CN111507988A - 一种基于数字图像处理的破碎岩体建模及渗流试验方法 - Google Patents

Abstract

一种基于数字图像处理的破碎岩体建模及渗流试验方法，涉及岩体力学技术领域。步骤包括：破碎岩体取样并分层取像；分析图像得到RGB颜色分量的直方图；分析直方图确定主要特征；当灰度值差别小时，采用纯色对相同特征进行标注，增大特征对比度，进行块体和空隙分离，采用阀值分隔，确定主要特征；通过Matlab软件重绘RGB分量直方图，并嵌入Comsol软件中，建立数值分析模型，调用RGB特性对应的物理力学属性，建立三维数值分析模型；采用最大粒径和最小粒径确定图像的分层获取范围，并确定数据插值范围，获取对应的实际物理性质范围；建立破碎岩体数值分析模型。该方法精确的再现空间破碎岩体结构，解决了岩石堆积离散性大不能重复试验的问题。

Description

一种基于数字图像处理的破碎岩体建模及渗流试验方法

技术领域

本发明涉及岩体力学技术领域，尤其是一种基于数字图像处理的破碎岩体建模及渗流试验的方法。

背景技术

破碎岩体对地下水渗流的影响较大，但是破碎岩体结构的渗流行为异常复杂，破碎岩体渗流机制与定量描述一直是岩土、矿业、地质、石油及天然气工程高度关注的难点问题。破碎岩体特性千差万别，在数值模拟中很难直观的表征破碎岩体的空间结构。破碎岩体中岩石各组分的强度不同使得破碎岩体的力学性质和渗流特性具有产生较大差别，只有准确的描述破碎岩体的结构特性才能更客观的反映岩石应力-渗流耦合特征。

数字图像处理技术作为一种材料细观尺度上的空间结构精确测量和数字表述手段，已经广泛应用于岩土、混凝土的细观结构定量分析中。数字图像技术通过将数码设备获得的图形信息进行分类提取，通过归一化处理转化成0-1之间的数值，再根据相应的物理参数实测信息，对物理参数进行还原。该技术现阶段的主要应用包括岩石裂隙宽度非接触测量和数字表述岩体非均匀性等。

发明内容

为了准确描述破碎岩体的空间结构，方便破碎岩体流固耦合问题的研究，本发明提供了一种基于数字图像处理的破碎岩体建模及渗流试验方法，具体技术方案如下。

一种基于数字图像处理的破碎岩体建模方法，步骤包括：

步骤A.在断层破碎带取样，筛分破碎岩体，获取最大和最小粒径，在试验装置中对破碎岩体分层取像；

步骤B.分析图像得到RGB颜色分量的直方图，当像素点的灰度值分布存在明显峰值时进行步骤C，当像素点的灰度值分布不存在明显峰值时，进行步骤D；

步骤C.以两个峰值中心的峰谷为阀值进行分割，分析直方图确定主要特征；

步骤D.采用纯色对相同特征进行标注，增大特征对比度，进行块体和空隙分离，然后采用阀值分隔，通过数值方法确定主要特征；

步骤E.通过Matlab软件重绘RGB分量直方图，并嵌入Comsol软件中，建立数值分析模型，调用RGB特性对应的物理力学属性，建立三维数值分析模型；

步骤F.采用最大粒径和最小粒径确定图像的分层取样范围，并确定数据插值范围，获取对应的实际物理性质范围；

步骤G.建立破碎岩体数值分析模型。

优选的是，骤D中，采用纯色对相同特征进行标注时，使图像中分布点数少的RGB各个分量灰度值均为200，对破碎岩体的实体部分重新绘制，破碎岩体之间的裂隙区域不做处理；采用阀值分隔时，RGB各个分量均具有明显的峰值。

