基于LIBS技术的岩石矿物-强度转换模型及单轴抗压强度的快速批量测试与应用
张庆贺1
王晓蕊2
王传兵3
李维国4
宫凤强5
章新生6
李井国6
1.安徽理工大学深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室,安徽淮南 232001;安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南 232001;合肥综合性国家科学中心能源研究院,安徽 合肥 2300002.安徽理工大学深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室,安徽淮南 232001;安徽理工大学安全科学与工程学院,安徽淮南 232001;合肥综合性国家科学中心能源研究院,安徽 合肥 2300003.安徽理工大学深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室,安徽淮南 2320014.安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南 2320015.东南大学土木工程学院,江苏南京 2111896.中铁四局集团有限公司,安徽 合肥 230000
摘要：由于深部工程灾害的复杂性和突发性,岩石的力学参数特别是单轴抗压强度在稳定性分析和风险评价、支护参数设计优化及智能化施工中显得尤为重要,因此需要考虑如何实现岩石强度的快速定量化.从矿物学角度实现岩石单轴抗压强度的快速定量表征,基于激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)技术建立了光谱-元素-矿物预测模型,提出了一种矿物-强度快速定量转换的新方法.结合LIBS技术建立花岗岩和变质砂岩的光谱信息库,并通过X射线荧光光谱(X-ray Fluorescence,XRF)和X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)测试分别获取岩石的元素和矿物数据集,基于支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)算法解析岩石中矿物成分的质量分数,最终建立矿物-强度转换模型,通过矿物成分质量分数预测值计算岩石的单轴抗压强度,并通过标准力学试验验证其合理性与科学性.结果表明,光谱-元素预测模型中各元素的决定系数R2在0.96～0.99内变化,该模型可有效得到各元素含量;元素-矿物预测模型中石英和磷铝石的预测效果最好,长石矿物族和云母矿物族次之,绿泥石和浊沸石也有良好的预测效果;多元线性回归模型(R2=0.850 2)较最小二乘法(R2=0.719 6)更适用于矿物质量分数预测值与单轴抗压强度的非线性关系,修正系数的引入可以较为有效地实现矿物-强度的精准转换.最后,采用矿物-强度转换模型对工程现场不同里程处的工作面中岩石的单轴抗压强度进行快速批量测试,结合Kriging插值技术和Matlab技术实现工程现场UCS的三维连续可视化.
关键词：激光诱导击穿光谱矿物成分定量分析快速测定空间可视化
分类号：TU42(土力学、地基基础工程)TU455(土力学、地基基础工程)TU457(土力学、地基基础工程)
资助基金：国家自然科学基金(42472344)安徽省自然科学基金资助项目(2308085ME153)深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室开放基金资助项目(HNKY2024YB302)
论文发表日期：2025-04-30
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：17( 2091-2107 )
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