Zastosowanie metody analizy obrazu i profilometrii laserowej do ilościowej oceny niedociągłości wstępujących w skałach analizowanych w skali mikro i makro

• Autorzy: Młynarczuk M. , Ratajczak T. , Aksamit J.

Warianty tytułu

EN

Applying of image analysis and laser profilometry to quantitative analysis of discontinuities appearing in rocks in micro and macro scales

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Ocena chropowatości zajmuje kluczowe miejsce w geotechnicznym opisie masywów skalnych. Dostarcza ona informacji o jego wytrzymałości, odkształcalności, przepuszczalności, itp. Niestety, stosowane do tego celu parametry oparte są często na opisie jakościowym lub bazują na podstawowych pomiarach ilościowych, które co prawda są proste w realizacji, ale niosą ze sobą ograniczoną ilość informacji i nie zawsze podążają za postępem technik badawczych. Opisywane prace są rozszerzeniem badań prowadzonych w IMG PAN w latach 2004 i 2005 i koncentrują się na przydatności przekształceń morfologii matematycznej, a w szczególności metod filtracji morfologicznej do analizy powierzchni przełamów skalnych. W wyniku zastosowania sekwencyjnych filtrów przemiennych wyróżniono składowe odpowiadające chropowatości oraz falistości. Wykorzystanie funkcji madogramu do analizy składowych chropowatości wskazało na związek pomiędzy parametrami tej funkcji a wielkością ziarn badanych skał. Proponowane metody zastosowano m.in. do analizy powierzchni próbek węgli typu brekcji tektonicznej, pobranych z okolic szczeliny uskokowej w KWK „Zofiówka”. W pracy opisano również modyfikację urządzenia do analizy ścian skalnych w skali makro i oraz zaprezentowano wstępne wyniki pomiarów.

EN

The assessment of the roughness is taking the crucial place in geotechnical description of rock outcroppings. It provides information concerning rock endurance, deformation, permeability, etc. Unfortunately, the parameters used at this target are often based on the qualitative description or they are obtained by basic measurements which bring limited amount of information. The described works are continuation of the examinations led in the Strata Mechanics Research Institute in the previous years (2004 and 2005). Current researches are concentrating on the usefulness of the mathematical morphology, in particular the morphological filtering, to the analysis of the rock surface topology. By applying the alternating sequential filters the roughness component and the waviness component of the analysed profiles have been defi ned. By applying the madogram function to the analysis of roughness components, the correlation between this parameter and the grain size has been examined. Proposed methods have been used to the analysis of the surface of coals taken from regions near the fault at “Zofiówka” Colliery. A modification of the laser device dedicated to rock walls analysis on a macro scale has been also described and the results of the preliminary measurements have been presented.

Słowa kluczowe

PL

przełam skalny; chropowatość powierzchni; morfologia matematyczna; filtracja danych pomiarowych

EN

rock fracture; roughness; mathematical morphology; filtration of measuring data

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 8, no. 1-4
• Strony: 157--169
• Opis fizyczny: Bibliogr. 39 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Młynarczuk M.

• Instytut Mechaniki Górotworu PAN, ul. Reymonta 27; 30-059 Kraków

autor

Ratajczak T.

• Instytut Mechaniki Górotworu PAN, ul. Reymonta 27; 30-059 Kraków

autor

Aksamit J.

