DIC在相似材料模型中的裂隙检测_柴敬.pdf

第 2 卷第 2 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2 No. 2 2020 年 5 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING May 2020 023015-1 柴敬， 欧阳一博， 张丁丁. DIC在相似材料模型中的裂隙检测[J]. 采矿与岩层控制工程学报， 2020， 2 2 023015. CHAI Jing， OUYANG Yibo， ZHANG Dingding. Crack detection in similar material models based on DIC[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering， 2020， 2 2 023015. DIC在相似材料模型中的裂隙检测 柴 敬 1,2， 欧阳一博1， 张丁丁1,2 1. 西安科技大学 能源学院， 陕西 西安 710054； 2. 西安科技大学 教育部西部矿井开采与灾害防治重点实验室， 陕西 西安 710054 摘 要 为定量描述上覆岩层中裂隙的产生及发育， 利用数字图像相关技术 DIC 在相似材料模 型中进行了裂隙检测。通过定量研究散斑图案质量及DIC计算参数对检测效果的影响， 针对模 型局部非均匀变形， 提出了子区大小选择的双参数阈值法， 确定了裂隙检测所用的子区大小， 并合理选择子区间距。然后使用数码相机采集1 200 mm1 000 mm50 mm 长高宽 的二 维平面相似材料模型表面的散斑场， 获取模型目标图像的应变场和位移场， 得出了裂隙产生的 位置、 张开度和长度等定量特征， 并与全站仪同步量测数据进行对照。试验表明， 采用子区边 长40像素和子区间距10像素的测试参数， 得出了该模型3条裂隙的存在及其发育信息， 验证了 双参数阈值法的可靠性； 随着裂隙的逐渐发育， 应变局部化带由模糊到清晰， 应变曲线分布特 征由单峰到双峰， 位移曲线逐渐呈阶梯状分布， 可从应变场局部化带长度快速估计裂隙发育长 度； DIC测量结果与全站仪测量结果的最大相对误差为7.73。DIC测量系统既能有效地检测裂 隙， 又能达到较高测量精度。研究结果为进一步应用DIC研究相似材料模型变形提供了试验基 础。 关键词 数字图像相关技术； 相似材料模型； 裂隙； 应变场； 检测 中图分类号 TD 313.1 文献标识码 A 文章编号 2096-7187 2020 02-3015-11 Crack detection in similar material models based on DIC CHAI Jing ， OUYANG Yibo， ZHANG Dingding 1. College of Energy Science and Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China； 2. Xian University of Science and Technology， Ministry of Education of the Western Mining and Mine Disaster Prevention and Control of Key Laboratory， Xian 710054， China Abstract In order to quantitatively understand the generation and development of cracks in overlying strata， digital image correlation technology DIC was used to detect cracks in a similar material model. According to the quantitative research on the influence of speckle pattern quality and DIC calculation parameters， a two-parameter threshold based on the selection of subset size for the local non-uni deation of similar material models was proposed. Meanwhile, the step size used in the test crack detection was determined， and the step size was reasonably selected. Then a digital camera was used to collect the speckle field