基于小波变换理论的岩石节理面粗糙度分级表征

作     者：元宙昊 叶义成 罗斌玉 阎要锋 YUAN Zhouhao;YE Yicheng;LUO Binyu;YAN Yaofeng

作者机构：武汉科技大学资源与环境工程学院湖北武汉430081 武汉科技大学湖北省工业安全工程技术研究中心湖北武汉430081 武汉理工大学土木与建筑工程学院湖北武汉430070 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2022年第47卷第7期

页      面：2623-2642页

核心收录：

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

基　　金：湖北省重点研发计划资助项目(2020BCA082) 湖北省自然科学基金资助项目(2020CFB123) 湖北省教育厅科学技术研究资助项目(Q20201109) 

主　　题：小波变换 粗糙度分解 节理面粗糙度系数(JRC) 分级表征 统计参数 

摘      要：岩石节理面粗糙度的准确量化表征一直是节理岩体力学领域关注的热点问题。节理面表面形貌是多尺度的,且一阶、二阶起伏体对节理面粗糙度的形貌贡献存在差异,如何在考虑节理面多尺度特征的前提下实现粗糙程度的准确表征有待深入研究。基于小波变换理论,提出了用于小波基优选的能-熵比准则,结合基于能量保持百分比及信号标准差定义的临界分解水平准则,形成了节理面形貌分解理论。然后,以节理面形貌分解理论为基础,以10条标准节理面粗糙度系数(JRC)曲线为对象,实现了标准曲线中一阶、二阶起伏体的准确分离。对一阶、二阶起伏体的统计参数(一阶导数均方根Z_(2)、节理面粗糙度指数R_(p)-1)进行了计算,分析了一阶、二阶起伏体统计参数之间的差异,揭示了标准曲线的统计参数随粗糙度增加而出现局部凸起现象的原因,建立了节理面粗糙度的分级表征公式。最后,开展节理面剪切试验对粗糙度分级表征公式的可靠性进行验证。研究结果表明:①基于小波基优选准则确立的最优小波基coif5可实现节理面表面形貌的小波变换处理;②基于临界分解水平判别准则确立的第4分解水平适用于一阶、二阶起伏体的识别;③节理面中一阶、二阶起伏体的统计参数存在差异,二阶起伏体的统计参数普遍大于一阶起伏体的统计参数,揭示了标准曲线的统计参数随粗糙程度的增加而出现局部凸起的主要原因是未考虑一阶、二阶起伏体的形貌贡献差异;④基于粗糙度分级表征公式得出的节理面粗糙度系数与节理试样剪切试验结果的反算值吻合,且准确度比未分级的表征公式要好,表明粗糙度分级表征公式是合理的。