• Instytut Mechaniki Górotworu PAN, ul. Reymonta 27; 30-059 Kraków

Bibliografia

• Bodziony J., Ratajczak T., Aksamit J., 1998: Ocena chropowatości w świetle polskich norm. Sprawozdanie z działalności naukowej Instytutu Mechaniki Górotworu PAN.
• Chen C.C.A., Liu W.C., Duffie N.A. 1998: A Surface Topography Model for Automated Surface Finishing, Int. J. Mach. Tools Manufact. Vol. 38, pp. 543-550.
• Chen Q., Yang S., Li Z., 1999: Surface roughness evaluation by using wavelets analysis, Precision Engineering 23, 209-212.
• Chmura K. 1970: Własności fizykotermiczne skał niektórych polskich zagłębi górniczych. Wydawnictwo Śląsk, Katowice.
• Develi K., Babadagli T., Comllekci C., 2001: A new computer-controlled surface-scanning device for measurement of fracture surface roughness, Computers & Geosciences 27, 256-277.
• Emery X. 2005: Variograms of Order ω: A Tool to Validate a Bivariate Distribution Model. Math. Geol., vol. 37, No. 2: 163-181.
• Fardin N., Feng Q., Stephanssona O., 2004: Application of a new in situ 3D laser scanner to study the scale effect on the rock joint surface roughness, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 41, 329-335.
• Gentier S., Riss J., 1987: Natural Fractures in Rock: Stereological Estimation of Areas by Systematic Sections. Acta Stereologica.
• Gurau L., Mansfield-Williams H., Irle M., 2006: Filtering the roughness of a sanded wood surface, Holz als Roh- und Werkstoff 64: 363–371.
• Hocheng H., Hsieh M.L., 2004: Signal analysis of surface roughness in diamond turning of lens molds, International Journal of Machine Tools & Manufacture 44, 1607-1618.
• Isaaks E.H., Srivastava R.M., 1989: Applied Geostatistics, Oxford University Press, New York.
• Kidybiński A., 1982: Podstawy geotechniki kopalnianej. Wydawnictwo „Śląsk”, Katowice.
• Konecny P., Młynarczuk M., 2003: Zależność pomiędzy morfologią powierzchni przełamów skalnych a ich przepuszczalnością w trójosiowym stanie naprężenia (w:) Geotechnika w Budownictwie i Górnictwie. Oficyna Wyd. Politechniki Wrocławskiej. Wrocław, s.148-152.
• Kulatilake P.H.S.W., Um J., 1999: Requirements for accurate quantification of self-affine roughness using the roughnesslength method, Int. J. Rock Mech. Min. Sci, 36, pp. 5-18.
• Kwaśniewski M., Wang J., 1998: Struktura geometryczna powierzchni i zachowanie się nieciągłości w skałach przy ścinaniu, XXI Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu, wyd. AGH, Kraków.
• Lanaro F., 2000: A random field model for surface roughness and aperture of rock fractures, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 37, 1195-1210.
• Matheron G., 1987: Randoms sets and integral equation, Wiley, New York.
• Młynarczuk M., 1994: Methods of Determining the Fracture Surface Roughness of Rock Samples by Means of a Laser Profilometer, IV International Conference Stereology and Image Analysis in Material Science, STERMAT, Wisła 1994.
• Młynarczuk M., Ratajczak T., Aksamit J., 2004: Opis powierzchni przełamów wybranych skał metodami morfologii matematycznej, Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN, vol. 6, pp. 79-92.
• Młynarczuk M., 2004: Możliwości wykorzystania analizy obrazu i morfologii matematycznej do analizy stereologicznej struktur skalnych, Archives of Mining Sciences, vol. 49.
• Młynarczuk M., Ratajczak T., Aksamit J., 2005: Badania in-situ szczelinowatości i chropowatości ścian skalnych przy wykorzystaniu analizy obrazu i profilometrii laserowej, Prace IMG PAN.
• Młynarczuk M., Ratajczak T., Sobczyk J., Aksamit J., 2001: Zastosowanie metod automatycznego przetwarzania obrazów do analizy morfologii powierzchni wybranych próbek skalnych. Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN, Vol. 3, No. 3-4.
• Pinińska J., 2001: Systemy geologiczno-inżynierskiej oceny skał i masywów skalnych, Przegląd geologiczny vol. 49, nr 9.
• Pinińska J., 2003: Właściwości wytrzymałościowe i odkształceniowe skał. Część IV. Karpaty fliszowe, Wyd. Uniwersytetu Warszawskiego. Warszawa.
• Polska Norma ISO 4287 Struktura geometryczna powierzchni: metoda profilowa. Terminy, definicje i parametry struktury geometrycznej powierzchni.
• Polska Norma PN-87/M-04256/02 Struktura geometryczna powierzchni. Pomiary chropowatości. Terminologia ogólna.
• Power W.L., Durham W.B., 1997: Topography of Natural and Artificial Fractures in Granitic Rocks: Implications for Studies of Rock Friction and Fluid Migration, J. Rock Mech. Min. Sri. Vol. 34, No. 6, 979-989 pp.
• Renard F., Schmittbuhl J., Gratier J.P., Meakin P.,2004: Three-dimensional roughness of stylolites in limestones, Journal of Geophisical Research, vol. 109.
• Renard F., Voisin C., Marsan D., Schmittbuhl J., 2006: High resolution 3D laser scanner measurements of a strike-slip fault quantify its morphological anisotropy at all scales, Geophisical Research Letters, vol. 33.
• Roko R.O., Daemen J.J.K., Myers D.E., 1997: Variogram Characterization of Joint Surface Morphology and Asperity Deformation During Shearing, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol. 34, No. 1, pp. 71 84.
• Salembier P., Serra J., Beucher S., 1994: Course on Mathematical Morphology and Image Processing, Ecole des Mines de Paris/Armines.
• Serra J., 1982: Image analysis and mathematical morphology, Academic Press.
• Serra J., 1988a: Introduction to Morphological Filtering, Image Analysis and Mathematical Morphology, Volume II, Theoretical Advances, ed. J. Serra, Academic Press.
• Serra J., 1988b: Alternating sequential Filters, Image Analysis and Mathematical Morphology, Volume II, Theoretical Advances, ed. J. Serra, Academic Press.
• Serra J., Vincent L., 1992: An Overview of Morphological Filtering, Circuits System Signal Processing, Vol. 11, No. 1.
• Trumpold H., Heldt E., 1998: Why filtering surface profiles? Int. J. Mach. Tools Manufact. Vol. 38, pp. 639-646.
• Vincent L., 1994: Fast Grayscale Granulometry Algorithms, Proc. ISMM’94 International Symposium on Mathematical Morphology Fontainebleau, France, pp. 265-272, September 1994, Kluwer Academic Publishers.
• Wang J., 1994: Morphology and mechanical behaviour of rock joints. Doctoral Thesis.
• Xie H., Wang J. & Kwaśniewski M.A., 1999: Multifractal characterization of rock fracture surfaces. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 36, 19-27.