基于DIP技术钻孔结构面参数与强度相关性研究_孙志勇.pdf

第 5 卷第 2 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol.5 No.2 2023 年 4 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING Apr.2023 023028-1 孙志勇，李小菲，王洋，等.基于DIP技术钻孔结构面参数与强度相关性研究J.采矿与岩层控制工程学报，2023，5(2)：023028.SUN Zhiyong，LI Xiaofei，WANG Yang，et al.Correlation between structural surface parameters and strength of drilling holes based on DIP technologyJ.Journal of Mining and Strata Control Engineering，2023，5(2)：023028.基于DIP技术钻孔结构面参数与强度相关性研究 孙志勇1，李小菲2，王 洋1，丁自伟2 (1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)摘 要：为实现寺河煤矿井下巷道围岩体强度的快速准确定量评价，综合考虑围岩强度测定过程中的人为与机械误差影响，建立了围岩结构面几何参数与强度的非线性数学模型。以该矿井东六盘区63022巷、63021巷与东六回风二巷围岩结构钻孔窥视与强度测定结果为基础，采用数字图像处理(DIP)、理论分析与数理统计相结合的方法，分析了结构面几何参数与强度的相关性，并确定各参数对强度的影响程度。研究结果表明：钻孔窥视图像的灰度变化曲线可以确定岩层内部成分差异与宏观缺陷；数学回归模型可用于对结构面轮廓变化的趋势预测；结构面倾角、面积与分形维数为正相关性；分形维数对力学强度的正相关性影响程度最大，权重占比99.51%。关键词：岩体力学；钻孔窥视；数字图像处理；结构面；强度 中图分类号：TD313.5；TP391.41 文献标志码：A 文章编号：2096-7187(2023)02-3028-09 Correlation between structural surface parameters and strength of drilling holes based on DIP technology SUN Zhiyong1，LI Xiaofei2，WANG Yang1，DING Ziwei2(1.CCTEG Coal Mining Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.College of Energy Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China)Abstract：To achieve a rapid and accurate quantitative evaluation of the surrounding rock strength of the roadway in Sihe Mine，a nonlinear mathematical model was established to consider the influence of human and mechanical errors during measurement.The model considers the geometric parameters and strength of the surrounding rock structural plane.Using drilling results and strength measurements in 63022，63021，and the return airway，the correlation between the geometric parameters of the structural surface and strength was analyzed.Digital image processing(DIP)，theoretical analysis，and mathematical statistics were used to determine the degree of influence of each parameter on strength.The results show that the gray-scale curve of the drilling image can determine the compositional difference and macroscopic defects of the rock layer.The mathematical regression model can predict the trend of the outline change of the structural plane.The inclination angle，area，and fractal dimension of the structural plane are positively correlated，with fractal dimension having the greatest influence on mechanical strength(99.51%).收稿日期：2022-08-18 修回日期：2022-10-13 责任编辑：施红霞 基金项目：国家自然科学基金面上资助项目(51874232)；陕西省自然科学基础研究计划联合基金资助项目(2021JLM-06)作者简介：孙志勇(1985)，男，山东诸城人，副研究员，硕士，主要从争岩层控制与巷道支护技术等方面的研究工作。