CN109813617B - 一种定量分析岩石爆破损伤的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种定量分析岩石爆破损伤的实验方法。涉及岩石爆破损伤研究技术领域，可以实现对爆破引起的岩石损伤的定量分析研究。包括：制作圆柱体岩石试件；对试件用CT扫描，获取圆柱体岩石试件的第一扫描图像保存；起爆炸药；将爆破后的试件进行CT扫描，获取第二扫描图像；将第一扫描图像及第二扫描图像导入Matlab中进行二值化处理；将二值化处理后的第一扫描图像及第二扫描图像导入Photoshop中对图像去噪；将去噪后的第一扫描图像及第二扫描图像导入Mimics10.01中，重构破坏前，后的三维体；计算爆破前及爆破后试件内部损伤的容量维数；基于所述容量维数，根据公式计算爆破后圆柱体岩石试件的损伤度。本发明适用于对岩石爆破损伤的研究分析及评价。
Description
技术领域
本发明涉及岩石爆破损伤研究技术领域，尤其涉及一种定量分析岩石爆破损伤的实验方法。
背景技术
目前，在涉及土石方开挖及矿山开采等工程中，都会用到爆破技术。岩体作为主要的被爆介质，爆破对岩体的影响主要表现在两个方面，一是使岩石的力学性能劣化；二是在岩体内产生裂纹或使岩体原有裂隙扩展等，从而影响岩石的完整性。因此，研究爆破过程对岩石的损伤状况，以作为指导工程爆破实践的重要依据就显得十分重要。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种定量分析岩石爆破损伤的实验方法，以实现对爆破引起的岩石损伤的定量分析研究，从而为爆破工程实践提供较精准的理论指导依据。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种定量分析岩石爆破损伤的实验方法，包括步骤：
制作圆柱体岩石试件；所述圆柱体岩石试件上设有炮孔；
对所述圆柱体岩石试件用CT扫描，获取所述圆柱体岩石试件的第一扫描图像保存；
在所述炮孔内装入叠氮化铅或DDNP炸药；
在所述炸药上连接起爆线并引出至起爆器；
封堵炸药与炮孔之间有孔间隙，并堵塞所述炮孔；
将圆柱体岩石试件放入实验装置的腔体中，锁紧所述腔体；所述实验装置包括：中空钢柱，所述钢柱为经淬火处理的钢制作成圆柱体结构，在圆柱体结构中间掏一个大于或等于所述圆柱体岩石试件直径的圆柱形腔体；
将与所述圆柱体岩石试件相同直径大小的橡胶垫放在圆柱体岩石试件上表面上；
在所述橡胶垫的上方设置金属圆柱，用盖板将所述金属圆柱固定在所述腔体中，以防止腔体内的圆柱体岩石试件爆炸后，堵塞物直接冲出炮孔；
通过所述起爆器起爆所述炸药；
起爆后预定时间内，取出爆破后的圆柱体岩石试件。
将爆破后的圆柱体岩石试件进行CT扫描，获取第二扫描图像；
将所述第一扫描图像及第二扫描图像导入Matlab中进行二值化处理；
将二值化处理后的第一扫描图像及第二扫描图像导入Photoshop中，对所述图像去噪，以展示图像中的破裂损伤区域；所述去噪包括去除第一扫描图像及第二扫描图像中不存在破裂损伤的区域；
将去噪处理后的第一扫描图像及第二扫描图像，分别导入Mimics10.01软件中，以重构出圆柱体岩石试件的三维模型；
计算基于第一扫描图像及第二扫描图像分别重构的圆柱体岩石试件的三维模型展示出的内部损伤的分形维数；所述分型维数包括爆破前及爆破后圆柱体岩石试件内部损伤的容量维数；
基于计算出的爆破前及爆破后圆柱体岩石试件内部损伤的容量维数，根据公式计算爆破后圆柱体岩石试件的损伤度；所述公式为：