on the surface of a two-dimensional model of similar materials of 1 200 mm L 1 000 mmW50 mmH， acquire the strain field and displacement field of the target image of the model， and obtain the quantitative characteristics such as position， opening degree and length of cracks. After the comparison with the synchronous measurement data of the total station, the test results 收稿日期 2019-07-23 修回日期 2019-08-14 责任编辑 李 青 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51174280， 51804244 ； 陕西省教育厅科学研究计划资助项目 16JK1488 作者简介 柴敬 1964 ， 男， 宁夏平罗人， 教授， 博士。E-mail chaij ChaoXing 柴敬等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023015 023015-2 showed that the existence and development of three cracks in the model can be obtained by using the test parameters of 40 pixels on the subset side length and 10 pixels step size， the reliability of the two-parameter threshold was also verified. With the gradual development of cracks， the strain localization bands change from fuzzy to clear， the distribution characteristics of strain curve changed from single peak to double peak， and the displacement curve gradually presented a stepped distribution. The length of crack development can be quickly estimated according to the length of strain localization band. The maximum relative error between DIC measurement results and total station measurement results was 7.73. DIC measurement system effectively detected cracks and achieved high measurement accuracy. The results provided an experimental basis for further applying DIC to study deation of similar material model. Key words digital image correlation； similar material model； cracks； strain contours； detection 采动岩体裂隙网络的发生发展规律和定量描 述是当今矿山岩体力学的基本难题之一 。相似 模型试验能够很好地在实验室再现采场岩体裂隙 的形成过程和分布状态， 由于其测试周期短、 结果 可靠、 试验结果直观等优点被广泛用于分析采矿工 程相关技术问题 。 对于相似材料模型在模拟推进过程中裂隙发 育和破裂形态信息的提取与量化， 目前主要是在开 采过程中利用数码相机采集裂隙演化图， 进行手工 素描 或者图像二值化 等数字图像处理技术进 行描述和表达， 但是二值化方法会对图像的分析处 理产生影响， 有时可能会丢失部分图像细节， 对于 细小裂隙形态信息的提取容易产生偏差。利用面 扫描系统获取模型表面的点云数据， 进而提取模型 破裂边界， 获得裂隙发育信息 ， 这些方法检测效 率低， 观测成本高， 对不易识别的细小裂隙提取状 况不佳。总体上讲， 缺乏用于相似材料模型裂隙检 测的方法。 