还优选的是，像素点的灰度值取值范围为0-255，对像素点的值进行归一化处理，除以最大的像素点灰度值，将灰度矩阵转化为数值介于0-1之间的归一化矩阵，表示为

式中n为图像高度方向上像素点数量，m为图像水平方向像素点数量。

还优选的是，步骤F中图像的分层取样，具体是将多种形态破碎岩体通过插值与放样的方法反演为多棱棱柱体，保留破碎岩体的边界接触特性和取样表面的凹凸分布特性。

一种基于数字图像处理的破碎岩体渗流试验方法，利用上述的基于数字图像处理的破碎岩体建模方法，还包括：

步骤G.利用破碎岩体数值分析模型进行流固耦合分析。

进一步优选的是，流固耦合分析中破碎岩体与空隙之间存在渗流差异性，破碎岩体之间的空隙主导渗流；

利用归一化矩阵确定空隙的总面积

其中在归一化矩阵中破碎岩体的灰度值f_i大于0.95，在Matlab软件中确定像素点总数为S，空隙的灰度值f_i小于0.95的像素点数量为S₁，图片的总面积为ω。

进一步优选的是，流固耦合分析中忽略破碎岩体的渗透系数，则空隙的渗透性增加为K_K：

其中K₀为破碎岩体的平均渗透系数；

各个像素点的面积为d_A，各个像素点对应面积上的最大渗透系数为max(K),则有：

空隙中单位面积上的渗透系数表示为K_ij：

各个像素点处的弹性模量E表示为：

其中破碎岩体的弹性模量为E₀，空隙处的弹性模量为0。

进一步优选的是，渗透系数K和弹性模量E采用最大粒径和最小粒径划分方法，破碎岩体数值分析模型中渗透系数K_max、K_min和弹性模量E_max、E_min表示为：

其中最大粒径值为l_max，最小粒径值为l_min，试验装置内腔的总高度为L，每幅图像中对应的渗透系数最大值点为max(K_i)，每幅图像中对应的弹性模量最大值点为max(E_i)。

本发明提供的一种基于数字图像处理的破碎岩体建模及渗流试验方法有益效果是：

(1)该方法通过处理数字图像，能够精确的再现空间破碎岩体的结构特征，模拟真实的破碎岩体堆积变化特征，解决了岩石堆积离散性大不能重复试验的问题，通过数值模拟进行渗流试验更加方便，提高了试验效率。

(2)该方法中通过分析灰度矩阵，进行归一化处理并应用最大粒径和最小粒径划分方法进行数字三维模型的反演重构，获得不同压差下流量-压力的关系。还可以确定最大粒径取样和最下粒径取样下的流量-压力关系，与单一性室内试验相比，结果更加符合工程实际。

(3)该方法中在处理图像时还采用分层取样的方法获取图像，保留了破碎岩体的边界接触特性和取样表面的凹凸分布特性；基于破碎岩体数值分析模型进行破碎岩体流固耦合试验，为破碎岩体结构的渗流行为研究提供了方法。

附图说明

图1是一种基于数字图像处理的破碎岩体建模方法流程示意图；

图2是试验桶分层取样的原理示意图。

具体实施方式

结合图1至图2所示，对本发明提供的一种基于数字图像处理的破碎岩体建模及渗流试验方法的具体实施方式进行说明。

数字图像不同特征灰度值则相差较大，反映在直方图上表现为不同的峰值与谷值呈现波浪式相间分布。目前通用的方法是在相邻峰值之间的峰谷上确定分割阀值，但对于彩色图像，3个分量RGB是高度关联的，是一个很不均匀的颜色空间，因此仅依靠计算机系统实现感知上的区分十分困难。虽然图像中碎石具有明显的轮廓特征，而采用RGB方法进行分解后，直方图中RGB值分布较均匀，波峰与波谷幅值差异较小，这对采用RGB灰度图像进行特征分类带来较大问题。为此须采取人工干预方法，在最大限度的保留图片原有特征的同时，对图片特征进行统一归类。

一种基于数字图像处理的破碎岩体建模方法，步骤包括：

步骤A.在断层破碎带取样，筛分破碎岩体，获取最大和最小粒径，在试验装置中对破碎岩体分层取像。其中试验装置主要为试验桶，在试验桶内分层铺设破碎岩体，通过测量确定最大粒径和最小粒径。

