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岩体具有显著的结构特性,即节理岩体,其具有复杂性、非连续性、各向异性以及力学响应非线性等。对岩体结构进行准确探测能够为数学物理模型和数值模拟提供可靠的物理基础。为此,本文以数字式全景钻孔摄像系统为硬件平台,获取高分辨率的360°孔壁展开图及立体柱状图,进行相应数字处理方法的试验与讨论,对其中的断层、节理、夹层、岩脉、完整与破碎等地质信息进行详细的描述和综合的分析,提出并探讨一些新的岩体完整性评价方法。主要成果及创新点如下:
(1)论文总结和归纳了数字钻孔图像获取的原理及方法,对图像获取过程中的存在的深度、磁偏角和偏色等问题进行了分析和探讨,提出修正方法。
(2)针对倾斜钻孔,推导出钻孔图像的空间坐标变换关系,进行模块嵌入。全景图像编码还原,映射、量化、编码,实现图像重建与成图。针对图像清晰度问题,引入图像增强技术(包括空域法和频域法),运用VC++和Matlab编制图像处理模块,增强图像可观性,提高工程实用性。针对图像编辑,编制图像几何操作模块(包括缩放、旋转、平移等),以便后续集成。针对图像边界识别,通过边缘检测(尤其用于钻孔图像中结构面正弦曲线的检测)和形态处理(利用形态学上的代数运算算子及其组合进行图像形状和结构的分析处理,包括腐蚀、膨胀、开放、密封等形态滤镜)不断试验,进行效果比较,确定算子或方法的优化组合,解决钻孔图像中结构面和岩土体完整边界的识别问题,以满足特定工程要求和研究需要。
(3)在数字处理钻孔图像基础上,提取其中的断层、节理、夹层、岩脉、完整及破碎等地质信息,进行岩体完整性的描述与解析。其中,就结构面的空间分布,推导出结构面的空间延伸公式,以推测结构面可能的空间规模。对离散地质数据进行统计和归纳,提出并建立岩体完整性指数密度函数DIDF,在此基础上提出并建立岩体完整性指数RMDI和岩体完整性分维数RMIFA,同时编制相应的统计程序,进行岩体完整性的评价。结合现行规范和工程实践,提出岩体完整性指数RMDI和岩体完整性分维数RMIFA的分类方案,解决钻孔孔段和全孔的岩体完整性定量评价与国标所确定的岩体结构类型相统一的问题。
综上,提出钻孔图像获取过程中存在的深度、磁偏角和偏色等问题的修正方法;分析和讨论钻孔图像的数字处理方法(空间坐标、编码还原、图像增强、图像几何、边缘检测、形态滤镜);探讨和分析钻孔图像的岩体完整性评价方法(岩体完整性指数密度函数DIDF、岩体完整性指数RMDI、岩体完整性分维数RMIFA);以开滦煤矿唐山矿区数字钻孔摄像工程地质勘察中的离层孔为例,进行上述方法的工程应用,以期为煤矿工程中矿井突水和瓦斯突出在岩中的渗透路径提供一定的指导与借鉴。