基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的爆生氣體膨脹規(guī)律研究

崔新男，汪旭光,2，張小軍，陳志遠(yuǎn)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

1613年德國(guó)人馬林(Marlin)、韋格爾(Weigel)在佛雷斯伯格礦山首先用炸藥掘進(jìn)坑道，開(kāi)創(chuàng)了爆破采礦的歷史，自此學(xué)者們從未停止過(guò)對(duì)爆破作用的研究，但也僅僅停留在炸藥量與破碎巖石體積成比例的理論上。直到20世紀(jì)60年代日野熊雄沖擊波拉伸破壞理論和蘭格福斯等人爆炸氣體膨脹壓壞理論的出現(xiàn)，大大推動(dòng)了爆破破巖理論的發(fā)展。到了70年代，Long確立了爆破作用是沖擊波和爆生氣體共同作用理論，爆破過(guò)程分為三個(gè)階段，第一階段為沖擊波徑向壓縮巖石，并在巖石內(nèi)引起切向拉應(yīng)力，由此產(chǎn)生的徑向裂隙向自由面方向發(fā)展；第二階段為沖擊波在自由面反射引起自由面巖石片落；第三階段為爆生氣體膨脹進(jìn)一步將徑向初始裂隙擴(kuò)大，切割巖石，炮孔前方巖石被分離、拋擲時(shí)，高應(yīng)力卸載效應(yīng)在巖石內(nèi)引起極大拉伸應(yīng)力，使第二階段形成的細(xì)小裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展[1]。

沖擊波和爆生氣體共同作用理論綜合考慮了沖擊波(應(yīng)力波)和爆生氣體的作用。學(xué)者們應(yīng)用諸多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)爆破破巖過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)、數(shù)值模擬、觀測(cè)，使爆破理論研究更加實(shí)用化、計(jì)算化和科學(xué)化。Persson等[2]分別設(shè)計(jì)了有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)，指出了在破碎巖石時(shí)，應(yīng)力波和爆炸氣體均起作用，應(yīng)力波最先使孔壁處產(chǎn)生徑向裂隙，爆炸氣體膨脹使裂隙擴(kuò)展，且自由面的存在有利于徑向裂隙向自由面擴(kuò)展。美國(guó)馬里蘭大學(xué)等[3]采用高速攝影和動(dòng)光彈相結(jié)合的方法，進(jìn)行了一系列室內(nèi)室外爆破試驗(yàn)，在預(yù)置裂隙的H-100塑膠板(Homalite-100)爆破試驗(yàn)中，動(dòng)光彈清晰地顯示了應(yīng)力波與裂隙在破碎過(guò)程中的相互作用，在300 mm×300 mm×50 mm花崗巖板試驗(yàn)中得到了與塑膠板試驗(yàn)類似的結(jié)果。AUTODYN、LS-DYNA、ABAQUS等計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件的興起，給爆破作用研究帶來(lái)了極大的便利。崔新男等[4]模擬了爆破過(guò)程中炮泥對(duì)爆破效果的影響。Guo[5]應(yīng)用動(dòng)態(tài)焦散線方法證實(shí)了爆生氣體在隧道內(nèi)裂紋擴(kuò)展中起了主導(dǎo)作用。楊仁樹(shù)等[6]在有機(jī)玻璃板上布置應(yīng)變片，研究了爆炸應(yīng)力波對(duì)介質(zhì)的作用效應(yīng)，并結(jié)合LS-DYNA進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證。嚴(yán)成增等[7]在原有FEM/DEM方法中，建立了一種新的爆破計(jì)算模型，提出了貫通裂隙網(wǎng)絡(luò)形成的遞歸算法，將爆生氣體楔入裂隙的作用考慮進(jìn)來(lái)，但仍無(wú)法模擬氣體膨脹過(guò)程。

前人們對(duì)爆炸應(yīng)力波的作用進(jìn)行了較為充分的研究，用于測(cè)量和模擬沖擊波、應(yīng)力波、振動(dòng)波的傳感器和數(shù)值模擬軟件也十分豐富。然而，爆生氣體因其作用時(shí)間極短、本身高溫高壓且破壞性強(qiáng)的特點(diǎn)，一直缺乏有效的試驗(yàn)測(cè)量方法。冷振東等[6]分析了導(dǎo)爆索側(cè)向起爆和一端起爆時(shí)爆炸沖擊能和爆生氣體能量的分布規(guī)律。Li Z等[7]則應(yīng)用邊界元和流固耦合技術(shù)模擬了可動(dòng)或可變形物體附近氣泡的生長(zhǎng)和坍塌過(guò)程。聶百勝[8]應(yīng)用數(shù)字圖像處理相關(guān)系數(shù)法對(duì)管道內(nèi)瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程進(jìn)行了分析，計(jì)算了火焰?zhèn)鞑ニ俣葎?dòng)態(tài)變化規(guī)律。對(duì)爆生氣體的試驗(yàn)研究較少，基于此，本文采用高速攝影機(jī)拍攝了淺埋于混凝土的集中藥包爆炸時(shí)形成的爆生氣體自孔口向外擴(kuò)散的圖像，應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析了爆生氣體隨時(shí)間的擴(kuò)展規(guī)律。

