基于数字散斑方法的相似材料模型变形和破坏特征

刘 征，王宏图，施 峰，舒 才

(重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室， 重庆 400044)

基于数字散斑方法的相似材料模型变形和破坏特征

刘 征，王宏图，施 峰，舒 才

(重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室， 重庆 400044)

为了验证数字散斑方法研究保护层开采物理相似模拟的采空区上覆岩层垮落、变形规律的可行性，设计了利用数字散斑方法研究相似材料试件的变形和破坏特征的实验。实验获得了相似材料试件单轴压缩过程中的散斑位移云图。通过对试件破坏前、破坏过程中和破坏发育完全3个关键阶段的散斑位移云图进行分析，获得了试件单轴压缩过程中的变形和破坏特征，揭示了试件单轴压缩产生剪切破坏的机理，并验证了利用数字散斑方法研究保护层开采物理相似模拟采空区上覆岩层垮落、变形规律的可行性。

数字散斑方法；相似材料模型；变形特征；破坏特征

0 引 言

数字散斑相关方法的基本思想是上世纪80年代初由日本的山口一郎和美国的Peters和Ranson等人分别独立提出的。国内高建新、王怀文[1￣2]等较早进行了数字散斑相关方法的研究。该方法的变形识别过程是: 分别采集物体变形前后的两幅数字散斑图, 将变形前后的图像划分为众多小块图像，定义为样本子区及目标子区, 只要找出目标子区和样本子区之间灰度值信息间的一一对应关系, 就可以实现变形量的提取，利用位移插值将得到整个研究区域内的变形信息。相比传统的测量方法，数字散斑相关方法具有全场测量、非接触、环境不敏感、操作简单等突出的优点[2￣4]。

随着我国煤矿开采逐步进入到深部环境，煤与瓦斯突出灾害日益严重，突出矿井数量日益增多，因而作为目前最有效的区域防突措施，保护层开采相关问题获得了大量研究。众多学者通过相似模拟方法对保护层开采上覆岩层变形、破坏规律进行了卓有成效的研究[5]，取得了众多成果。但是研究多数集中在定性的层次或者通过传统的相似模拟测量方法进行保护层开采采空区上覆岩层变形、破断规律的研究，导致无法定量说明上覆岩层变形和破坏特征或者不能连续测量模型整体的变形破坏规律。为了达到全场定量测量保护层开采采空区上覆岩层变形和破坏规律的目的，引入数字散斑方法对保护层开采采空区上覆岩层变形、破坏规律进行研究。保护层开采相似模拟研究对象是南桐矿区的砚石台煤矿。砚石台煤矿赋存有6#和4#煤层，6#煤层在4#煤层上方，两层煤都具有突出危险性，6#煤层突出危险性较弱，现计划将6#煤层作为上保护层进行保护层开采。为了验证利用数字散斑方法研究保护层开采物理相似模拟的采空区上覆岩层垮落、变形规律的可行性，设计了本次利用数字散斑方法研究相似材料试件的变形和破坏特征的实验。

1 实验方案

1.1 实验对象

实验针对砚石台煤矿6#煤层临近层的粉砂质页岩制作相似材料试件，利用数字散斑技术对试件在受压状态下的变形和破坏特征进行研究。

1.2 实验设备

相似材料试件单轴压缩实验采用MTS815实验机，应变数据采集装置为Sigmar公司产ASMD3-16电阻应变仪，图像数据采集装置则选择2848×4288像素的高精度数码相机。

1.3 相似材料及其配比

相似材料选择河沙、石膏和碳酸钙。依据相似原理，相似材料试件应该满足与原型具有变形相似和动力相似，因而可以确定出相似材料试件所要满足的力学参数，并确定相应的相似材料配比[6￣7]。原型力学参数和相似材料试件所需达到的力学参数以及对应的相似材料配比见表1。

1.4 实验过程

将河沙、石膏和碳酸钙按照配比分层填充到试件模具中，并通过控制材料的压实程度控制相似材料试件的容重，试件成型稳定之后放入恒温室进行保养。

利用MTS815实验机对制作完成的相似材料试件进行单轴压缩实验，并通过试件上固定的应变片监测试件在单轴压缩过程中的应变情况，应变数据采集则由ASMD3-16电阻应变仪完成，其获得的试件应变数据导入到计算机内进行存储。

同时在单轴压缩实验过程中于固定位置对相似材料试件进行定焦拍照[3,4,8]，并将获得的高分辨率照片导入到数字散斑软件进行后期处理，进而得到模型的位移及应变云图。

表1 实验原型及试件力学参数和相似材料配比

2 实验结果

数字散斑相关方法变形测量精度的影响因素较多，除算法本身产生的误差外，还包括散斑质量、实验环境、设备和条件等引起的误差[3]。为降低误差，实验结果处理基于较为成熟的归一化协方差相关函数作为相关性系数，通过邻近域搜索法关联变形前后灰度化的天然散斑子区，得到变形前后的子区的位移信息，并利用基于相关系数插值(拟合)的亚像素定位法提高位移测量的精度。通过对位移数据采用一阶有限单元方法计算得到全场应变信息。主要参数为：子区大小20×20像素；邻近域搜索区域40×40像素；有限元计算网格大小20×20像素；相关性系数C定义为：

