CN113884361A - 一种复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3d打印建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法，包括：基于CT设备扫描煤岩试件的裂隙，获得煤岩试件的初始裂隙图像；对初始裂隙图像进行处理，获得目标裂隙图像。基于目标裂隙图像，构建裂隙三维模型；基于3D打印软件构建岩石标准试件模型，将裂隙三维模型导入岩石标准试件模型，获得类煤岩标准试件，基于类煤岩标准试件进行力学试验研究。运用本发明制作的试件既保证了力学属性与天然煤岩性质的相似性，又有效解决了天然煤岩各向异性造成试验无法精确控制变量的问题，对于研究宏观裂隙对于煤岩体力学性能的影响有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学实验技术领域，特别是涉及一种复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法。
背景技术
在地下采矿工程中，煤岩体力学性能与地质结构稳定性的研究是一个核心的命题。由于天然的煤岩体是含有节理、裂隙等结构面的损伤材料，而煤岩体的力学性能主要取决于其中节理等结构面的发育程度、分布角度等因素，这也是造成同类岩体力学性能的各向异性的主要原因。因此，对于煤岩力学试验研究总是无法避免要讨论煤岩体中节理裂隙的分布状态，但是煤岩体内部的裂隙状态不易观察或者不易检测到，因而现有煤岩体力学性能的研究中对于煤岩中裂隙影响程度的确定，主要是以肉眼观察到的煤岩体表面裂隙分布状态进行归类与定性打分，结论具有很大主观性，结果不可靠。
当前，CT技术运用广泛，且较为成熟。在岩石力学中，CT技术通过将岩石试件进行扫描，可以得到若干含有裂隙分布状态的岩石图像，但是图像经常不是很清晰或者主要裂隙与煤岩体之间区分度不够大，不易于宏观裂隙的捕捉与选取。3D打印技术是以三维数字模型为依托的增材制造技术，具有可控性强、工序简单、高一致性和可重复性，只要设置后试件模型，便可以打印出均质的、均有高度一致性的试件成品，这与岩石力学实验中所需的含有可控宏观裂隙的试件有明显差异。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法，用加入宏观裂隙的3D打印类煤岩材料试件近似模拟天然煤岩材料试件，通过力学试验研究宏观裂隙对于岩体力学特性的影响。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法，包括：
获取煤岩试件裂隙图像的裂隙三维模型；
对所述裂隙三维模型进行3D打印获得类煤岩标准试件，基于所述类煤岩标准试件进行力学试验研究。
优选地，获取煤岩试件裂隙图像的裂隙三维模型包括：
采集所述煤岩试件的裂隙图像，对所述裂隙图像进行三维建模获得所述煤岩试件的裂隙三维模型。
优选地，采集所述煤岩试件的裂隙图像包括：
基于CT设备扫描煤岩试件的裂隙，获得煤岩试件的初始裂隙图像；对所述初始裂隙图像进行处理，获得目标裂隙图像。
优选地，对所述初始裂隙图像进行处理包括：对所述初始裂隙图像进行图像归一化处理和二值化处理，获得第一裂隙图像，基于改进的sobel算子对所述第一裂隙图像进行目标裂隙边缘检测提取，获得目标裂隙图像。
优选地，基于改进的sobel算子对所述第一裂隙图像进行目标裂隙边缘检测提取之前，还包括对所述改进的sobel算子设置门限条件，基于所述门限条件下的算子模板算法进行目标裂隙间隔式边缘检测提取，获得目标裂隙图像。
优选地，所述目标裂隙图像为当所述煤岩试件直径为50mm，高为100mm时，所述煤岩试件中裂隙宽度大于0.1mm，且对于煤岩体力学特性有影响的裂隙图像。
优选地，对所述裂隙图像进行三维建模获得所述煤岩试件裂隙图像的裂隙三维模型包括，对所述目标裂隙图像根据深度进行排列，获得裂隙模型数据；对所述裂隙模型数据进行整合，复原得到所述裂隙三维模型。
优选地，对所述裂隙三维模型进行3D打印获得类煤岩标准试件包括：
基于3D打印软件构建岩石标准试件模型，将所述裂隙三维模型导入所述岩石标准试件模型，获得所述类煤岩标准试件。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法，用加入宏观裂隙的3D打印类煤岩材料试件相似模拟天然煤岩材料试件，通过力学试验研究宏观裂隙对于岩体力学性能的影响。通过对CT扫描所得图像进行优化处理，可以在不损伤煤岩体的情况下，检测到肉眼不可见的内部裂隙及其发育状态。运用建模软件复原煤岩试件上的原生宏观裂隙，使用3D打印技术打印含有宏观裂隙的类煤岩材料标准试件，既保证了力学属性的相似性，又有效解决了天然煤岩各向异性造成试验无法精确控制变量的问题，对于研究煤岩体中宏观裂隙对煤岩体力学性能的影响有重要意义。
本发明针对部分裂隙结构在煤体试件中发育深度较大，即其所出现的图像数量较多的情况，根据图像层数进行间隔式的边缘提取处理。综合考虑模型精度和处理效率，选定合理的间隔层数，可以极大的缩短图像边缘处理流程时间，大大提高处理效率。