其中，ω为试件的损伤程度；Dt为爆炸后圆柱体岩石试件内部损伤体积的容量维数；D0为爆炸前岩样内部初始损伤体积的容量维数；
为介质达到最大损伤体积时的容量维数。
优选地，所述中空钢柱包括由两个半圆的钢柱扣合构成，以便于取放试件，并用套箍将扣合的钢柱夹紧。
优选地，所述对所述圆柱体岩石试件用CT扫描，获取所述圆柱体岩石试件的第一扫描图像和/或将爆破后的圆柱体岩石试件进行CT扫描，获取第二扫描图像包括：
将爆破前或爆破后的所述圆柱体岩石试件平躺放置于水平台上；
利用ACTIS300-320/225工业CT，以断层扫描间距为0.2mm，从所述圆柱体岩石试件上、距离第一端部预定位置处扫描，以获取第一CT扫描图像；所述第一CT图像的大小为55mm×55mm，像素大小为55/1 024mm×55/1 024mm；
将获取的第一CT扫描图像保存到预定存储位置；
检测当前扫描位置是否超出预定扫描长度；所述预定扫描长度≤圆柱体岩石试件长度；
若超出预定扫描长度，则停止扫描。
优选地，所述中空钢柱的直径200mm，高200mm；所述圆柱形腔体直径50mm，高150mm；所述盖板直径200mm，厚度25mm；所述圆柱体岩石试件的直径50mm，高100mm；所述炮孔直径2mm，高80mm；所述橡胶垫厚2～3mm。
优选地，所述封堵炸药与炮孔之间有孔间隙，并堵塞所述炮孔包括：用502胶水与细砂的混合物对所述孔间隙及炮孔进行封堵。
优选地，在所述封堵炸药与炮孔之间有孔间隙，并堵塞所述炮孔之后还包括：在圆柱体岩石试件的圆周面上套一层热缩管或缠一层胶带，以使所述圆柱体岩石试件爆破后形成的碎块保持在原处。
本发明实施例提供的定量分析岩石爆破损伤的实验方法，通过制作圆柱体岩石试件，作为研究对象，获取爆破前圆柱体岩石试件的CT扫描图像，并将其加载于实验装置上，对其进行起爆，获取爆破后的CT扫描图像，对所述爆破前后的CT扫描图像进行处理，将处理后的爆破前后的CT扫描图像导入到Mimics10.01软件中，重构保留损伤的圆柱体岩石试件的三维模型；并基于该模型，分别计算出爆破前后圆柱体岩石试件的容量维数，基于所述容量维数根据公式计算圆柱体岩石试件的损伤程度，这样可以实现对爆破引起的岩石损伤的定量分析研究，从而为爆破工程实践提供较精准的理论指导依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例定量分析岩石爆破损伤的实验方法一流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1所示，本发明实施例一种定量分析岩石爆破损伤的实验方法，适用于对爆破引起的岩石损伤的确定及评价，还可以用于实验室作为爆破引起的岩石损伤的一种实验理论研究方案，以作为指导工程爆破实践的重要理论依据。所述方法包括：
步骤101、制作圆柱体岩石试件；在所述圆柱体岩石试件上设有炮孔。
本实施例中，为了可能准确的评价爆破效果，根据实际爆破中的岩石的物理力学性质选取岩石制作成圆柱体岩石试件，以作为定量分析的对象，能够为真实分析实际爆破中的岩石的损伤程度提供理论分析基础。
本实施例中，作为一可选实施例，所述所述圆柱体岩石试件的直径为50mm，高100mm；所述炮孔直径2mm，高80mm，优选地，所述炮孔与所述圆柱体岩石试件同轴。
步骤102、对所述圆柱体岩石试件用CT扫描，获取所述圆柱体岩石试件的第一扫描图像保存。
本实施例中，具体的，可以将试件拿到ACTIS300-320/225工业CT(ComputedTomography)上进行扫描，所述CT，中文翻译为：电子计算机断层扫描，其参数为电压200kV，电流0.4mA。
