基于航空高光谱遥感岩性识别技术研究

基于甘肃北山柳园南白石岭研究区航空高光谱遥感CASI/SASI数据(波段范围0.38~2.45μm),文章提出了一种岩性识别与制图的方法。研究区内的岩石主要包括花岗岩、闪长岩、大理岩、玄武岩和石英闪长岩等,实验室光谱测量结果表现为:该区域的花岗岩、闪长岩和石英闪长岩光谱显示铝羟基、镁羟基和铁羟基特征,主要是由于岩石中含有白云母、高岭土、绿泥石等矿物;大理岩光谱显示2330 nm处的强吸收特征;基于研究区的航空高光谱数据和野外实测地面光谱数据,开展了岩性识别及制图研究,获取了研究区的岩性分布图,并建立了岩性识别与制图的流程和方法。通过与已有岩性图比较和野外验证,证明了流程与方法的有效性。     

元素录井在西藏北羌塘盆地侏罗系地层岩性定量识别中的应用

西藏北羌塘盆地半岛湖地区侏罗系地层中矿物种类及含量对地层矿物识别、岩性及地层划分、以及研究沉积环境等方面,均有非常重要的作用。根据不同的岩性矿物组成,分析其分子式、同时使用用全岩分析数据与元素录井数据进行相关性分析,综合确定矿物特征元素或元素组合,然后建立从元素或元素组合含量向矿物含量转换的数学模型,从而计算出地层中的矿物百分含量。通过对Q-x-x井资料的处理,将其计算结果与实验室结果进行统计对比,其结果表明:①全岩分析的矿物含量与计算的岩石矿物含量的对比发现绝对误差大部分都在10以内,总体都在所要求的误差范围内;②侏罗系布曲组、夏里组地层模型计算效果跟录井岩屑剖面吻合度很好,元素录井岩性解释与岩屑录井解释总体一致。该研究成果对现场快速录井提供了重要的理论依据和技术指导。     

元素录井在西藏北羌塘盆地侏罗系地层岩性定量识别中的应用

西藏北羌塘盆地半岛湖地区侏罗系地层中矿物种类及含量对地层矿物识别、岩性及地层划分、以及研究沉积环境等方面,均有非常重要的作用。根据不同的岩性矿物组成,分析其分子式、同时使用用全岩分析数据与元素录井数据进行相关性分析,综合确定矿物特征元素或元素组合,然后建立从元素或元素组合含量向矿物含量转换的数学模型,从而计算出地层中的矿物百分含量。通过对Q-x-x井资料的处理,将其计算结果与实验室结果进行统计对比,其结果表明:①全岩分析的矿物含量与计算的岩石矿物含量的对比发现绝对误差大部分都在10以内,总体都在所要求的误差范围内;②侏罗系布曲组、夏里组地层模型计算效果跟录井岩屑剖面吻合度很好,元素录井岩性解释与岩屑录井解释总体一致。该研究成果对现场快速录井提供了重要的理论依据和技术指导。     

基于全波段反射光谱的花岗岩及其主要矿物自动识别研究——以康定某隧道为例

岩矿的全波段光谱是高光谱遥感岩性解译的物理基础,也对岩矿的自动识别及分类具有重要意义。本文应用高性能便携地物光谱仪,在卤素灯全波段光源照射下,测量实验室、野外露头及隧道内岩矿样本的反射光谱,构建了94种常见岩石和矿物的用户地物波谱库,重点对典型花岗岩及构成花岗岩的6种主要矿物光谱特征进行研究。系统总结了花岗岩及其主要矿物波谱特征、主要吸收峰谷及产生的机理。运用光谱角匹配法（SAM）、光谱特征拟合法（SFF）和二进制编码分类法（BE)3种方法相结合并进行1∶1∶0.7权重分配的评分方式,将野外测得的8件中—酸性岩浆岩及矿物比对ENVI软件自带的JPL岩矿波谱库与用户地物波谱库,进行自动识别,结果显示,运用波谱匹配方法可实现岩矿自动识别和分类,用户地物波谱库在岩矿自动识别中具有明显优势。本研究以康定某隧道现场花岗岩及其主要矿物的全波段光谱研究为例,探讨了岩矿地物波谱在岩矿识别及自动分类中的价值,为岩矿快速、无损、便捷识别提供了新思路,建立的用户波谱库可应用于区域内岩矿的分类,对高光谱遥感岩性填图及矿产勘查具有较重要价值。     