数 字 图 像 相 关 技 术 DIC ， 即 Digital Image Correlation 是一种基于非接触式图像的光学测量方 法， 首先使用数字成像设备获取不同负载下对象 的散斑图像， 然后使用基于相关性匹配算法进行图 像分析以定量提取结构体全场位移和应变响应 信息， 用于全场位移和变形的测量 。由于DIC 具有非接触性、 实时动态测量、 分辨率高等优点， 因 此DIC在研究标准岩样及含预制裂隙等缺陷材料 的断裂过程方面应用广泛 ， 然而在二维平面应 力模型试验中多集中于模型变形的位移场的研究， 缺乏对模型应变场信息的提取与分析， 在裂隙的检 测方面更是鲜有提及 。究其原因， 主要有 ① 标准岩样尺寸较小且表面较平整光滑， 散斑制作 相对简单， 而对于相似材料模型， 由于其材料的 非均质性且表面粗糙， 尺寸远大于标准岩样， 因 此模型表面优质散斑场制作困难； ② 没有针对裂隙 监测的试验需求进行子区大小和间距的合理选 择。 鉴于此， 本文通过定量研究散斑图案质量及 DIC计算参数对检测效果的影响， 针对相似材料的 非均质性和模型非均匀大变形的特点， 提出了子区 大小选择的双参数阈值法。通过对DIC测量系统的 合理设置、 散斑图案的制作、 子区大小和间距等参 数的选择， 在相似材料模拟试验监测实例应用中有 效检测并定量化表征了裂隙的产生和发育状态， 为 研究相似模拟试验中岩层破坏规律和“三带”发育规 律的研究提供有效的技术和数据支持， 同时研究结 果为进一步应用DIC研究相似材料模型变形提供了 试验基础。 1 相似材料物理模型试验 1.1 模型及试验 本次试验以某矿工作面地质条件为研究对象， 模拟回采工作面上覆岩层中裂隙的发育过程。试 验选取河沙为骨料， 石膏和大白粉为胶结料， 水为 溶剂材料。通过材料配比试验确定配比， 以满足各 岩层力学相似的要求。二维相似材料模型的几何 尺寸为1 200 mm1 000 mm50 mm 长高宽 ， 如 图1 a 所示。模型几何相似比为1∶200， 工作面开 挖步距为30 mm， 采高40 mm， 模拟工作面回采开挖 30次， 共推进900 mm。模型开挖后覆岩垮落形态如 图1 b 所示。此次试验采用徕卡TS02型光学全站 仪， 该技术属于点式测量。在模型表面布置1条全 站仪测线， 测点间距均为100 mm， 共计11个测点。 ChaoXing 柴敬等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023015 023015-3 利用全站仪进行同步测量， 并与DIC测试数据进行 对比验证。 02004006008001 000 1 200 200 400 600 800 1 000 炭质泥岩 细粒砂岩 粉砂岩 煤 中粒砂岩 模型高度/mm 模型长度/mm a 模型岩性及全站仪测点 b 开采后岩层变形 煤层 图1 二维平面试验模型 Fig. 1 Two-dimensional experimental model 1.2 散斑预制 散斑预制是为了保证被测物体表面具有足够 的图像纹理， 在被测物体变形过程中图像纹理会作 为变形信息的载体随模型表面一起变形。为了减 小人工散斑对相似模型试验材料物性的影响并确 保散斑图案与被测物体表面变形一致， 采用毛笔和 墨水在模型表面绘制圆形散斑。图2 a 是模型表面 某块区域的散斑图像， 散斑大小相对均匀， 直径在 3 mm左右， 模型表面散斑点位置随机， 散斑密度大 约为40， 基本符合优质散斑图案的定性要求 。 灰度直方图反映了图像中所有像素的灰度级 分布的相对频率。通过MATLAB软件图像工具处理 包， 对自制模型表面的散斑图进行灰度分析得出散 斑灰度直方图， 如图2 b 所示。灰度在20～225范围 内均有分布， 且灰度在20～150的像素分布较均匀， 说明自制散斑适合DIC相关性分析 。其中有一部 分灰度值在225左右分布， 这是由于模型表面云母 粉反光导致相机曝光过度， 将损害DIC相关性分 析。应尽量减少模型表面出现云母粉， 避免图像分 析区域出现强反光现象。 1.3 DIC测试系统 图3为DIC测试系统， 主要包括佳能EOS700D相 机， 其图像分辨率为1 800万像素； 2组白光LED光 源； 1台计算机及2D-DIC分析软件。 LED光源 LED光源 数码相机 DIC软件 相 似 模 型 图3 DIC测试系统 Fig. 3 Experimental measurement system of DIC 为使相机拍摄方向和模型表面保持垂直， 首先 调平相机三脚架， 然后使用相机取景器电子水准仪 保持相机水平， 将激光指示器安装在机身上， 对准 临时粘贴到模型表面的玻璃镜， 微调三脚架直至入 射光和反射光互相重合。照相机由红外遥控器进 行控制拍摄， 从而避免手动操作引起的相机振动。 两组LED光源为模型表面提供均匀和明亮的照明。 