基于数字图像处理技术的爆生气体膨胀规律研究

2019-08-22崔新男汪旭光张小军陈志远

有色金属（矿山部分） 2019年4期

崔新男，汪旭光,2，张小军，陈志远

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；2.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；3.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083)

1613年德国人马林(Marlin)、韦格尔(Weigel)在佛雷斯伯格矿山首先用炸药掘进坑道，开创了爆破采矿的历史，自此学者们从未停止过对爆破作用的研究，但也仅仅停留在炸药量与破碎岩石体积成比例的理论上。直到20世纪60年代日野熊雄冲击波拉伸破坏理论和兰格福斯等人爆炸气体膨胀压坏理论的出现，大大推动了爆破破岩理论的发展。到了70年代，Long确立了爆破作用是冲击波和爆生气体共同作用理论，爆破过程分为三个阶段，第一阶段为冲击波径向压缩岩石，并在岩石内引起切向拉应力，由此产生的径向裂隙向自由面方向发展；第二阶段为冲击波在自由面反射引起自由面岩石片落；第三阶段为爆生气体膨胀进一步将径向初始裂隙扩大，切割岩石，炮孔前方岩石被分离、抛掷时，高应力卸载效应在岩石内引起极大拉伸应力，使第二阶段形成的细小裂隙进一步扩展[1]。

冲击波和爆生气体共同作用理论综合考虑了冲击波(应力波)和爆生气体的作用。学者们应用诸多现代科学技术对爆破破岩过程进行了试验、数值模拟、观测，使爆破理论研究更加实用化、计算化和科学化。Persson等[2]分别设计了有机玻璃模型试验，指出了在破碎岩石时，应力波和爆炸气体均起作用，应力波最先使孔壁处产生径向裂隙，爆炸气体膨胀使裂隙扩展，且自由面的存在有利于径向裂隙向自由面扩展。美国马里兰大学等[3]采用高速摄影和动光弹相结合的方法，进行了一系列室内室外爆破试验，在预置裂隙的H-100塑胶板(Homalite-100)爆破试验中，动光弹清晰地显示了应力波与裂隙在破碎过程中的相互作用，在300 mm×300 mm×50 mm花岗岩板试验中得到了与塑胶板试验类似的结果。AUTODYN、LS-DYNA、ABAQUS等计算机数值模拟软件的兴起，给爆破作用研究带来了极大的便利。崔新男等[4]模拟了爆破过程中炮泥对爆破效果的影响。Guo[5]应用动态焦散线方法证实了爆生气体在隧道内裂纹扩展中起了主导作用。杨仁树等[6]在有机玻璃板上布置应变片，研究了爆炸应力波对介质的作用效应，并结合LS-DYNA进行了数值模拟验证。严成增等[7]在原有FEM/DEM方法中，建立了一种新的爆破计算模型，提出了贯通裂隙网络形成的递归算法，将爆生气体楔入裂隙的作用考虑进来，但仍无法模拟气体膨胀过程。

前人们对爆炸应力波的作用进行了较为充分的研究，用于测量和模拟冲击波、应力波、振动波的传感器和数值模拟软件也十分丰富。然而，爆生气体因其作用时间极短、本身高温高压且破坏性强的特点，一直缺乏有效的试验测量方法。冷振东等[6]分析了导爆索侧向起爆和一端起爆时爆炸冲击能和爆生气体能量的分布规律。Li Z等[7]则应用边界元和流固耦合技术模拟了可动或可变形物体附近气泡的生长和坍塌过程。聂百胜[8]应用数字图像处理相关系数法对管道内瓦斯爆炸的火焰传播过程进行了分析，计算了火焰传播速度动态变化规律。对爆生气体的试验研究较少，基于此，本文采用高速摄影机拍摄了浅埋于混凝土的集中药包爆炸时形成的爆生气体自孔口向外扩散的图像，应用数字图像处理技术分析了爆生气体随时间的扩展规律。

1 混凝土模型试验

1.1 模型参数

设计室外试验，试验地点为内蒙古某露天矿山，模型材料为商用C30混凝土，木制模板，模型尺寸为2.0 m×0.4 m×0.3 m，边浇筑边振捣，自然条件下养护28 d。使用同批次混凝土制作100 mm×100 mm×100 mm试块，经测定单轴抗压强度为42.15 MPa，拆模后模型如图1所示。