本发明3D打印材料采用类煤岩材料，能更真实的反映宏观裂隙对于煤岩体的承载性能影响。另外，对于类煤岩材料打印的标准试件，除去人为加入的裂隙模型部分，其余部分为均质，方便实验中对于变量的控制。
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他的附图。
图1为本发明实施例的复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法流程图；
图2为本发明实施例的复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法中的CT扫描图；
图3为本发明实施例的复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法中的改进的sobel算子模板图；
图4为本发明实施例的复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法中经改进的sobel算子的优化处理图；
图5为本发明实施例的复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法中设置门限条件下的5倍的算子模板算法的边缘提取处理图；
图6为本发明实施例的复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法中的宏观裂隙模型图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法,包括：
获取煤岩试件裂隙图像的裂隙三维模型；
对所述裂隙三维模型进行3D打印，通过3D打印设备将模型打印成实体试件，获得类煤岩标准试件，基于所述类煤岩标准试件进行力学试验研究。
获取煤岩试件裂隙图像的裂隙三维模型包括：
采集所述煤岩试件的裂隙图像，对所述裂隙图像进行三维建模获得所述煤岩试件的裂隙三维模型。
采集所述煤岩试件的裂隙图像包括：
基于CT设备扫描煤岩试件的裂隙，获得煤岩试件的初始裂隙图像；对所述初始裂隙图像进行处理，获得目标裂隙图像。
对所述初始裂隙图像进行处理包括：对所述初始裂隙图像进行图像归一化处理和二值化处理，获得第一裂隙图像，基于改进的sobel算子对所述第一裂隙图像进行目标裂隙边缘检测提取，获得目标裂隙图像。
基于改进的sobel算子对所述第一裂隙图像进行目标裂隙边缘检测提取之前，还包括对所述改进的sobel算子设置门限条件，基于所述门限条件下的算子模板算法进行目标裂隙间隔式边缘检测提取，获得目标裂隙图像。
所述目标裂隙图像为当所述煤岩试件直径为50mm，高为100mm时，所述煤岩试件中裂隙宽度大于0.1mm、贯穿深度大于54mm，且对于煤岩体力学性能有影响的裂隙图像。
对所述裂隙图像进行三维建模获得所述煤岩试件裂隙图像的裂隙三维模型包括，对所述目标裂隙图像根据深度进行排列，获得裂隙模型尺寸数据；对所述裂隙模型尺寸数据进行整合，复原得到所述裂隙三维模型。
对所述裂隙三维模型进行3D打印获得类煤岩标准试件包括：
基于3D打印软件构建岩石标准试件模型，将所述裂隙三维模型导入所述岩石标准试件模型，通过3D打印设备将模型打印成实体试件，获得所述类煤岩标准试件。
进一步地，本发明的3D打印建模方法具体步骤包括：
1、用CT扫描设备扫描煤岩试件中影响煤岩力学性能的宏观裂隙，得到煤岩试件中宏观裂隙的分布图像，如图2所示；其中，煤岩体标准试件是指直径为50mm，高为100mm的试件，宏观裂隙是指煤岩中裂隙宽度大于0.1mm，且对于煤岩体力学性能具有主要影响的裂隙。
通过CT扫描可以在不损伤煤岩体的情况下，检测到肉眼不可见的内部裂隙，这对于复原岩体中原生裂隙至关重要，进一步对于研究煤岩体中宏观裂隙对于煤岩体力学性能的影响有重要意义。用MATLAB对于CT扫描图像的处理，主要是从色差和色域方面提高宏观裂隙与煤岩材料的区分度，进一步提高主要的、需重点研究的裂隙与其他微小裂隙的区分度，从而起到优化图像的作用，方便建模时捕捉主要宏观裂隙，构建选区。
2、在MATLAB中运用改进的sobel算子将扫描所得图像进行批量处理，设置算子模板门限条件，使主要的裂隙更明显，更易于选中，算子模板如图3所示，优化后的图形如图4所示。
本发明对传统的Sobel算子进行改进主要是由于岩石内部的宏观裂隙在分布的方向上不仅仅存在垂直与水平两种，因而传统的Sobel算子主要通过二值化后的图像以小区域模板进行的以两个方向即横向和纵向的卷积，则会在二值化提取边缘检测的宏观裂隙信息存在丢失的情况，不利于构建较为完整的宏观裂隙结构模型。为了较好的还原宏观裂隙在岩石内部的形态，故而需要在传统的Sobel算子两个方向上的卷积进行附加的对角线卷积，以此来识别非水平垂直形态的宏观裂隙结构。
3、根据采集的图像情况，通过试错法进行调整，采用设置门限条件下的5倍的算子模板算法进行边缘提取，采取每相隔5层进行一次边缘提取处理。部分图像提取效果如图5所示；
