CN110018290A - 一种基于二维模拟试验台覆岩裂隙演化分形研究方法 - Google Patents

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刘斌
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Abstract

本发明公开了一种基于二维模拟试验台覆岩裂隙演化分形研究方法，包括以下步骤：(1)搭建相似模拟试验台，架设高清相机；(2)在开挖过程中获取不同阶段相似模拟实验平台上覆岩层裂隙扩展发育特征数字图像；(3)对获取的每个阶段数字图像，进行图像处理，得到上覆岩层裂隙扩展发育特征二值化图像；(4)处理得到的上覆岩层裂隙扩展发育特征二值化图像，得出上覆岩层裂隙扩展发育特征的分形维值；(5)在分形维中，采取最小二乘法拟合，得出覆岩裂隙发育特征分形维数拟合曲线；(6)得出每个阶段分形维数与覆岩裂隙扩展发育特征关系曲线。实现了覆岩层运移导致的裂隙网络场形态发育进行定量化描述，最终为强度开采覆岩层裂隙网形态发育提供治理依据。

Description

一种基于二维模拟试验台覆岩裂隙演化分形研究方法
技术领域
本发明涉及一种基于二维模拟实验台覆岩裂隙演化分形研究方法，主要是涉及室内试验模拟开挖后覆岩裂隙演化的分形研究方法。
背景技术
随着科学技术的发展，开采的工艺、技术、设备显著提高，煤矿的开采量继而增加，很多矿已经开始了大采高、快速推进采煤，致使上覆岩层破坏范围加大，裂隙扩展发育完全或是上覆薄基岩层沿顶板全部切落，破断直接贯穿到地表，形成较为明显的开采沉陷塌陷坑及裂缝，部分裂缝、裂隙贯通了含水层或地表水系，引发矿井突水溃沙灾害，部分裂缝、裂隙由于直接贯通采空区，使得地表空气进入采空区，最终引发一氧化碳浓度增高或是采空区自燃灾害，严重影响了整个煤矿安全的正常开采。与此同时，对当地的区域范围内的生态环境及地表建筑造成不同程度上的破坏。目前，分形理论被广泛应用到各个领域，分形维数可以很好地描述不规则的几何形态。所以，研究上覆岩层的裂隙网络形态演化规律的分形特征，可以更好地描述覆岩移动破坏后裂隙网络形态演化规律。
通过物理相似模试验拟台对采空区上方覆岩运移裂隙场演化情况，结合数字图像处理、分形理论，对采动后造成上覆岩层运移导致的裂隙网络场形态发育进行定量化描述，最终为高强度开采覆岩层裂隙网形态发育提供治理依据。
发明内容
1.本发明的目的是基于相似模拟平台试验，通过分形理论研究分析在二维平台下开采扰动下覆岩层裂隙发育特征的演化规律的一种方法。
2.本发明是一种基于二维模拟试台覆岩裂隙演化分形研究方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，搭建相似模拟试验台，架设高清相机；
步骤2，在开挖过程中获取不同阶段相似模拟实验平台上覆岩层裂隙扩展发育数字图像；
步骤3，对获取的每个阶段数字图像，通过Photoshop进行图像处理，得到上覆岩层裂隙扩展发育特征二值化图像；
步骤4，处理得到的上覆岩层裂隙发育特征二值化图像，导入到ImageJ图像处理软件，得到上覆岩层裂隙扩展发育特征的分形维值；
步骤5，分形维数也称分形(S)盒子维数，通常是把分形图放在一个可均匀分割的网格上，通过对网格逐步精细分割，查看盒子覆盖的数目变化，从而计算出盒维数，对应的函数关系式，用对数函数关系表示，所述是D分形维数，假设格子边长为r时，总共把空间分层N个格子，由N(r)和1/r的对数关系可计算出分形维数；
步骤6，将对数组进行最小二乘法拟合，拟合方程lgN＝b-algδ；a,b为回归系数；
步骤7，以拟合方程中lgδ的自然对数为横坐标，lgN的自然对数为纵坐标，得出覆岩裂隙发育特征分形维。
步骤8，在分形维中，采取最小二乘法拟合，得到直线斜率的绝对值为覆岩裂隙发育特征分形维数。
步骤9，分形维数对应变化可以更好地反映出开挖过程中覆岩裂隙演化规律。
