[發(fā)明專利]一種對巖體天然裂隙結(jié)構(gòu)的張量確定方法及設(shè)備

有效

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• 申請日: 2022-02-10
• 公開（公告）號: CN114299239B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王守光;穆鵬宇;王嘉敏;楊冠宇;李海濤;李春元;崔春陽;張海寬;齊慶新
• 申請（專利權(quán)）人: 煤炭科學(xué)研究總院有限公司
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05;G01N23/046
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 杜月

本發(fā)明提出一種對巖體天然裂隙結(jié)構(gòu)的張量確定方法及設(shè)備，該方法利用張量描述巖體裂隙結(jié)構(gòu)，突破了形態(tài)學(xué)和分形維數(shù)指標的維度限制，增加對裂隙結(jié)構(gòu)的描述能力，同時與巖體本構(gòu)模型可以無縫銜接，方便本構(gòu)關(guān)系中表現(xiàn)裂隙場的性質(zhì)；本發(fā)明裂隙張量理論是基于橢球體模型計算，可以描述巖體CT掃描獲得的真實裂隙結(jié)構(gòu)，而細觀固體力學(xué)中裂隙張量理論則無法實現(xiàn)。本發(fā)明對巖體天然裂隙的張量表征方法對于深入認識巖體裂隙結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，建立裂隙結(jié)構(gòu)與巖石力學(xué)理論的關(guān)系奠定了重要的基礎(chǔ)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及巖體分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種對巖體天然裂隙結(jié)構(gòu)的張量確定方法、裝置、計算機設(shè)備及存儲介質(zhì)。

背景技術(shù)

天然巖體是在經(jīng)歷了漫長而又繁復(fù)的地質(zhì)過程后形成的，是具有一定結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地質(zhì)體。裂隙結(jié)構(gòu)對巖體的變形破壞行為具有控制性影響，而對巖體裂隙結(jié)構(gòu)的精確有效描述是充分認識這一影響機制的前提。

目前以光學(xué)顯微鏡為代表的一類光學(xué)方法可以觀測煤巖微觀裂隙結(jié)構(gòu)，掃描電鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)可以觀測煤巖超微孔隙結(jié)構(gòu)，但是這些方法只能觀測巖體表面的裂隙結(jié)構(gòu)；計算機斷層(CT)掃描技術(shù)實現(xiàn)了煤巖內(nèi)部裂隙的觀測，CT掃描結(jié)合計算機圖形分析技術(shù)進行裂隙坐標計算和三維圖像重構(gòu)已經(jīng)日漸成熟，可以實現(xiàn)對裂隙場形貌和演化的直觀認識，但是對裂隙結(jié)構(gòu)進行深入定量化研究就必須從三維圖像中提取出有概括性的數(shù)字指標。

目前裂隙結(jié)構(gòu)定量描述的方法主要有形態(tài)學(xué)方法、分形維數(shù)理論和統(tǒng)計學(xué)方法。

形態(tài)學(xué)方法采用裂隙形態(tài)學(xué)指標，如長度、面積、傾角、粗糙度、張開度以及密度等幾何因素定量描述裂隙結(jié)構(gòu)的三維特征。

分形維數(shù)理論采用一個標量分形維數(shù)值表征巖體的裂隙結(jié)構(gòu)特征。分形維數(shù)的計算方法有很多，包括Hausdorff維數(shù)D、信息維數(shù)Di、計盒維數(shù)DB等。

統(tǒng)計學(xué)方法立足于隨機數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)理論或極射赤平投影等地質(zhì)學(xué)技術(shù)，通過描述裂隙結(jié)構(gòu)的整體分布特征，建立結(jié)構(gòu)的整體分布規(guī)律與巖體物理力學(xué)性能的關(guān)系。例如巖石力學(xué)中常用的Hock-Brown強度準則、節(jié)理玫瑰花圖等。

但是，形態(tài)學(xué)方法和統(tǒng)計學(xué)方法對結(jié)構(gòu)的描述過于具體，導(dǎo)致對結(jié)構(gòu)的多尺度特征描述能力不足，同時更重要的問題在于其描述指標很難與結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)建立理論上的關(guān)系。而分形維數(shù)理論對結(jié)構(gòu)的多維度特征描述能力不足，現(xiàn)有的分形維數(shù)理論是一套標量理論，標量分形維數(shù)值難以反映結(jié)構(gòu)的各向異性等多維度特征。

現(xiàn)有的描述指標，除分形維數(shù)理論外，與結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)在理論上都建立不起聯(lián)系，主要原因是描述指標缺乏足夠的概括性和抽象性。但有些時候也能建立一定的經(jīng)驗關(guān)系，比如Hock-Brown強度準則就利用了結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計特征；然而這些經(jīng)驗關(guān)系在使用時容易受主觀因素影響，因為許多參數(shù)的確定并不客觀。分形維數(shù)理論雖然能與結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)建立聯(lián)系，但由于是標量理論，描述維度不足，因此其建立的關(guān)系也只是結(jié)構(gòu)的某一方面性質(zhì)與力學(xué)效應(yīng)之間的聯(lián)系。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種對巖體天然裂隙結(jié)構(gòu)的張量確定方法、裝置、計算機設(shè)備及存儲介質(zhì)，旨在繼承張量無限維度的優(yōu)勢，準確描述裂隙場的多維性和各向異性，同時也可以作為中間量用于裂隙巖體力學(xué)性質(zhì)的研究。

為此，本發(fā)明的第一個目的在于提出一種對巖體天然裂隙結(jié)構(gòu)的張量確定方法，包括：

對天然裂隙巖體進行CT掃描，獲得占主導(dǎo)作用的巖體面裂隙的拓撲形態(tài)和空間坐標；

對巖體天然裂隙結(jié)構(gòu)進行橢球模型重構(gòu)，得到天然裂隙巖體的橢球型裂隙場；

構(gòu)造二階裂隙方向張量與裂隙組構(gòu)張量，描述橢球型裂隙場的整體方向分布特征和尺寸特征，以確定整體裂隙結(jié)構(gòu)的張量表征。

其中，在對巖體天然裂隙結(jié)構(gòu)進行橢球模型重構(gòu)的步驟中，包括步驟：