步骤B.分析图像得到RGB颜色分量的直方图，当像素点的灰度值分布存在明显峰值时，说明灰度值差别较大，也可以通过设定灰度值数据的方差、标准差、极差、平均差或变异系数的临界值来确定灰度值的差别较大，差别较大进行步骤C。当像素点的灰度值分布不存在明显峰值时，说明灰度值差别较小，也可以通过设定灰度值数据的方差、标准差、极差、平均差或变异系数的临界值来确定灰度值的差别较小，差别较小进行步骤D。

图像像素点的灰度值取值范围为0-255，对像素点的值进行归一化处理，除以最大的像素点灰度值，将灰度矩阵转化为数值介于0-1之间的归一化矩阵，表示为

式中n为图像高度方向上像素点数量，m为图像水平方向像素点数量。

步骤C.以两个明显的峰值中心的峰谷为阀值进行分割，分析直方图确定主要特征。

步骤D.采用纯色对相同特征进行标注，增大特征对比度，进行块体和空隙分离，然后采用阀值分隔，通过数值方法确定主要特征。

具体是，采用纯色对相同特征进行标注时，可以使图像中分布点数少的RGB各个分量灰度值均为200的颜色，对破碎岩体的实体部分重新绘制，破碎岩体之间的裂隙区域不做处理；采用阀值分隔时，RGB各个分量均具有明显的峰值。

步骤E.通过Matlab软件重绘RGB分量直方图，并嵌入Comsol软件中，建立数值分析模型，调用RGB特性对应的物理力学属性，建立三维数值分析模型。

步骤F.针对破碎岩体采用最大粒径和最小粒径确定图像的分层取样范围，并确定数据插值范围，获取对应的实际物理性质范围。

其中图像的分层取样，可以以最大和最小粒径作为分层取样的取样间距，具体是将多种形态破碎岩体通过插值与放样的方法反演为多棱棱柱体，保留破碎岩体的边界接触特性和取样表面的凹凸分布特性。

步骤G.建立破碎岩体数值分析模型。

本实施例中采用数码相机进行图像的摄制，摄制时相机轴线垂直于破碎岩体的截面。破碎岩体由某矿断层带中取得，为便于分析，对所获取的碎石样本按照粒径进行筛分，筛分粒径范围为5-10cm。对所获得的剖面数字图像局部图，采用基于数字图像处理的破碎岩体建模方法中的步骤，进行人机交互处理，实现破碎岩体与空隙界面的分离图像。通过编制的Matlab图像分解程序，进行图像处理，图像进行人工干预处理前后结果对比，可知直接获取的图片在划分岩石块体与空隙边界时发生较大偏差，分界面不明显，没有表现出块体与空隙的差别。进行处理后，碎石块体与空隙具有明显的分界面，达到不同特征分离表征的目的。

该方法通过处理数字图像，能够精确的再现空间破碎岩体的结构特征，模拟真实的破碎岩体堆积变化特征，解决了岩石堆积离散性大不能重复试验的问题，通过数值模拟进行渗流试验更加方便，提高了试验效率。通过分析灰度矩阵，进行归一化处理并应用最大粒径和最小粒径划分方法进行数字三维模型的反演重构，获得不同压差下流量-压力的关系。还可以确定最大粒径取样和最下粒径取样下的流量-压力关系，与单一性室内试验相比，结果更加符合工程实际。

另外，在常规的流固耦合分析中，控制方程包括流体的渗流方程、固体的变形方程，以及渗流与变形之间的耦合方程。碎石堆积体中既存在坚硬岩石，又有岩块与岩块之间不完全接触而存在大量的空隙，因此其力学特性与完整岩体有较大区别。主要体现在弹性模量E、渗透率k(或渗透系数)等的各向异性以及随机性特点上。根据达西实验结果，线性渗流过程表示为