作为一可选实施例，对所述圆柱体岩石试件用CT扫描，获取所述圆柱体岩石试件的第一扫描图像保存包括：将爆破前或爆破后的所述圆柱体岩石试件平躺放置于水平台上；
利用ACTIS300-320/225工业CT，以断层扫描间距为0.2mm，从所述圆柱体岩石试件上、距离第一端部预定位置处扫描，以获取第一CT扫描图像；所述第一CT图像的大小为55mm×55mm，像素大小为55/1 024mm×55/1 024mm；
将获取的第一CT扫描图像保存到预定存储位置；
检测当前扫描位置是否超出预定扫描长度；所述预定扫描长度≤圆柱体岩石试件长度；所述圆柱体岩石试件长度即为圆柱体岩石试件在竖直放置时的高度。
若超出预定扫描长度，则停止扫描。
具体地，所述预定扫描长度即对试件扫描范围，所述扫描范围可以为长度方向上+5.0～+95mm。
步骤103、在所述炮孔内装入叠氮化铅或DDNP炸药；其中，装药量小于1g。
步骤104、在所述炸药上连接起爆线并引出至起爆器；
步骤105、封堵炸药与炮孔之间有孔间隙，并堵塞所述炮孔。
本实施例中，可以用炮泥进行封堵或堵塞。作为一可选实施例，所述封堵炸药与炮孔之间有孔间隙，并堵塞所述炮孔包括：用502胶水与细砂的混合物对所述孔间隙及炮孔进行封堵。这样可以保证封堵效果。
步骤106、将圆柱体岩石试件放入实验装置的腔体中，锁紧所述腔体。
本实施例中，所述实验装置包括：中空钢柱，所述钢柱为经淬火处理的钢制作成圆柱体结构，在圆柱体结构中间掏一个大于或等于所述圆柱体岩石试件直径的圆柱形腔体。作为一可选实施例，所述中空钢柱的直径200mm，高200mm；所述圆柱形腔体直径50mm，高150mm。
作为一可选实施例，所述中空钢柱包括由两个半圆的钢柱扣合构成，以便于取放试件，并用套箍将扣合的钢柱夹紧。
具体地，将圆柱体岩石试件放入实验装置的腔体中，锁紧所述腔体包括：将试件放入其中一个半圆的钢柱中，将另外一个半圆的钢柱扣合在前一个半圆的钢柱上，并用所述套箍将扣合的两个半圆钢柱拧紧固定。
步骤107、将与所述圆柱体岩石试件相同直径大小的橡胶垫放在圆柱体岩石试件上表面上。这样起到对所述圆柱体岩石试件的密封。
本实施例中，具体地，所述橡胶垫厚2～3mm。
步骤108、在所述橡胶垫的上方设置金属圆柱，用盖板将所述金属圆柱固定在所述腔体中，以防止腔体内的圆柱体岩石试件爆炸后，堵塞物直接冲出炮孔。
本实施例中，所述盖板设有螺栓孔，将所述盖板用螺栓拧紧固定在所述中空钢柱端面上。
步骤109、通过所述起爆器起爆所述炸药。
步骤110、起爆后预定时间内，取出爆破后的圆柱体岩石试件。具体地，将所述套箍松开，从中空圆柱的腔体内取出爆破后的试件。
可以理解的是，通过前述在试件圆周上套一层热缩管或缠一层胶带，可以使爆破后的试件尽可能还拼接成一个整体，以利于后续对试件的CT扫描。
步骤111、将爆破后的圆柱体岩石试件进行CT扫描，获取第二扫描图像。
本实施例中，对爆破后的圆柱体岩石试件进行CT扫描的方法，与前述对爆破后的圆柱体岩石试件进行CT扫描一样，可以相互参照，在此不再赘述。
步骤112、将所述第一扫描图像及第二扫描图像导入Matlab中进行二值化处理。
本实施例中，具体的二值化处理为现有技术，在此就不再赘述。
步骤113、将二值化处理后的第一扫描图像及第二扫描图像导入Photoshop中，对所述图像去噪，以展示图像中的破裂损伤区域；所述去噪包括去除第一扫描图像及第二扫描图像中不存在破裂损伤的区域。