对于改进的Sobel算子需要设置门限条件。在无阈值门限的情况下，虽然能够获取到该图像层最为完整的裂隙结构信息，但同时也会造成背景板出现多余的微观结构对建模产生影响，故而需要根据所采集的图像集，设置阈值门限来排除多余的影响宏观裂隙结构在图像边缘检测的清晰显示，以此来避免导入建模软件时带来多余的信息，影响裂隙建模后的结构。
由于部分裂隙结构在煤体试件中发育深度较大，即其所出现的图像数量较多的情况，可根据图像层数进行间隔式的边缘提取处理，然而也对于所建立的模型精度上存在着一定的影响。综合考虑模型精度和处理效率，选定合理的间隔层数，可以极大缩短图像边缘处理流程时间，大大提高处理效率。
4、根据不同深度图像中主要宏观裂隙的尺寸和形状变化，确定各主要裂隙在煤岩体中的贯穿深度，图5图像中宏观裂隙在试件中的贯穿深度为54mm，分布于煤岩试件的中上部。
5、以图5中所示裂隙为主要宏观裂隙，将含有该裂隙的图像设置于一个文件夹，按图像中显示的深度排列图像，得到该宏观裂隙模型建立的数据来源。
7、运用Mimics建模软件将图5中宏观裂隙图像进行整合，得到复原后的原生宏观裂隙三维模型，如图6所示。
8、在3dMax软件中建立岩石标准试件模型，将所建宏观裂隙模型导入岩石标准试件模型中，完成模型建立。
9、本发明3D打印材料采用类煤岩材料，例如：石英砂、覆膜砂等。将所建立模型进行3D打印得到含有宏观裂隙的类煤岩标准试件，并进行力学试验研究。这是由于普通塑性材料打印的标准试件强度较煤岩试件有明显差异，而类煤岩材料打印的标准试件具有类似于煤岩试件的强度，且单轴压缩条件下表现出类似于煤岩的弹塑性，一定程度上能更逼真的反映宏观裂隙对于煤岩体的力学性能影响。另外，对于类煤岩材料打印的标准试件，除去人为加入的裂隙模型部分，其余部分为均质，方便实验中对于变量的控制。
本发明通过优化裂隙图像，建立含有裂隙的标准试件模型，运用类煤岩性质的3D打印材料，通过3D打印设备将模型打印成实体试件，使得批量制备含有可控原生宏观裂隙的高度一致的类煤岩试件成为可能，对于深入研究裂隙岩体力学特性具有非常重要的意义。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法,其特征在于，包括：
获取煤岩试件裂隙图像的裂隙三维模型；
对所述裂隙三维模型进行3D打印获得类煤岩标准试件，基于所述类煤岩标准试件进行力学试验研究。
2.根据权利要求1所述的复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法，其特征在于，
获取煤岩试件裂隙图像的裂隙三维模型包括：
采集所述煤岩试件的裂隙图像，对所述裂隙图像进行三维建模，获得所述煤岩试件的裂隙三维模型。
3.根据权利要求2所述的复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法，其特征在于，
采集所述煤岩试件的裂隙图像包括：
基于CT设备扫描煤岩试件的裂隙，获得煤岩试件的初始裂隙图像；对所述初始裂隙图像进行处理，获得目标裂隙图像。
4.根据权利要求3所述的复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法，其特征在于，
对所述初始裂隙图像进行处理包括：对所述初始裂隙图像进行图像归一化处理和二值化处理，获得第一裂隙图像，基于改进的sobel算子对所述第一裂隙图像进行目标裂隙边缘检测提取，获得目标裂隙图像。
5.根据权利要求4所述的复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法，其特征在于，
基于改进的sobel算子对所述第一裂隙图像进行目标裂隙边缘检测提取之前，还包括对所述改进的sobel算子设置门限条件，基于所述门限条件下的算子模板算法进行目标裂隙间隔式边缘检测提取，获得目标裂隙图像。
6.根据权利要求5所述的复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法，其特征在于，
所述目标裂隙图像为当所述煤岩试件直径为50mm，高为100mm时，所述煤岩试件中裂隙宽度大于0.1mm，且对于煤岩体力学特性有影响的裂隙图像。
7.根据权利要求3所述的复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法，其特征在于，
对所述裂隙图像进行三维建模获得所述煤岩试件裂隙图像的裂隙三维模型包括，对所述目标裂隙图像根据深度进行排列，获得裂隙模型数据；对所述裂隙模型数据进行整合，复原得到所述裂隙三维模型。
8.根据权利要求3所述的复原煤岩标准试件原生宏观裂隙的3D打印建模方法，其特征在于，
对所述裂隙三维模型进行3D打印获得类煤岩标准试件包括：
基于3D打印软件构建岩石标准试件模型，将所述裂隙三维模型导入所述岩石标准试件模型，获得所述类煤岩标准试件。
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