岩石钻孔振动与声波频谱特性实验研究

岩石钻孔过程中产生的振动和声波信号中蕴含着丰富的岩性信息,尚未得到深入研究和充分利用。笔者设计了室内振动测试系统,针对花岗岩、汉白玉、青石、加气混凝土等典型岩土材料实施了钻孔实验,采集了钻孔振动和声波信号数据,提取了反映岩石性质的特征信号,揭示了典型岩种的钻柱振动频谱特征。在研究方法上,尝试将频率分段后求各频段的平均幅值,从而方便观察频域内整体变化趋势,将趋势线作为模式用以识别岩性,收到良好效果。研究成果有助于揭示岩体物理力学性质对钻柱振动与声波特性的影响机理,有利于施工地层地质情况的精细探查,具有一定的理论价值与工程价值。     

基于SVM的岩石镜下鉴定模式探究

基于支持向量机(SVM)学习方法,通过对白云岩、鲕粒灰岩、花岗岩、石英砂岩这四种岩石进行镜下识别,对比总结了6类常见造岩矿物的镜下识别特征,并据此提出了首先进行大量常见造岩单矿物识别训练,其次再建立常见矿物镜下识别特征数据库,然后对造岩矿物的载体岩石进行机器学习训练,最后形成可以通过人工智能技术进行高质量高效率岩石镜下鉴别的模式。     

泥页岩储层脆性评价实验研究——以贵州岑巩地区下寒武统牛蹄塘组泥页岩为例

泥页岩的压裂改造效果很大程度上由其脆性决定,开展泥页岩的脆性评价实验研究,可为页岩气田的开发与增产提供技术支撑。贵州岑巩地区下寒武统牛蹄塘组泥页岩层系内页岩发育良好,矿物组份复杂,非均质性强。通过对TX1井岩芯样品分别展开全岩矿物X-射线衍射、地层条件下的三轴压缩应力实验以及物性测定实验,系统分析矿物组成和岩石力学特征,并以实验结果为基础分析矿物成分与岩石物理参数的关系,明确了目的区域常规物性普遍较差,总体具有低孔-超低渗特征。该实验测试数据及取得的认识为该地区泥页岩层段的脆性评价研究能够提供一定指导。     

川西陆相页岩气录井综合评价

常规录井难以全面识别评价页岩气,本文结合区域地质特征,分析了录井的难点,利用XRF元素录井、XRD矿物录井、岩石热解地化录井、泥页岩密度录井等技术,开展页岩气的岩石成分分析、脆性评价、含气性评价、地层压力评价等关键技术研究,初步形成了工区内陆相须家河组五段的页岩气录井综合评价技术,建立了相应的录井评价标准,并在页岩气专层井XY2井中上井应用,取得了较好的应用效果。     

川西陆相页岩气录井综合评价

常规录井难以全面识别评价页岩气,本文结合区域地质特征,分析了录井的难点,利用XRF元素录井、XRD矿物录井、岩石热解地化录井、泥页岩密度录井等技术,开展页岩气的岩石成分分析、脆性评价、含气性评价、地层压力评价等关键技术研究,初步形成了工区内陆相须家河组五段的页岩气录井综合评价技术,建立了相应的录井评价标准,并在页岩气专层井XY2井中上井应用,取得了较好的应用效果。     

岩爆机理声发射试验研究

采用单向和三向应力状态下的岩石声发射测试技术,对不同岩性岩石的岩爆机理进行了系统地试验研究。研究表明,强度不同、结构差异、不同岩性的岩石,其在单向和三向应力状态下的声发射特性明显不同,而同种岩性岩石在单轴压缩和围压条件下的声发射特性则极为相似,其声发射特征应力值之间也存在一定的规律性关系,对于强度高的岩石和强度低的岩石这一规律都存在,由此总结出不同岩性岩石在不同应力状态下的岩爆发生特征。试验研究表明,采用岩石声发射测试技术追踪岩爆的产生和发展过程,是进行岩爆机理研究的一种科学、有效的方法。     

航空高光谱岩相、矿物填图技术及应用研究

本团队在以往的高(多)光谱遥感地质应用研究中,逐步形成了利用高光谱数据进行全岩地质信息提取和智能化地质填图的技术思路,同时自主研发了一系列新的技术方法,如基于波段序列直方图的图像特征分析、基于波段序结构分析的蚀变矿物光谱检测、用于多目标遥感地质信息提取的最优动态聚类以及分类信息的图谱一体化识别等,该项研究拓展了高光谱遥感技术的地质应用方向,并促进了遥感地质应用的智能化和工程化。本文主要介绍这些高光谱数据处理、分析和信息提取技术方法及其在航空高光谱岩相、矿物填图中的应用效果和工作流程。     