本实施例中，可以理解的是，如果由于图像分辨率较低和二值化处理软件的图像处理效果不够理想，处理后的图像仍然可能存在较高水平的伪影，这就需要将这些伪影较高的图像导入Photoshop中，将图像中表示试件未损伤的部分去掉，即去噪，以利于后续的计算。这样，可以很清楚地看到试件每个层面的破裂损伤区域及其分布情况。
步骤114、将去噪处理后的第一扫描图像及第二扫描图像，分别导入Mimics10.01软件中，以重构出圆柱体岩石试件的三维模型。具体第重构圆柱体岩石试件的三维模型为现有技术，在此不再赘述。
步骤115、计算基于第一扫描图像及第二扫描图像分别重构的圆柱体岩石试件的三维模型展示出的内部损伤的分形维数；所述分型维数包括爆破前及爆破后圆柱体岩石试件内部损伤的容量维数。
本实施例中，分形维数(fractal dimension)是分形几何中的一个概念，简称分形维。主要包括：容量维数、信息维数及相关维数3种分形维数。
所述计算基于第一扫描图像重构的圆柱体岩石试件的三维模型展示出的内部损伤的分形维数包括：先构造一个直径为a的小球(或边长为a的立方体盒子)去覆盖试件的CT扫描图像中裂隙或裂纹组成的点集F集，然后变换不同边长值ε对应形成若干个小球(小盒子)，计算包含有点集F的小盒子数N(ε)，经过多次变换可得到一系列ε-N(ε)数据；作lg(1/ε)与lg N(ε)关系的散点图；根据公式
求其斜率，即为容量维数。
本实施例中，创造性地将Matlab的CT图像盒维数计算方法应用于计算岩石爆破前后的容量维数，用不同尺寸ε的小球，去覆盖试件的CT扫描图像中裂隙或裂纹组成的点集，根据前述公式
来定量计算爆破前、爆破后试件的盒维数，记为D0和Dt。
步骤116、基于计算出的爆破前及爆破后圆柱体岩石试件的容量维数，根据公式计算爆破后圆柱体岩石试件的损伤度；所述公式为：
其中，ω为试件的损伤程度；Dt为爆炸后圆柱体岩石试件内部损伤体积的容量维数；D0为爆炸前岩样内部初始损伤体积的容量维数；
为介质达到最大损伤体积时的容量维数，
的值为3。
本发明实施例提供的定量分析岩石爆破损伤的实验方法，通过制作圆柱体岩石试件，作为研究对象，获取爆破前圆柱体岩石试件的CT扫描图像，并将其加载于实验装置上，对其进行起爆，获取爆破后的CT扫描图像，对所述爆破前后的CT扫描图像进行处理，将处理后的爆破前后的CT扫描图像导入到Mimics10.01软件中，重构保留损伤的圆柱体岩石试件的三维模型；并基于该模型，分别计算出爆破前后圆柱体岩石试件的容量维数，基于所述容量维数根据公式计算岩石试件的损伤程度，这样可以实现对爆破引起的岩石损伤的定量分析研究，从而为爆破工程实践提供较精准的理论指导依据。
本实施例的定量分析岩石爆破损伤的实验方法，可用于爆破工程实践或实验分析研究中，实现对爆破引起的岩石损伤的定量分析研究，提高了分析的客观性，将其作为岩石损伤依据，可以提高评价的准确度，从而为爆破工程实践提供较精准的理论指导依据。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种定量分析岩石爆破损伤的实验方法，其特征在于，包括步骤：根据实际爆破中的岩石的物理力学性质选取岩石制作圆柱体岩石试件；所述圆柱体岩石试件上设有炮孔；
对所述圆柱体岩石试件用CT扫描，获取所述圆柱体岩石试件的第一扫描图像保存；
在所述炮孔内装入叠氮化铅或DDNP炸药；
在所述炸药上连接起爆线并引出至起爆器；
封堵炸药与炮孔之间有孔间隙，并堵塞所述炮孔；