1 混凝土模型試驗(yàn)

1.1 模型參數(shù)

設(shè)計(jì)室外試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)蒙古某露天礦山，模型材料為商用C30混凝土，木制模板，模型尺寸為2.0 m×0.4 m×0.3 m，邊澆筑邊振搗，自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d。使用同批次混凝土制作100 mm×100 mm×100 mm試塊，經(jīng)測(cè)定單軸抗壓強(qiáng)度為42.15 MPa，拆模后模型如圖1所示。

圖1 混凝土模型Fig.1 The concrete model

1.2 爆破參數(shù)

使用沖擊鉆在模型中心鉆鑿炮孔，孔徑10 mm，孔深120 mm，為突出爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)膨脹作用，采用淺埋裝藥。取一段Φ10 mm PVC管，管底用橡皮泥封堵，將2 g黑索金裝于管中，裝藥長(zhǎng)度為2 cm，裝藥密度為1.27 g/cm3，再裝一發(fā)3段8號(hào)導(dǎo)爆管雷管，管口用膠帶纏牢，總裝藥長(zhǎng)度約4 cm，總裝藥量3 g，如圖2所示，采用石英砂混合502膠水堵孔，抵抗線約為8 cm。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Charge structure

1.3 圖像采集系統(tǒng)

采用國(guó)產(chǎn)千眼狼5KF20C高速攝影機(jī)，為保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備，配備尼康A(chǔ)F 70-200 mm F/2.8遠(yuǎn)攝鏡頭，單機(jī)拍攝，幀率4 000 fps，圖像分辨率384×350，相機(jī)配備外觸發(fā)快門線，為避免起爆器與快門誤差導(dǎo)致拍攝失敗，將拍攝時(shí)間延長(zhǎng)至3 s，相機(jī)自身具備8G內(nèi)存，為高幀率長(zhǎng)時(shí)間拍攝提供了可靠保障。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 爆破漏斗結(jié)果

按照上述爆破參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，爆破后形成了加強(qiáng)拋擲漏斗，即漏斗半徑大于漏斗深度，典型爆破漏斗半徑約17.5 cm，深度約6.5 cm，如圖3所示。

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

2.2 高速攝影機(jī)拍攝結(jié)果

炸藥在炮孔內(nèi)起爆后，對(duì)模型的作用分為沖擊波壓縮作用和爆生氣體膨脹作用，后者對(duì)爆破漏斗內(nèi)砂石向外拋擲起主要作用，經(jīng)過(guò)沖擊波壓縮和自由面反向拉伸已在模型內(nèi)部形成無(wú)數(shù)裂隙，氣體的楔入使裂隙貫通至自由面并切割砂石，最終將砂石推出爆坑。高速攝影機(jī)明確地拍攝到夾雜著混凝土碎塊的爆生氣體向外膨脹過(guò)程，如圖4所示。

2.3 圖像處理

數(shù)字圖像處理(Digital Image Processing)是將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行如去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等處理的方法和技術(shù)。為分析爆生氣體擴(kuò)展規(guī)律，本文采用OpenCV編程將圖像進(jìn)行分割并提取氣體邊緣特征，統(tǒng)計(jì)氣體體積膨脹過(guò)程，處理流程分為四步，見(jiàn)圖5。

第一步，選取起爆前圖像作為背景，為避免光線變化帶來(lái)誤差，一般取氣體溢出前1～2幀作為背景，記為bg(x,y)，讀取起爆后每一幀圖像作為前景圖像，記為fr(x,y)，首先對(duì)背景及前景分別進(jìn)行降噪處理，并剪除背景，突出目標(biāo)區(qū)域。

圖4 混凝土塊與爆生氣體自炮孔向外擴(kuò)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)為剪除背景后的圖像。

第二步，選擇一階微分算子進(jìn)行氣體邊緣梯度計(jì)算，水平算子H和垂直算子V分別對(duì)diff(x,y)進(jìn)行卷積計(jì)算，得到水平和垂直梯度，并對(duì)兩個(gè)梯度圖像進(jìn)行加權(quán)求和，得到氣體邊緣圖像grad(x,y)。

grad(x,y)=diff(x,y)×H+diff(x,y)×V

(2)