在测试之前， 打开相机预热20～30 min， 以使相机达 到热稳定状态， 避免因为相机发热导致采集图像失 40 pixel a 模型表面散斑 b 散斑灰度直方图 灰度级 050100150200250 10 10  10  像素数量 图2 散斑场 Fig. 2 Speckle field ChaoXing 柴敬等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023015 023015-4 真 。将模型开挖前采集模型表面的照片作为参 考图像， 在每次开挖结束， 上覆岩层充分稳定后， 采 集模型表面照片， 每次采集5幅图像来计算位移和 应变， 并对其进行平均化处理， 从而将测量不确定 性降至最低。 2 DIC计算参数选择 2.1 子区大小的选择 应变局部化是被测结构体破坏前出现的应变 集中于长条带状区域的现象， 其中长条带状区域被 称作应变局部化带。理论上， 如果子区大小及其间 距合适， 则裂隙产生前的局部化应变能够由应变场 直观展现， 进而表征和量化裂隙的产生和发育状 况。 由于相似材料的非均质性和变形的非均匀性， 对于相似材料模型中裂隙的监测， 现有子区大小选 择方法并不适用 。在综合考虑散斑图案质量以 及模型的非均匀变形的基础上， 提出了子区大小选 择的双参数阈值法， 通过点-面循环验证， 确保所选 子区大小能够满足测试需求。 常用子区像素强度的标准偏差 σI  和子区强度 梯度的平方和 SSSIG 两个参数进行子区图像纹理 质量评价。子区像素强度的标准偏差定义为  21 s s , , s Ii j i j n II n     式中， Ii j和I分别是子区的像素强度和平均像素强 度； n 为子区中像素数量。 子区在X方向和Y方向上的强度梯度平方和定 义为     2 2 s s , , SSSIG SSSIG xx i j n yy i j n I I             式中， I′x和I′y分别是子区的X和Y方向上的像素强度 梯度。 当σI 15时， 表示子区图像具有适当的对比 度 ； 当SSSIG10时， 表示子区图像具有足够的纹 理分布 。 针对图像中同一位置， 图4展示了由不同子区 得出的子区强度梯度的平方和标准偏差变化情 况。图4 a ， b 中边长为40像素的子区同时满足这2 个标准。因此将同时满足双参数阈值时的像素大 小作为本次子区大小选择的下限。图4 c ， d 显示 了使用子区边长40像素对煤层上方区域进行分析 所得的子区频率分布直方图， 可以看出几乎所有子 区像素强度的标准偏差和子区强度梯度的平方和 都满足以上2个标准， 这也验证了所选子区大小的 2040 子区边长/像素子区边长/像素 6080100120140 0 10 20 30 40 50 20406080100120140 10  10  10  10  SSSIG SSSIG频率直方图 10  0204060 频率 频率 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 c σI 频率直方图 b d SSSIG /10  02468 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 SSSIG SSSIG a σI  σI 15 σI  σI  图4 散斑图案质量评价 Fig. 4 Quality uation of speckle pattern ChaoXing 柴敬等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023015 023015-5 合理性。同时， 每个子区大约包含6个散斑点， 如图 2 a 所示， 这也满足子区至少含有3个散斑点的标 准 。 考虑相似模型试验会出现非均匀大变形， 且裂 隙周围存在高应变梯度区域， 因此选择具有足够灰 度信息用于可靠性分析的最小子区， 即最佳子区大 小为40像素40像素。 2.2 子区间距的选择 图5显示了使用相同子区边长为40像素但间距 分别为30， 20和10像素的DIC测试结果， 图5 a 为选 取推进距离为720 mm时获得的上覆岩层分析区域 为250 mm500 mm范围的应变场， 并通过DIC获取 测线上的应变变化曲线， 如图5 b 所示， 图中红色细 线对应应变局部化带位置。子区间距从30像素减 小到10像素， 测量点数量由原来的1 550个增加到 13 900个， 测量密度增加约9倍。当子区间距为30像 素时， 对应的应变场有2条不太明显的应变局部化 带， 带宽较大， 应变变化曲线仅有2处应变曲线峰 值， 且应变量值较低。当子区间距为20像素时， 应 变场有相对模糊且不易区分的3条应变局部化带， 应变变化曲线峰值不明显。当子区间距为10像素 时， 应变场存在3条清晰且狭窄的应变局部化带， 应 变变化曲线具有3个应变峰值， 与应变场中3条应变 局部化带对应。较大的子区间距使应变计算区域 大于岩层裂隙发育所引起的应变变化区域， 虚假应 变的产生使测量结果失真。同时， 对比应变值可以 发现随着子区间距的减小， 应变值增大。