图1 混凝土模型Fig.1 The concrete model

1.2 爆破参数

使用冲击钻在模型中心钻凿炮孔，孔径10 mm，孔深120 mm，为突出爆生气体的准静态膨胀作用，采用浅埋装药。取一段Φ10 mm PVC管，管底用橡皮泥封堵，将2 g黑索金装于管中，装药长度为2 cm，装药密度为1.27 g/cm3，再装一发3段8号导爆管雷管，管口用胶带缠牢，总装药长度约4 cm，总装药量3 g，如图2所示，采用石英砂混合502胶水堵孔，抵抗线约为8 cm。

图2 装药结构Fig.2 Charge structure

1.3 图像采集系统

采用国产千眼狼5KF20C高速摄影机，为保护试验设备，配备尼康AF 70-200 mm F/2.8远摄镜头，单机拍摄，帧率4 000 fps，图像分辨率384×350，相机配备外触发快门线，为避免起爆器与快门误差导致拍摄失败，将拍摄时间延长至3 s，相机自身具备8G内存，为高帧率长时间拍摄提供了可靠保障。

2 试验结果分析

2.1 爆破漏斗结果

按照上述爆破参数进行试验，爆破后形成了加强抛掷漏斗，即漏斗半径大于漏斗深度，典型爆破漏斗半径约17.5 cm，深度约6.5 cm，如图3所示。

图3 爆破漏斗尺寸Fig.3 Size of blasting crater

2.2 高速摄影机拍摄结果

炸药在炮孔内起爆后，对模型的作用分为冲击波压缩作用和爆生气体膨胀作用，后者对爆破漏斗内砂石向外抛掷起主要作用，经过冲击波压缩和自由面反向拉伸已在模型内部形成无数裂隙，气体的楔入使裂隙贯通至自由面并切割砂石，最终将砂石推出爆坑。高速摄影机明确地拍摄到夹杂着混凝土碎块的爆生气体向外膨胀过程，如图4所示。

2.3 图像处理

数字图像处理(Digital Image Processing)是将图像转换为数字信号并利用计算机对其进行如去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。为分析爆生气体扩展规律，本文采用OpenCV编程将图像进行分割并提取气体边缘特征，统计气体体积膨胀过程，处理流程分为四步，见图5。

第一步，选取起爆前图像作为背景，为避免光线变化带来误差，一般取气体溢出前1～2帧作为背景，记为bg(x,y)，读取起爆后每一帧图像作为前景图像，记为fr(x,y)，首先对背景及前景分别进行降噪处理，并剪除背景，突出目标区域。

图4 混凝土块与爆生气体自炮孔向外扩散Fig.4 Concrete fragment and explosion gas flow out of the borehole

diff(x,y)=fr(x,y)-bg(x,y)

(1)

式中：diff(x,y)为剪除背景后的图像。

第二步，选择一阶微分算子进行气体边缘梯度计算，水平算子H和垂直算子V分别对diff(x,y)进行卷积计算，得到水平和垂直梯度，并对两个梯度图像进行加权求和，得到气体边缘图像grad(x,y)。

grad(x,y)=diff(x,y)×H+diff(x,y)×V

(2)

式中：grad(x,y)气体边缘梯度图像。

第三步，获得气体边缘图像，对图像进行阈值化，像素值小于阈值T设置为背景，大于T设置为前景，得到阈值化图像thresh(x,y)。

式中：thresh(x,y)为阈值化图像。

第四步，在阈值化图像thresh(x,y)中检测所有轮廓，进行形态学操作，去除孤立的小轮廓，并舍弃面积(像素点数)过小的轮廓，得到气体边缘轮廓，统计轮廓面积。

图5 图像处理流程图Fig.5 Image processing flow chart

检测到的气体轮廓图像如图6所示。

图6 爆生气体轮廓图像Fig.6 Contours of the explosion gas

2.4 气体扩散规律分析

在进行气体扩散规律分析之前，需要做一个基本假设：由于使用的是单相机拍摄，无法进行3D重建，且相机视轴垂直于炮孔轴线，故假设气体从炮孔内冲出后，延各个方向同时扩展，即气团延炮孔轴线方向近似对称，则拍摄到的气体面积扩散规律代表了体积扩散规律，气体轮廓内像素数为气体量。从图像中来看爆炸气体也是近似对称的，所以假设是合理的。

表1给出了各个时刻统计的气体量。