一种基于图像分形特征的裂隙煤岩裂纹扩展分析方法技术

本发明专利技术提供一种基于图像分形特征的裂隙煤岩裂纹扩展分析方法，包括以下步骤：(1)开展力学试验，获取裂隙煤岩破坏过程图像；(2)对裂隙煤岩破坏过程图像进行增强处理；(3)对增强处理后的图像进行二值化处理，获取裂纹形态图像；(4)将裂纹形态图像划分成相同特征长度a的正方形，统计包含裂纹的正方形数目N；(5)采用最小二乘法对lnN与lna进行拟合，得到拟合直线的斜率k，将k的绝对值记为裂纹扩展分形维数D；(6)建立裂纹扩展分形维数D与裂纹扩展速度的关联性，采用分形维数对裂隙煤岩裂纹扩展规律的定量分析。本发明专利技术的所述方法可以更好地揭示裂隙煤岩破坏机理，从而为巷道围岩及煤柱的稳定性评价提供理论依据。定性评价提供理论依据。定性评价提供理论依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于图像分形特征的裂隙煤岩裂纹扩展分析方法


[0001]本专利技术涉及岩石力学分析领域，尤其涉及一种基于图像分形特征的裂隙煤岩裂纹扩展分析方法。

技术介绍

[0002]巷道围岩及煤柱的稳定性直接关系到煤矿安全生产及作业人员生命财产安全。因此，研究煤岩体力学特性和破坏机理是十分必要的。煤岩体破坏失稳的本质是内部微裂纹萌生、扩展和贯通的损伤破坏过程，最终导致煤岩体整体失稳破坏。煤岩体在其形成过程中经历了复杂的地质构造运动，内部分布着大量天然缺陷(如裂隙、节理、层理等)，直接影响到煤体强度、变形和稳定性等；同时，结构面的形态特征(角度、尺寸等)也会对煤岩体失稳破坏产生影响，导致煤岩体损伤破坏机理异常复杂。因此，有必要开展裂隙煤岩的力学特性和破坏机理研究。
[0003]目前，国内外学者主要对裂隙煤岩的力学特性和破坏机理进行分析，并结合高速相机对裂纹扩展规律进行分析，但缺少对裂纹扩展规律的定量描述。随着分形理论的快速发展，分形维数被广泛应用于描述不规则形态的演化过程。因此，结合分形理论可以更好地分析裂隙煤岩裂纹扩展规律，从而揭示其破坏机理。
[0004]本专利技术通过分析裂纹形态图像分形维数演化规律，建立裂纹图像分形维数与裂纹扩展速度及形式的关联性，通过分形维数反映裂纹扩展规律，实现裂隙煤岩裂纹扩展规律的定量分析。此方法可以更好地揭示裂隙煤岩破坏机理，从而为巷道围岩及煤柱的稳定性评价提供理论依据。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种基于图像分形特征的裂隙煤岩裂纹扩展分析方法，首先采用直方图均衡化方法对图像进行增强处理，然后对图像进行二值化处理得到裂纹形态图像，随后对裂纹形态图像分形维数进行计算，建立裂纹图像分形维数与裂纹扩展速度的关联性，通过分形维数反映裂纹扩展规律，实现裂隙煤岩裂纹扩展规律的定量分析。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种基于图像分形特征的裂隙煤岩裂纹扩展分析方法，包括如下步骤：
[0008](1)、通过开展裂隙煤岩
①
静态加载、
②
动态加载和
③
动静组合加载三种不同类型的试验，对每一类型的试验进行图像采集获取加载过程中的裂隙煤岩破坏过程图像；
[0009](2)、基于Image J软件采用直方图均衡化方法对裂隙煤岩破坏过程图像进行增强处理；
[0010](3)、基于Image J软件对增强处理后的裂隙煤岩破坏过程图像进行二值化处理，获取裂纹形态图像；
[0011](4)、将裂纹形态图像划分成相同特征长度a的正方形，统计包含裂纹的正方形数目，符合条件的正方形数目之和记为N；
[0012](5)、在双对数坐标系中画出正方形数目之和N随特征长度a的变化关系，采用最小二乘法对ln N与ln a进行拟合，得到拟合直线的斜率k，将k的绝对值记为裂纹扩展分形维数D；
[0013](6)、建立裂纹扩展分形维数D与裂纹扩展速度的关联性，通过分形维数D的演化规律对裂隙煤岩裂纹扩展过程分阶段描述从而实现裂隙煤岩裂纹扩展规律的定量分析。
[0014]本专利技术的有益效果为：本专利技术提供了一种基于图像分形特征的裂隙煤岩裂纹扩展分析方法，通过分析裂纹形态图像分形维数演化规律，建立裂纹图像分形维数与裂纹扩展速度的关联性，通过分形维数反映裂纹扩展规律，实现裂隙煤岩裂纹扩展规律的定量分析。可以更好地揭示裂隙煤岩破坏机理，从而为巷道围岩及煤柱的稳定性评价提供理论依据。