或

式中ω为实验圆筒的横截面积，Q为渗流量，J为水力梯度，K为渗透系数，

为水力坡度。

对于超出Darcy流动范围的流动，即雷诺数Re>5时产生紊流，水力梯度与流速之间呈现非线性关系：

J＝av+bv²

采用Forchheimer二项式关系描述时，系数表示为：

式中μ为流体黏滞系数(kg/(m*s))，ρ为流体密度，β为非达西影响系数，g为重力加速度。

通过圆筒实验截面的单位时间流量表示为：

Q＝vω

单位面积上的平均透过率为

则

其中试验圆筒截面积ω包括了颗粒和孔隙两部分面积之和，但岩块与空隙渗透性相差几个量级，采用现有的求解方法只能获得一种普遍的平均规律，不能表示空间渗流分布的特点。随着碎石体粒径的增加，碎石体与空隙之间的渗流差异性加强，碎石体之间的空隙对渗流的主导作用更加明显，现有的研究方法很难表示这种变化，基于数字图像处理的破碎岩体建模方法的应用使这种表述成为可能。

一种基于数字图像处理的破碎岩体渗流试验方法，利用上述的基于数字图像处理的破碎岩体建模方法，还包括：

步骤G.利用破碎岩体数值分析模型进行流固耦合分析。

其中流固耦合分析中破碎岩体与空隙之间存在渗流差异性，破碎岩体之间的空隙主导渗流；利用归一化矩阵确定空隙的总面积

其中在归一化矩阵中破碎岩体的灰度值f_i大于0.95，在Matlab软件中确定像素点总数为S，空隙的灰度值f_i小于0.95的像素点数量为S₁，图片的总面积为ω。

流固耦合分析中忽略破碎岩体的渗透系数，因此将破碎岩体的渗透系数转移至空隙区域上，则空隙的渗透性增加为K_K：

其中K₀为破碎岩体的平均渗透系数；

各个像素点的面积为d_A，各个像素点对应面积上的最大渗透系数为max(K),则有：

空隙中单位面积上的渗透系数表示为K_ij，最大渗透系数对应像素点为

各个像素点处的弹性模量E表示为：

其中破碎岩体的弹性模量为E₀，空隙处的弹性模量为0，由于空隙中有大量的填充物，所以弹性模量相对减小。

试验同内按照粒径范围确定截面取样间距，取样原理如图2所示，分层分段采用基于数字图像处理的破碎岩体建模方法，实质是将形态各异的破碎岩体通过插值与放样的方法反演为多棱棱柱体，并保留碎石体的边界接触特性与碎石体取样表面的凹凸分布特性，方便模型的建立与分析，便于实验操作，提高数值模型的收敛性。

渗透系数K和弹性模量E采用最大粒径和最小粒径划分方法，破碎岩体数值分析模型中渗透系数K_max、K_min和弹性模量E_max、E_min表示为：

其中最大粒径值为l_max，最小粒径值为l_min，试验装置内腔的总高度为L，每幅图像中对应的渗透系数最大值点为max(K_i)，每幅图像中对应的弹性模量最大值点为max(E_i)。

本实施例中，将Matlab软件程序嵌入Comsol Multiphysics软件进行三维模型分层反演重建，分层截面获取的图片作为源信息，中间部分采用线性插值方法进行三维模型重建。像素点灰度值分布确定岩石块体与空隙的放样轮廓。分层放样高度也按照岩块尺寸的最大值10cm和最小值5cm确定。采用上述方法对三维模型逐层进行重建，获得三维模型，其中岩石力学参数初始值取值如表1所示。应用基于数字图像处理的破碎岩体建模方法获得三维模型中渗透率及杨氏模量等参数的空间分布特征。设定渗透率阀值为5×10^-5m²，获取大于该阀值的渗透率空间联通图，通过图像反映了碎石体中渗透性较大区域的水力联系，渗透性表现为明显的不均匀性和各项异性特点，联通路径与碎石体中空隙的空间分布规律相类似，空隙区域之间相互联通形成潜在的水流路径。

表1.岩石力学参数初始值

岩块力学特性	杨氏模量	泊松比	密度	渗透系数
					数值	7.5×10<sup>8</sup>Pa	0.32	1700	2.2×10<sup>-4</sup>m<sup>2</sup>