式中：grad(x,y)氣體邊緣梯度圖像。

第三步，獲得氣體邊緣圖像，對(duì)圖像進(jìn)行閾值化，像素值小于閾值T設(shè)置為背景，大于T設(shè)置為前景，得到閾值化圖像thresh(x,y)。

式中：thresh(x,y)為閾值化圖像。

第四步，在閾值化圖像thresh(x,y)中檢測(cè)所有輪廓，進(jìn)行形態(tài)學(xué)操作，去除孤立的小輪廓，并舍棄面積(像素點(diǎn)數(shù))過(guò)小的輪廓，得到氣體邊緣輪廓，統(tǒng)計(jì)輪廓面積。

圖5 圖像處理流程圖Fig.5 Image processing flow chart

檢測(cè)到的氣體輪廓圖像如圖6所示。

圖6 爆生氣體輪廓圖像Fig.6 Contours of the explosion gas

2.4 氣體擴(kuò)散規(guī)律分析

在進(jìn)行氣體擴(kuò)散規(guī)律分析之前，需要做一個(gè)基本假設(shè)：由于使用的是單相機(jī)拍攝，無(wú)法進(jìn)行3D重建，且相機(jī)視軸垂直于炮孔軸線，故假設(shè)氣體從炮孔內(nèi)沖出后，延各個(gè)方向同時(shí)擴(kuò)展，即氣團(tuán)延炮孔軸線方向近似對(duì)稱，則拍攝到的氣體面積擴(kuò)散規(guī)律代表了體積擴(kuò)散規(guī)律，氣體輪廓內(nèi)像素?cái)?shù)為氣體量。從圖像中來(lái)看爆炸氣體也是近似對(duì)稱的，所以假設(shè)是合理的。

表1給出了各個(gè)時(shí)刻統(tǒng)計(jì)的氣體量。

表1 各個(gè)時(shí)刻爆生氣體的量

圖7為氣體隨時(shí)間擴(kuò)散擬合曲線。

由圖7可以看出，在最初的幾毫秒內(nèi)，爆生氣體量近似呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，符合氣體準(zhǔn)靜態(tài)膨脹過(guò)程。

圖7 爆生氣體量擬合曲線Fig.7 Fitting curve of the explosion gas amount

3 討論

分析了爆生氣體溢出后的膨脹過(guò)程，而介質(zhì)內(nèi)部的作用過(guò)程采用普通手段難以拍攝，氣體邊緣也不夠精確，下一步可朝以下幾個(gè)方向改進(jìn)：

1)采用與巖石性質(zhì)相近或相似的透明介質(zhì)代替混凝土進(jìn)行拍攝，如付金偉[9]開(kāi)發(fā)了一種新型透明脆性樹(shù)脂材料用以進(jìn)行各類巖石力學(xué)試驗(yàn)。

2)單相機(jī)只能獲得平面圖像，當(dāng)使用多于1個(gè)相機(jī)從不同角度拍攝氣團(tuán)，就可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理對(duì)氣團(tuán)進(jìn)行三維重建，從而獲得真正意義上氣體體積隨時(shí)間變化的規(guī)律。

4 結(jié)論

本文采用混凝土淺埋裝藥進(jìn)行了爆破拋擲漏斗試驗(yàn)，高速攝影機(jī)記錄了爆破后夾雜砂石的爆生氣體自孔口向外擴(kuò)散的過(guò)程，并應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析了爆破后數(shù)毫秒內(nèi)爆生氣體擴(kuò)展情況，主要結(jié)論如下：

1)高速攝影機(jī)配合數(shù)字圖像處理技術(shù)可對(duì)爆炸這種極高速過(guò)程進(jìn)行有效的非接觸測(cè)量，是研究爆破機(jī)理的一種有效手段。

2)背景剪除法和一階微分算子對(duì)于處理煙霧、云霧等與背景環(huán)境差別不大的圖像時(shí)可以準(zhǔn)確檢測(cè)出邊界。

3)爆破后數(shù)毫秒內(nèi)，爆生氣體便從炮孔中溢出，爆破漏斗內(nèi)砂石隨氣體一同高速向外飛散，爆生氣體量隨時(shí)間呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)。

4)采用普通拍攝方法無(wú)法獲得爆生氣體在炮孔內(nèi)部膨脹對(duì)介質(zhì)作用的過(guò)程，氣體對(duì)介質(zhì)內(nèi)部的作用機(jī)理需要進(jìn)一步揭示。