附图说明
[0015]图1为本专利技术基于图像分形特征的裂隙煤岩裂纹扩展分析方法具体实施过程的流程图；
[0016]图2为本专利技术述及的裂隙煤岩破坏过程图像；
[0017]图3为本专利技术述及的图像增强示意图；
[0018]图4为本专利技术述及的二值化处理示意图；
[0019]图5为本专利技术述及的网格划分方法示意图；
[0020]图6为本专利技术述及的裂纹扩展分形维数求解方法示意图；
[0021]图7为本专利技术述及的依据裂纹扩展分形维数对裂隙煤岩裂纹扩展过程进行阶段划分。
具体实施方式
[0022]下面对本专利技术做进一步描述，但本专利技术的保护范围并不局限于以下所描述具体实施方式的范围。
[0023]结合图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7，一种基于图像分形特征的裂隙煤岩裂纹扩展分析方法，包括如下步骤：
[0024]1、通过开展裂隙煤岩静态加载、动态加载和动静组合加载三种不同类型的试验，对每一类型的试验同步进行图像采集获取不同试验条件下加载过程中的裂隙煤岩破坏过程图像，获取图像如图2所示。
[0025]静态载荷应变率范围为10
‑5～10
‑1s
‑1，动态载荷应变率范围为101～103s
‑1；静态加载采用静态载荷进行加载；动态加载采用动态载荷进行加载；动静组合加载为首先采用静态载荷加载至一定载荷，随后采用动态载荷进行加载。
[0026]2、参照图3，基于Image J软件采用直方图均衡化方法对裂隙煤岩破坏过程图像进行增强处理；
[0027]3、参照图4，基于Image J软件对增强处理后的图像进行二值化处理，获取裂纹形态图像；
[0028]4、根据图5所示的网格划分方法，将裂纹形态图像划分成相同特征长度a的正方形(a＝1,2,4
……
2i个像素)，统计包含裂纹的正方形数目N；其中，所述特征长度a为正方形的边长a。
[0029]5、如图6所示，在双对数坐标系中画出正方形数目N随正方形特征长度a的变化关系，采用最小二乘法对ln N与ln a进行拟合，得到拟合直线的斜率k，将k的绝对值记为裂纹扩展分形维数D。
[0030]6、如图7所示，基于分形维数D的演化规律，建立裂纹扩展分形维数D与裂纹扩展速度的关联性，依据裂纹扩展分形维数D增长速率差异将裂隙煤岩裂纹扩展过程进行阶段划分，划分为裂纹萌生、裂纹稳定扩展、裂纹非稳定扩展阶段三个阶段，从而实现裂隙煤岩裂纹扩展规律的定量分析。
[0031]以上所述仅为本专利技术的较佳实施例，并非用以限定本专利技术的范围。应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替换、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本专利技术的保护。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于图像分形特征的裂隙煤岩裂纹扩展分析方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)通过开展裂隙煤岩
①
静态加载、
②
动态加载和
③
动静组合加载三种不同类型的试验，对每一类型的试验进行图像采集获取加载过程中的裂隙煤岩破坏过程图像；(2)基于Image J软件采用直方图均衡化方法对裂隙煤岩破坏过程图像进行增强处理；(3)基于Image J软件对增强处理后的裂隙煤岩破坏过程图像进行二值化处理，获取裂纹形态图像；(4)将裂纹形态图像划分成相同特征长度a的正方形，统计包含裂纹的正方形数目，符合条件的正方形数目之和记为N；(5)在双对数坐标系中画出正方形数目之和N随特征长度a的变化关系，采用最小二乘法对ln N与ln a进行拟合，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，张通，焦振华，胡浩，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：