǎn)，提出了能夠準(zhǔn)確全面地表達(dá)煤巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)信息的改進(jìn)C-V模型和改進(jìn)LBF模型。主要研究成果如下：
　　1）通過(guò)引入圖像增強(qiáng)算子、規(guī)范初始水平集函數(shù)等技術(shù)改進(jìn)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(duì)普遍存在灰度不均一、弱邊緣、噪聲污染嚴(yán)重、目標(biāo)與背景對(duì)比度低等特點(diǎn)的煤巖圖像，改進(jìn)的模型具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和更高的分割精度。
　　2）煤巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)信息中各度量損傷的基準(zhǔn)及其定義的損傷變量，與宏觀力學(xué)響應(yīng)有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，且均在煤巖極限承載強(qiáng)度處發(fā)生急劇改變，表明煤巖是一種脆性或準(zhǔn)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?yàn)閾p傷主要發(fā)生方向，

4、可以作為計(jì)算損傷的簡(jiǎn)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(zhǔn)。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(biāo)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(zhǔn)定義的損傷變量，綜合考慮了煤巖表面細(xì)觀結(jié)構(gòu)的形態(tài)信息和空間分布關(guān)系，同時(shí)由于不需要各細(xì)觀結(jié)構(gòu)的具體信息參數(shù)，實(shí)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(qiáng)度前
　　峰值強(qiáng)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(zhǎng)的裂隙壓密階段，而現(xiàn)有的損傷本構(gòu)模型對(duì)此較少關(guān)注。本文基于細(xì)觀計(jì)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(duì)上述階段進(jìn)行了準(zhǔn)確描述。其與以往細(xì)觀計(jì)算損傷模型的區(qū)別還在于：①其概率分布模型采用對(duì)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