为了综合直观的分析相似材料试件在单轴压缩过程中的位移和破坏情况，将定性的试件破坏位移图像与定量的数字散斑位移云图叠加，其结果见图1。

如图1排除边界效应影响，可以看出位移等值线图具有沿a，b两个方向突出的特点，应该是箭头a，b附近区域试件中的点在单轴压缩过程中相对a，b垂线方向并远离a，b区域的点具有更大的位移量，使得试件在单轴压缩过程中具有发生剪切破坏的可能性。

图2为相似材料试件开始破坏时散斑位移云图。图中空白区域是数字散斑方法无法识别的区域，无法识别的可能性有两种：一种是数字散斑技术是基于小变形理论的，对于大变形跟踪的误差较大，因此变形量过大的区域已经超过事先设定的相关系数阈值，导致其只能以空白显示；第二种可能是试件在单轴压缩过程中试件表面区域存在表皮剥落的情况，而数字散斑技术是通过对对象表面变形前后的相关子区进行关联获得对象表面位移的，因而试件表面脱落会导致相应区域的位移无法被识别，只能以空白显示。

从图2可以看出试件确实沿着近乎平行图1所示的箭头a的方向进行破坏，说明发生的确是剪切破坏。从微观角度来说沿裂缝垂线方向，裂缝上部的点位移量相对裂缝下部的点大，使得试件上原来相邻的两点发生超过材料粘滞力作用能力的相对错动，反映到试件整体上就是试件按照图示情形发生剪切破坏。从数字散斑方法的角度而言，利用数字散斑方法可以观察试件局部的位移情况和试件位移量的分布规律，对本次单轴压缩实验而言可以揭示单轴压缩导致的试件剪切破坏的机理，并可以预测试件可能发生破坏的形式和发生破坏的位置。

图3为相似材料试件破坏发育完全时的试件散斑位移云图。从图中可以看出试件新发育的另一条裂缝沿着近乎平行图1所示的箭头b的方向蔓延，验证了以上认为试件是剪切破坏的判断，最终试件破坏结构呈现“人”字形，也符合剪切破坏的特征。第二条裂缝的出现也进一步验证了通过数字散斑方法预测研究对象剪切破坏形式和位置的可行性。

图2 开始破坏时相似材料试件散斑位移云图

图3 破坏发育完全时相似材料试件散斑位移云图

3 结 论

(1) 实验获得了相似材料试件单轴压缩过程中的变形和破坏规律，即单轴压缩使得试件沿“人”字形方向变形较大，变形达到一定程度之后，试件会呈现“人”字形破裂。

(2) 利用数字散斑方法对相似材料试件单轴压缩过程进行研究，直观准确地揭示了试件单轴压缩产生剪切破坏的机理。

(3) 通过本次实验验证了利用数字散斑方法进行研究对象剪切破坏形式和位置的预测是可行的。

(4) 通过本次利用数字散斑方法研究相似材料试件的变形和破坏特征验证了利用数字散斑方法研究保护层开采物理相似模拟采空区上覆岩层垮落、变形规律的可行性。

[1]高建新，周辛庚.数字散斑相关方法的原理与应用[J].力学学报,1995,27(6):724￣731.

[2]王怀文,亢一澜,谢和平.数字散斑相关方法与应用研究进展[J].力学进展,2005,35(2):195￣203.

[3]赵 健.数字散斑相关方法及其在工程测试中的应用研究[D].北京:北京林业大学,2014.

[4]王怀文,周宏伟,左建平,等.光测方法在岩层移动相似模拟实验中的应用[J].煤炭学报,2006,32(3):278￣281.

[5]刘三钧，林柏泉，等.远距离下保护层开采上覆煤岩裂隙变形相似模拟[J].采矿与安全工程学报,2011,28(1):51￣55,60.

[6]左保成,陈从新,刘才华,等.相似材料试验研究[J].岩土力学,2004,25(11):1805￣1808.

[7]许家林,钱鸣高,马文顶,等.岩层移动模拟研究中加载问题的探讨[J].中国矿业大学学报,2001,30(3):252￣255.

[8]王志国,周宏伟,谢和平,等.深部开采对覆岩破坏移动规律的实验研究[J].实验力学,2008,23(6):503￣510.

2016￣12￣15)

刘 征(1991-)，男，河南商丘人，硕士研究生，主要从事矿山安全开采研究，Email:2538166552@qq.com。