将圆柱体岩石试件放入实验装置的腔体中，锁紧所述腔体；所述实验装置包括：中空钢柱，所述钢柱为经淬火处理的钢制作成圆柱体结构，在圆柱体结构中间掏一个大于或等于所述圆柱体岩石试件直径的圆柱形腔体；
将与所述圆柱体岩石试件相同直径大小的橡胶垫放在圆柱体岩石试件上表面上；
在所述橡胶垫的上方设置金属圆柱，用盖板将所述金属圆柱固定在所述腔体中，以防止腔体内的圆柱体岩石试件爆炸后，堵塞物直接冲出炮孔；
通过所述起爆器起爆所述炸药；
起爆后预定时间内，取出爆破后的圆柱体岩石试件；
将爆破后的圆柱体岩石试件进行CT扫描，获取第二扫描图像；
将所述第一扫描图像及第二扫描图像导入Matlab中进行二值化处理；
将二值化处理后的第一扫描图像及第二扫描图像导入Photoshop中，对所述图像去噪，以展示图像中的破裂损伤区域；所述去噪包括去除第一扫描图像及第二扫描图像中不存在破裂损伤的区域；
将去噪处理后的第一扫描图像及第二扫描图像，分别导入Mimics10.01软件中，以重构出圆柱体岩石试件的三维模型；
计算基于第一扫描图像及第二扫描图像分别重构的圆柱体岩石试件的三维模型展示出的内部损伤的分形维数；所述分形维数包括爆破前及爆破后圆柱体岩石试件内部损伤的容量维数；
基于计算出的爆破前及爆破后圆柱体岩石试件内部损伤的容量维数，根据公式计算爆破后圆柱体岩石试件的损伤度；所述公式为：
，其中，ω为试件的损伤程度；Dt为爆炸后圆柱体岩石试件内部损伤体积的容量维数；D0为爆炸前岩样内部初始损伤体积的容量维数；
为介质达到最大损伤体积时的容量维数；
在所述封堵炸药与炮孔之间有孔间隙，并堵塞所述炮孔之后还包括：在圆柱体岩石试件的圆周面上套一层热缩管或缠一层胶带，以使所述圆柱体岩石试件爆破后形成的碎块保持在原处。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中空钢柱包括由两个半圆的钢柱扣合构成，以便于取放试件，并用套箍将扣合的钢柱夹紧。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述圆柱体岩石试件用CT扫描，获取所述圆柱体岩石试件的第一扫描图像和/或将爆破后的圆柱体岩石试件进行CT扫描，获取第二扫描图像包括：
将爆破前或爆破后的所述圆柱体岩石试件平躺放置于水平台上；
利用ACTIS300-320/225工业CT，以断层扫描间距为0.2 mm，从所述圆柱体岩石试件上、距离第一端部预定位置处扫描，以获取第一CT扫描图像；所述第一CT图像的大小为55 mm×55 mm，像素大小为55/1 024 mm×55/1 024 mm；
将获取的第一CT扫描图像保存到预定存储位置；
检测当前扫描位置是否超出预定扫描长度；所述预定扫描长度≤圆柱体岩石试件长度；
若超出预定扫描长度，则停止扫描。
4.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述中空钢柱的直径200mm，高200mm；所述圆柱形腔体直径50mm，高150mm；所述盖板直径200mm，厚度25mm；所述圆柱体岩石试件的直径50mm，高100mm；所述炮孔直径2mm，高80mm；所述橡胶垫厚2~3mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述封堵炸药与炮孔之间有孔间隙，并堵塞所述炮孔包括：用502胶水与细砂的混合物对所述孔间隙及炮孔进行封堵。
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