3.本发明的有益效果为：本发明提供了一种基于二维模拟试验台覆岩裂隙演化分形研究方法，实现了在开采过程中上覆岩层裂隙发育变化的定量化描述，对模拟的覆岩层裂隙发育特征有了更具体的描述，为覆岩移动上覆裂隙发育特征研究提供了补充，基于此方法得出的覆岩裂隙发育特征分形研究可以对覆岩运移变化规律进行推测。可广泛的引用于矿山开采及土地复垦、水利水电地质工程、岩土工程、桥梁隧道和边坡维护治理等工程技术领域。
附图说明
图1为本发明提供的实例中二维模拟试验台覆岩裂隙演化分形研究流程示意图。
图2为本发明提供的实例中搭建二维模拟试验台覆岩裂隙和高清相机。
图3为本发明提供的实例中高清相机获取的数字图片。
图4为本发明提供的实例中处理的二值化图。
图5为本发明提供的实例中裂隙发育特征拟合曲线。
图6为本发明提供的实例中开挖工程中分形维数与裂隙动态发育关系曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种采空区周围发育裂隙注浆汇水方法,对地下水资源保护和因地下水排放造该方法具体实施步骤：结合图1来说明本实施方式所述的一种基于二维模拟试验台覆岩裂隙演化分形研究方法，包括以下步骤：
步骤1，搭建相似模拟试验台，架设高清相机；
步骤2，在开挖过程中获取不同阶段相似模拟实验平台上覆岩层裂隙扩展发育数字图像；
步骤3，对获取的每个阶段数字图像，通过Photoshop进行图像处理，得到上覆岩层裂隙扩展发育特征二值化图像；
步骤4，处理得到的上覆岩层裂隙发育特征二值化图像，导入到ImageJ图像处理软件，得到上覆岩层裂隙扩展发育特征的分形维值；
步骤5，分形维数也称分形(S)盒子维数，通常是把分形图放在一个可均匀分割的网格上，通过对网格逐步精细分割，查看盒子覆盖的数目变化，从而计算出盒维数，对应的函数关系式，用对数函数关系表示，所述是D分形维数，假设格子边长为r时，总共把空间分层N个格子，由N(r)和1/r的对数关系可计算出分形维数；
步骤6，将对数组进行最小二乘法拟合，拟合方程lgN＝b-algδ；a,b为回归系数；
步骤7，以拟合方程中lgδ的自然对数为横坐标，lgN的自然对数为纵坐标，得出覆岩裂隙发育特征分形维。
步骤8，在分形维中，采取最小二乘法拟合，得到直线斜率的绝对值为覆岩裂隙发育特征分形维数。
步骤9，通过对不同阶段分形维数的统计结合工作面推进覆岩裂隙发育特征，绘制出分形维数与工作面推进度关系。所以，分形维数对应变化可以更好地反映出开挖过程中覆岩裂隙演化规律。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种基于二维模拟试验台覆岩裂隙演化分形研究方法，实现了在开采过程中上覆岩层裂隙发育变化的定量化描述，对模拟的覆岩层裂隙发育特征有了更具体的描述，为覆岩移动上覆裂隙发育特征研究提供了补充，基于此方法得出的覆岩裂隙发育特征分形研究可以对覆岩运移变化规律进行推测。可广泛的引用于矿山开采及土地复垦、水利水电地质工程、岩土工程、桥梁隧道和边坡维护治理等工程技术领域。

Claims (1)

1.一种基于二维模拟试台覆岩裂隙演化分形研究方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)搭建相似模拟试验台，架设高清相机；
(2)在开挖过程中获取不同阶段相似模拟实验台上覆岩层裂隙扩展发育特征数字图像；
(3)对获取的每个阶段数字图像，进行图像处理，得到上覆岩层裂隙扩展发育特征二值化图像；
(4)处理得到的上覆岩层裂隙发育特征二值化图像，得出上覆岩层裂隙扩展发育特征的分形维值；
(5)在分形维中，采取最小二乘法拟合，得出覆岩裂隙发育特征分形维数拟合曲线；
(6)得出每个阶段分形维数与覆岩裂隙扩展发育特征关系曲线。
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