锚固围岩流变特性与隧道衬砌压力演化规律研究

安装锚杆是解决软岩隧道大变形的有效手段之一。为进一步探讨锚杆对隧道的支护效用,本文基于Burgers模型,建立了可描述锚固岩体流变特征的宏观力学模型。以围岩-锚杆耦合模型为基础,推导了在锚杆支护作用下隧道位移和衬砌压力的解析解。并利用数值模拟,验证了理论解答的可靠性。通过对锚杆参数的分析表明:锚杆的安装能有效地减小由于围岩流变导致的作用在衬砌上的形变压力与隧道位移。锚杆的支护效果与锚杆的参数密切相关。在锚杆参数值处于较小水平时,随着锚杆参数的增大,衬砌受力状态的改善效果十分显著;但当参数达到一定值后,这种改善效果的加强越来越不明显。因此,在隧道支护中,锚杆的设计参数存在最优值。     

利用复合特征对电磁辐射监测进行模式识别的冲击地压预测研究

如何从电磁辐射监测数据中预测冲击地压危险性,一直是冲击地压预测领域研究的重点。目前,运用较多的有临界指标法、综合指数法、指标变化偏差法等,但这些方法都只注重数据的表面变化,忽视了隐藏及蕴含在监测时序中许多有助于识别冲击地压危险的特征和有用信息,模式识别方法通过提取监测时序中的时域、频域及小波域特征构成复合特征向量,以欧氏距离测度作为类内类间可分离性判据对特征向量进行压缩变换,运用Fisher准则构造冲击危险性识别的模式识别器,识别器用压缩后的特征向量进行训练学习,得到识别器的结构参数:权向量和分界值(阈值)后,即可成为性能稳定的冲击地压危险性预测的模式识别系统,运用该系统就能实现对其他样本的预测识别。通过对检验样本的预测表明,预测精度要优于临界指标法等传统预测方法。     

四类常见边坡岩石类别识别和边界范围确定的方法

岩质边坡岩石的分类与边界范围的确定对于边坡稳定性的分析至关重要,目前人工方法效率低且受主观因素影响,所以基于Tensorflow建立了岩质边坡图像集分析的卷积神经网络模型,通过卷积操作和池化操作分别对80000张岩质边坡图像进行特征信息的提取和压缩,然后对网络模型进行训练从而实现了岩质边坡岩石的自动识别与分类;采用训练集和测试集中的岩质边坡图像对模型进行检验分析,训练集准确率达到了98%,测试集准确率达到了90%,显示了训练之后的网络模型具有良好的鲁棒性,达到了理想的训练效果。接下来以边坡不同岩石的颜色为主要区分依据,利用深度学习回归操作对岩质边坡不同种类岩石的范围进行确定,为验证算法效果,选取标准彩色岩质边坡图像进行仿真试验,边界检测效果准确。最终采用深度学习建立的网络模型,实现了岩质边坡岩石识别与边界范围划分的快速化、自动化,为后续将图像识别获取的岩质边坡信息导入团队自主研发的GeoSMA-3D软件中,作为对岩质边坡等级判定的重要参数。     

乌东德坝基岩体变形模量与波速相关性及应用

坝基岩体变形模量是拱坝设计最重要的参数之一,实际中由于受到资金、时间、尺寸效应等限制,承压板试验不可能大量开展,工程常采用岩体变形模量与波速之间的相关关系来估算坝基岩体变形模量以评价其工程地质特性是否满足建坝要求。在乌东德水电站坝基边坡开挖工程中,开展了钻孔变形模量和声波测试。乌东德坝基为典型层状岩体,左岸坝基及河床岩体测试孔方向与层面走向近平行,右岸坝基岩体测试方向与层面近垂直,分析表明坝基岩体中有明显充填特征层面对岩体变形模量值和声波值具有不对称影响。结合测试钻孔高清电视选择合理数据,建立了坝基岩体变形模量与单孔声波二者之间的相关关系。通过与坝基岩体的承压板试验成果对比验证,所建立的相关关系是符合实际地质条件的。将该方法应用于大坝坝基深部岩体变形参数估算及坝基表层松弛岩体灌浆处理效果评价工作中,证明是可行的有效方法。本文的研究成果为坝基岩体变形特征的评价提供科学依据,对高拱坝坝基工程勘测设计具有重要的理论和实践意义。     