另外该方法中在处理图像时还采用分层取样的方法获取图像，保留了破碎岩体的边界接触特性和取样表面的凹凸分布特性；基于破碎岩体数值分析模型进行破碎岩体流固耦合试验，为破碎岩体结构的渗流行为研究提供了方法。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于数字图像处理的破碎岩体建模方法，其特征在于，步骤包括：

步骤A.在断层破碎带取样，筛分破碎岩体，获取最大和最小粒径，在试验装置中对破碎岩体分层取像；

步骤B.分析图像得到RGB颜色分量的直方图，当像素点的灰度值分布存在明显峰值时进行步骤C，当像素点的灰度值分布不存在明显峰值时，进行步骤D；

步骤C.以两个峰值中心的峰谷为阀值进行分割，分析直方图确定主要特征；

步骤D.采用纯色对相同特征进行标注，增大特征对比度，进行块体和空隙分离，然后采用阀值分隔，通过数值方法确定主要特征；

步骤E.通过Matlab软件重绘RGB分量直方图，并嵌入Comsol软件中，建立数值分析模型，调用RGB特性对应的物理力学属性，建立三维数值分析模型；

步骤F.采用最大粒径和最小粒径确定图像的分层取样范围，并确定数据插值范围，获取对应的实际物理性质范围；

步骤G.建立破碎岩体数值分析模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字图像处理的破碎岩体建模方法，其特征在于，所述步骤D中，采用纯色对相同特征进行标注时，使图像中分布点数少的RGB各个分量灰度值均为200，对破碎岩体的实体部分重新绘制，破碎岩体之间的裂隙区域不做处理；采用阀值分隔时，RGB各个分量均具有明显的峰值。

3.根据权利要1所述的一种基于数字图像处理的破碎岩体建模方法，其特征在于，所述像素点的灰度值取值范围为0-255，对像素点的值进行归一化处理，除以最大的像素点灰度值，将灰度矩阵转化为数值介于0-1之间的归一化矩阵，表示为

式中n为图像高度方向上像素点数量，m为图像水平方向像素点数量。

4.根据权利要1所述的一种基于数字图像处理的破碎岩体建模方法，其特征在于，所述步骤F中图像的分层取样，具体是将多种形态破碎岩体通过插值与放样的方法反演为多棱棱柱体，保留破碎岩体的边界接触特性和取样表面的凹凸分布特性。

5.一种基于数字图像处理的破碎岩体渗流试验方法，利用权利要求1至4任一项所述的基于数字图像处理的破碎岩体建模方法，其特征在于，还包括：

步骤G.利用破碎岩体数值分析模型进行流固耦合分析。

6.根据权利要求5所述的一种基于数字图像处理的破碎岩体渗流试验方法，其特征在于，所述流固耦合分析中破碎岩体与空隙之间存在渗流差异性，破碎岩体之间的空隙主导渗流；

利用归一化矩阵确定空隙的总面积

其中在归一化矩阵中破碎岩体的灰度值f_i大于0.95，在Matlab软件中确定像素点总数为S，空隙的灰度值f_i小于0.95的像素点数量为S₁，图片的总面积为ω。

7.根据权利要求6所述的一种基于数字图像处理的破碎岩体渗流试验方法，其特征在于，所述流固耦合分析中忽略破碎岩体的渗透系数，则空隙的渗透性增加为K_K：

其中K₀为破碎岩体的平均渗透系数；

各个像素点的面积为d_A，各个像素点对应面积上的最大渗透系数为max(K),则有：

空隙中单位面积上的渗透系数表示为K_ij：

各个像素点处的弹性模量E表示为：

其中破碎岩体的弹性模量为E₀，空隙处的弹性模量为0。

8.根据权利要求7所述的一种基于数字图像处理的破碎岩体渗流试验方法，其特征在于，所述渗透系数K和弹性模量E采用最大粒径和最小粒径划分方法，破碎岩体数值分析模型中渗透系数K_max、K_min和弹性模量E_max、E_min表示为：

其中最大粒径值为l_max，最小粒径值为l_min，试验装置内腔的总高度为L，每幅图像中对应的渗透系数最大值点为max(K_i)，每幅图像中对应的弹性模量最大值点为max(E_i)。

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