E-mail：jaycke_ 通信作者：丁自伟(1987)，男，山东临沂人，教授，博士。E-mail： DOI:10.13532/10-1638/td.20230222.001 孙志勇等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.2(2023)：023028 023028-2 Key words：rock mechanics；drilling peep；digital image processing；structural plane；strength 明晰巷道围岩裂隙发育情况与强度的快速评估是保证巷道掘进与开采过程中支护有效性与安全稳定性的重要依据，而钻孔成像技术作为不透明地质围岩体质量评价的主要测试方法1，在巷道支护参数设计、支护体校验、围岩质量评估等方面应用广泛2。巷道支护设计与施工前期清楚巷道支护体范围内的岩层结构分布及孔裂隙发育情况，对巷道安全高效掘进3至关重要。围岩质量评价指标主要包括围岩体完整性、结构面特征参数与围岩力学强度4，而评价指标测试技术与装备的成熟发展，使得原有物探测试结果准确性、获取信息数据量大小等问题得到逐步解决，而钻孔窥视技术5也在物探技术发展的过程中逐渐成为地下工程围岩质量定量评价的主要手段。目前，众多学者针对钻孔窥视图像表达的结构面几何特征研究，取得了诸多丰富的成果，对矿山岩体力学的发展以及完善巷道支护设计的依据意义重大。彭永伟6等采用钻孔窥视、测线法、测窗法实现了煤体采动裂隙的现场捕捉与实测记录；韩增强7等针对裂隙岩体灌浆效果评价依据单一的问题，通过钻孔图像裂隙参数计算结果，分析了岩体质量的改善情况，并得到了孔壁完整性指数与岩体完整程度的数学关系；邹先坚8-9等提出了一种对全景钻孔图像结构面的自动识别与区域划分方法，得到现场围岩体结构面所处位置、倾向、倾角与隙宽等结果，为图像的后期处理与信息获取提供了新思路与新方法；王川婴等进行了多年的研究，区分了数字钻孔与数字式全景钻孔摄像技术10，总结了该成像技术的发展现状11，并将正弦函数作为图像结构面的特征函数来识别结构面12；葛云峰13、夏 丁14等采用Canny算法检测岩体结构面的几何信息，并通过已有算法的模型结果进行了可行性验证；王益腾2等将围岩钻孔孔壁剖面线作为岩体结构面形貌特征研究对象，从而实现对结构面力学特性的定量判断；李清波15等采用边缘阈值分割方法实现了岩体完整性的质量评价；苏钰桐16等通过深度卷积神经网络检测算法来识别数字钻孔成像的图像裂隙区域，为围岩裂隙的可视化提供了新思路；王超17等将钻孔图像应用于岩石孔隙结构的识别与分析，实现井下岩体孔隙结构的定量表征。众多学者对围岩质量评价主要采用的方法是钻孔图像的统计分析，根据数字图像处理结果，结合边缘检测算子与数理统计，实现对围岩结构面几何参数的确定与力学特性的定量分析，而针对获取的结构面几何参数与围岩力学强度的相关性鲜有报道。因此，笔者开展基于数字图像处理的围岩结构面几何参数提取研究，确定结构面参数与力学强度指标，并构建全部参数与力学强度的多元非线性回归模型，以期确定各因素对力学强度的影响程度。研究成果可为巷道围岩质量钻探与强度快速评估的现场应用提供一种新思路。1 围岩结构及地质力学测试技术 1.1 围岩结构探测 钻孔窥视仪观测钻孔壁不连续面分布的工作原理是利用CCD摄像头将光线转变成电子讯号后，将影像显示于监视器上。与光纤窥视仪相比，电子窥视仪的主要优点是可获得更高的解像度、更远的有效长度及更清晰的影像效果。综合考虑电子窥视仪的诸多优点，采用矿用小孔径全景电子窥视仪进行巷道围岩孔壁结构观察，全景钻孔窥视仪如图1所示。导线深度计数器探头主机连杆 图1 全景钻孔观测窥视仪系统 Fig.1 Panoramic borehole observation system 1.2 围岩强度测定 岩体强度的测定是在井下巷道围岩钻孔中进行的，探头内的活塞在高压油的驱动下发生移动，使端部探针压向钻孔孔壁，探针的位移由探针位移指示仪显示，在探针作用下的钻孔孔壁达到临界破坏压力之前，探针静止不动，随着压力的增加，探针作用在钻孔孔壁上的压力一旦达到其临界压力，孔 孙志勇等：采矿与岩层控制工程学报 Vol.5，No.2(2023)：023028 023028-3 壁岩体便被压坏，探针位移指示仪的微安表头指针突然跳动，此时手动泵的压力表所记录的最高压力值即为测得的孔壁岩体临界强度，经换算可得该点岩体的单轴抗压强度，测试原理及装置如图2所示。岩层探针位移计压力表探头探针手动泵压力-位移同步采集仪探头连杆探针位移指示仪油管手动泵(a)测定原理(b)测定装置安装杆升降器 图2 围岩强度测定原理示意及测定装置 Fig.2 Schematic diagram of the principle of surrounding rock strength measurement and measurement device 根据寺河煤矿井下巷道的特点，采用小孔径测量装置，研制便携式仪器，提高测量速度，实现快速测 量。具 体 测 量 指 标 为：测 量 钻 孔 直 径 为(562)mm；最大钻孔深度为30 m；最大压强为140 MPa；正常情况下每个测点的测量时间不超过2 h；测试精度能够满足支护设计的要求。根据上述测量指标研发的WQCZ-56型小孔径井下巷道围岩强度测定装置可在井下进行快速、准确的围岩强度测量。1.3 测站布置及测定方案 在寺河煤矿东六盘区63022巷距巷口40 m、63021巷距巷口150 m、东六回风亊巷距巷口800 m处共布置3个测站进行围岩强度测定与钻孔窥视，每个测站布置顶板垂直与帮部水平测试钻孔，钻孔直径56 mm，钻孔深度10 m。1.4 测定及窥视结果 3个测站的巷道顶板及帮部的围岩强度、钻孔窥视结果见表1。表1 围岩测试结果 Table 1 Surrounding rock test results 编号 孔深/m 钻孔窥视成像 平均强度/MPa 1-1 8.89.1(顶板)111.0 2-1 8.79.1(顶板)109.0