结合裂隙 实际发育情况， 当子区间距为10像素时的应变分布 符合岩层实际变形规律， 通过应变场能够捕捉到岩 层变形过程的细节。 a 应变场 测线 子 区 间 距 为 像 素 子 区 间 距 为 像 素 子 区 间 距 为 像 素 应变/ 应变/应变/ 0.817 1.137 1.723 500 煤层 250 0.600 0.400 0.200 0 0 0 -0.046 -0.055 -0.117 0.900 0.600 0.300 1.500 1.000 0.500 a 应变场 b 测线位置应变变化曲线 050100150200250 0.8 0.6 0.4 0.2 1.0 应变/ 测线位置/mm 050100150200250 0.8 0.6 0.4 0.2 1.0 测线位置/mm 应变/ 0 50100150200250 0.5 1.0 1.5 2.0 测线位置/mm 应变/ 子区间距为30像素 子区间距为20像素 30 20 10 子区间距为10像素 图5 不同子区间距的DIC测试结果 Fig. 5 DIC test results of different step size ChaoXing 柴敬等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023015 023015-6 因此， 最佳子区边长设置为40像素， 子区间距 为10像素， 将有助于观察裂隙的产生。对于具有较 好纹理质量的图像， 使用高重叠率的小子区的参数 设置能够观察到较小的应变局部化带， 从而更好地 识别裂隙。 2.3 DIC测试精度 DIC测量系统精度可以从准确度和精密度2个 方面来衡量。准确度用测量值与真实值之间的相 对误差来表示， 其主要受噪声和形状函数等因素影 响； 精密度用测量结果的标准偏差来表示， 它反映 了随机误差对测量结果的影响程度， 其主要受图像 噪声强度、 子区大小以及散斑图案质量的影响 。 为了能够对DIC测量系统的准确度进行定量评 价， 取工作面推进至900 mm时全站仪测线上11个测 点的位移值为对象， 将全站仪和DIC的测量结果进 行对比分析， 从图6中可以看出位移整体变化趋势 一致。DIC与全站仪所得结果最大相对误差为 7.73。 -18 -15 -12 -9 -6 -3 01234567891011 测点编号 测点位移/mm 全站仪 DIC 图6 2种方法测量结果对比 Fig. 6 Results comparison of two s mesurement results 为了能够对DIC测量系统的精密度进行定量评 价， 选取对未加载阶段2张图像中的1张作为参考 图像， 使用子区边长为40像素和子区间距为10像素 的参数设置进行DIC处理， 获取图像上分析区域内 所有测量点的位移， 并求取其位移的标准偏差。由 于实际位移为零， 测量位移的标准偏差 可以定义 为 2 1 1 1 N i i d N      式中， di为图像中各测量点的位移； N为测量点数量， 共计35 931个测量点。 计算结果反映了DIC测量中随机误差的大小。 计算得到的位移标准偏差为0.007 mm， 说明 DIC测量系统的布置和参数设置的合理性。DIC测 量系统既能提供足够高的空间分辨率， 又能满足矿 山相似材料模型监测的精度要求。和基于点式测 量的全站仪相比， DIC测量技术耗时短、 效率高， 能 更加真实全面地反映采动过程中地表与岩层的移 动变形情况。 3 试验结果及分析 3.1 裂隙定位 裂隙发育位置具有随机性， 常规方法难以快速 准确定位裂隙位置。应变局部化带所处位置不一 定产生宏观裂隙 ， 应变局部化带的宽度往往远大 于裂隙宽度， 仅通过局部化带位置难以获取裂隙的 准确位置。因此， 为准确定位裂隙， 布置垂直于应 变局部化带的测线， 通过测线上的位移和应变曲线 变化特征准确定位裂隙。 在模型表面选取工作面上方250 mm500 mm区 域进行计算分析。在黄色点划线位置处图7 a 布 置测线， 图7为工作面推进至660～720 mm时获得的 分析区域的DIC应变场， 以及由DIC得出的沿测线各 点的位移及应变变化曲线， 其中横坐标为测点的距 工作面推进至660 mm工作面推进至690 mm工作面推进至720 mm 测线 应变/ 应变/ 应变/ 3号 2号 1号 2号 1号 1.364 1.000 0.500 0 -0.460 1.591 1.200 0.800 0.400 0 -0.393 1.723 1.500 1.000 0.500 0 -0.117 230 250 500 a 应变场 ChaoXing 柴敬等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023015 023015-7 离， 最大为250 mm。 工作面推进至660 mm时应变场未出现明显变 化， 对应的位移及应变曲线几乎呈水平分布。