含弱面砂岩非线性黏弹塑性流变模型研究

 利用CSS–3940YJ型岩石剪切流变试验机,对向家坝水电站左岸坝基挤压带含弱面砂岩进行剪切流变试验。试验结果表明：该岩石属于典型的软岩,在恒定剪应力水平下具有显著的亚稳定蠕变特性。在应力达到一定水平时,岩石经过衰减和亚稳定蠕变之后发生加速蠕变破坏。根据含弱面砂岩剪切蠕变特性,对非线性流变元件进行改进,定义其在应力阈值前后分别等同于牛顿黏壶和非线性黏塑性体。将改进的元件与广义Kelvin模型串联,组合成四元件流变模型。该模型可以充分反映岩石亚稳定蠕变和加速蠕变特征,并具有结构简单、参数少的优点。推导四元件流变模型的本构方程,从理论上对岩石非线性蠕变特性进行分析。采用所建立的模型对岩石进行剪切流变力学参数辨识,并研究应力水平超过阈值后的参数辨识方法。通过模型计算结果与试验结果的比较,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行验证,显示所建模型的正确性与合理性。     

柴油发动机燃油系统的故障分析研究

通过对高压油管压力波的分析，提出了一种基于压力波形分析的柴油机燃油喷射系统故障诊断方法。阐述了压力波形的特征提取与压力波形的模式识别。指出该方法可以有效进行燃油系统的状态监测与故障诊断。     

深埋硬岩隧洞复杂岩性挤压破碎带塌方过程及机制分析——以锦屏地下实验室为例

 深埋大断面隧洞开挖同时揭露多种不同岩性的岩体,各岩体之间物理力学性质差异大,其破坏规律也不相同。深入研究复杂岩性挤压破碎带的塌方演化过程及机制,对于防塌和治塌具有重要作用。针对锦屏地下实验室二期中3#实验室的复杂岩性挤压破碎带区塌方,通过现场地质调查及矿物分析,发现该处破碎带本身岩性复杂、地应力高是影响这次塌方的关键因素。同时结合现场录像观察的塌落岩体破坏形态、室内电镜扫描结果和不同岩性岩体的空间分布特点,认为此次塌方具有明显的渐进性破坏特征;不同岩性岩体具有不同的破坏机制：南侧边墙和掌子面分布的花斑角砾状大理岩、溶蚀状大理岩为剪切滑移型破坏,北侧边墙方解石化大理岩为节理张开倾倒破坏,顶拱镶嵌组合胶结状大理岩、花斑角砾状大理岩和溶蚀状大理岩为重力型塌落破坏。基于现场录像观察到塌方发生时间的先后顺序和电镜扫描不同岩性岩体的破坏机制,归纳其演化过程为：开挖卸荷→隧洞周边薄层岩体松散垮落→南侧边墙岩体剪切滑移破坏→北侧边墙岩体节理张开倾倒破坏→在两侧边墙卸荷作用下顶拱岩体发生卸荷回弹→重力坍塌破坏。根据岩体破坏机制和塌方演化过程,建议采用围岩表面和内部综合治理的支护措施(初喷不少于10 cm厚的混凝土+带锚垫板的注浆锚杆+挂网+复喷混凝土)。该研究成果可为深埋隧洞穿越复杂 岩性挤压破碎带的类似设计、施工、支护提供参考。     

Development of a mechanical rock breakage experimental platform

With social and economic development and improvement of science and technology, tunnel boring machines, raise boring machines, reaming machines and road headers have been unprecedentedly applied to underground engineering construction. Mechanical rock breakage experiments became an indispensable mean for mechanical excavation of underground engineering. It can also guide the design and operation of excavation machines. This paper introduces the new mechanical rock breakage experimental platform developed by Beijing University of Technology. The design and manufacture of this platform considered the influence of high in situ stress, cutter head rotation and rock breakage by multi-cutters at the same time on the rock breakage process. Different tools, such as rolling cutters, scraper, ripper, and pick, for different excavation machines can be tested in the platform. It can also take into account the different rock mass structure in the sample box. Different construction conditions with different cutting tools can be realistically modeled. The experimental platform consists of a mechanical system, a hydraulic system, an automatic control system and a data acquisition system. After installation of the designed experimental platform, several tests with different construction conditions were conducted. The experimental results showed that the platform reached its design requirements.