工作 面推进至690 mm时， 应变场中出现狭窄且模糊不清 的应变局部化带， 对应测线在41和92 mm位置处应 变曲线呈尖峰状分布， 局部应变集中区域可能产生 裂隙。测线在41和92 mm位置处位移曲线呈不太明 显的阶梯状变化特征， 远离工作面的岩层位移量逐 渐减小。工作面继续推进至720 mm时， 应变场出现 清晰且带宽较宽的应变局部化带， 对应测线在41和 139 mm处应变曲线均具有明显的双峰值特征， 且第 1个峰值均高于第2个峰值， 这表明裂隙周围靠近采 空区一侧的岩层比远离采空区一侧的岩层变形 大。此时裂隙出现在双峰值间拐点所对应的位置 处。而测线距离为92 mm处应变曲线双峰值特征不 太明显， 可能此处裂隙周围岩层变形较小。 从力学机制上讲， 离层是由于上下岩层的抗弯 刚度不同， 相邻岩层间必然产生法向位移， 当上位 岩层的抗弯刚度大于下位岩层时， 则会产生离层运 动。因此离层裂隙的张开度可以由上下位岩层的 位移作差求得。测线在41， 92和139 mm位置处的位 移曲线呈阶梯状变化， 结合上述分析可知位移曲线 阶跃处表征了裂隙产生的位置， 表现为裂隙处位移 的不连续性变化， 周围岩层变形较大， 代表1条存在 的裂缝， 其阶跃高度即为裂隙张开度。 对比图7 b 应变变化曲线和图7 c 位移变化曲 线， 可以发现定位的裂隙位置基本一致。当推进距 离为690 mm时， 在测线41， 91 mm处的1号、 2号裂隙 张开度分别为0.14， 0.06 mm； 当推进距离为720 mm 时， 在2号裂隙上方发育1条新的裂隙3号。在测线 41， 91和138 mm位置处的1号、 2号和3号3条裂隙张 开度分别为0.43， 0.28， 0.32 mm。 b 测线位置的应变变化曲线 0 0 50100150200250 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 应变/ 测线位置/mm 050100150200250 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 2号 2号3号 应变/ 测线位置/mm 1号 1号 裂隙位置 050100150200250 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 应变/ 测线位置/mm 0 0 工作面推进至720 mm 工作面推进至690 mm 工作面推进至660 mm c 测线位置的位移变化曲线 050100150200250 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0.06 位移/mm 测线位置/mm 0.14 裂隙张开度 050100150200250 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0.32 0.28 0.43 位移/mm 测线位置/mm 工作面推进至720 mm 工作面推进至690 mm 0 50100150200250 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 位移/mm 测线位置/mm 工作面推进至660 mm 图7 工作面660～720 mm推进过程中DIC测试结果 Fig. 7 DIC test results during the 660-720 mm propulsion of the working face ChaoXing 柴敬等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023015 023015-8 随着裂隙的逐渐发育， 应变局部化带由模糊到 清晰， 应变曲线分布特征由单峰到双峰， 位移曲线 逐渐呈阶梯状分布。应变局部化出现在宏观裂隙 之前， 导引着宏观裂隙的扩展 。因此可通过DIC 应变场观测并跟踪应变局部化带的发展状态， 从而 定位裂隙的具体位置。 3.2 裂隙张开度 当工作面推进至750 mm时， 1号裂隙周围岩层 发生剧烈变形， 伴随着模型表面部分散斑发生脱 落， 导致DIC失去相关性匹配， 无法获取1号裂隙周 围的位移及应变场云图。因此选取模型工作面上 方200 mm400 mm区域进行计算分析。在上述同样 位置处布置测线， 图8为工作面推进至750～810 mm 时获得的DIC应变场云图， 以及由DIC得出的测线上 的位移变化曲线， 其中横坐标为测点的距离， 最大 为200 mm。 工作面推进至750mm 工作面推进至780mm 工作面推进至810mm 工作面推进至750mm工作面推进至780mm工作面推进至810mm 测线 3号 2号 1号 1号 2号 3号 1号 2号 3号 应变/ 应变/ 应变/ 6.094 4.500 3.000 1.500 0 -0.654 -0.500 7.541 6.000 4.000 2.000 0 40.001 30.000 20.000 10.000 0 -8.935 305 400 200 267 a 应变场 b 测线位移变化曲线 050100150200 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0.43 0.63 位移/mm 测线位置/mm 050100150200 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0.86 0.53 位移/mm 测线位置/mm 050100150200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6.73 1.00 位移/mm 测线位置/mm 图8 工作面从750～810 mm推进过程中DIC测试结果 Fig. 8 DIC test results during the 750-810 mm propulsion of the working face 当工作面推进至750 mm时， 由应变场云图可以 直观地判断出上覆岩层中存在的2号、 3号2条裂 隙。对应测线在42和89 mm位置处2号、 3号裂隙继 续发育， 对应的裂隙张开度分别为0.43和0.63 mm。 当工作面推进至780 mm时， 应变场变化不大。2号、 3号离层裂隙继续发育， 对应的裂隙张开度分别为 0.53和0.86 mm。当工作面推进至810 mm时， 应变场 和测线位移变化曲线中3号裂隙位置处数据缺失， 这是由于3号离层裂隙周围岩层发生剧烈变形， 且 其表面部分散斑脱落， 导致DIC失去相关性匹配。 尽管DIC不能有效地计算裂隙区域的位移及应变数 据， 但是对于裂隙周围岩层的位移和应变计算误差 较小 ， 因此并不影响分析结果的准确性。2号、 3 号裂隙张开度分别为1.00和6.73 mm。1号裂隙的张 ChaoXing 柴敬等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 2 2020 023015 023015-9 开度可以利用图像比例尺进行测量， 每个像素代表 的实际距离为0.347 mm， 通过测取1号裂隙张开度 在图像上的像素长度， 便可得出实际的裂隙张开 度。当工作面推进至750～810 mm时， 对应的1号裂 隙张开度分别为10.3， 10.1和1.0 mm。 图9为工作面从660～810 mm推进过程中， 上覆 岩层中由DIC得出的1号、 2号和3号离层裂隙在测线 位置处的裂隙张开度变化曲线， 其中虚线代表在测 线位置处实测的离层裂隙张开度值。1号裂隙随着 工作面的推进， 其呈现先张开后逐渐闭合的发育过 程， 其最大张开度为10.3 mm。2号、 3号裂隙随着工 作面的推进， 呈逐步张开的发育过程。2号、 3号裂 隙最大张开度分别为1.00和6.73 mm。将模型破坏 前后的图像进行对比， 可以发现应变局部化带和裂 隙最终扩展路径一致， 1号、 2号、 3号裂隙发育过程 与实际发育过程相符。通过跟踪DIC应变场， 识别 应变局部化带， 可以准确地检测出工作面上方存在 的不易察觉的细小裂隙的产生， 并跟踪其发育过 程， 进而获取裂隙的张开度。 660690720750780810 0 2 4 6 8 10 12 1号离层裂隙 2号离层裂隙 3号离层裂隙 工作面推进距离/mm 裂隙张开度/mm 图9 裂隙张开度 Fig. 9 Fracture apertures 3.3 裂隙发育长度 在图8中3号裂隙两侧黄色点划线位置处布置2 条测线， 由DIC获取测线上位移变化曲线。如图10所 示， 横坐标为测点的距离， 最大为500 mm。当上下 岩层位移之差大于零时， 表明此处产生裂隙， 所对 应的测点距离即为分析区域内裂隙的发育长度。 工作面推进至720 mm时， 在测线215 mm位置处 上下岩层位移差大于0， 表明裂隙发育长度为 215 mm。工作面推进至750 mm时， 在测线284 mm 位置处上下岩层位移之差大于0， 表明裂隙发育长 度为284 mm。工作面推进至810 mm时， 在测线 312 mm位置处上下岩层位移之差大于0， 表明裂隙 发育长度为312 mm。 观察图10可以发现， 靠近工作面的岩层位移量 大， 而远离工作面的岩层位移量小。位移曲线整体 呈现左高右低的趋势且裂隙沿工作面走向方向逐 渐闭合。图7 a ， 图8 a 应变场中3号裂隙应变局部 化带长度随工作面推进距离的增加而增长。当工 作 面 推 进 至 720 mm 时 ， 应 变 局 部 化 带 长 度 为 230 mm； 当工作面推进至750 mm时， 应变局部化带 长度为267 mm； 当工作面推进至810 mm时， 应变局 部化带长度为305 mm。可以发现应变局部化带长 度与DIC测得3号裂隙的发育长度基本一致， 可从应 变场局部化带长度快速估计裂隙发育长度。 工作面推进至660 mm时， 顶板出现较大范围离 层， 离层靠近工作面一侧发育穿层纵向贯通裂隙。 DIC