CN114299239A

CN114299239A - 一种对岩体天然裂隙结构的张量确定方法及设备

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Publication number: CN114299239A
Application number: CN202210124562.1A
Authority: CN
Inventors: 王守光; 穆鹏宇; 王嘉敏; 杨冠宇; 李海涛; 李春元; 崔春阳; 张海宽; 齐庆新
Original assignee: General Coal Research Institute Co Ltd
Current assignee: General Coal Research Institute Co Ltd
Priority date: 2022-02-10
Filing date: 2022-02-10
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2042-02-10
Also published as: CN114299239B

Abstract

本发明提出一种对岩体天然裂隙结构的张量确定方法及设备，该方法利用张量描述岩体裂隙结构，突破了形态学和分形维数指标的维度限制，增加对裂隙结构的描述能力，同时与岩体本构模型可以无缝衔接，方便本构关系中表现裂隙场的性质；本发明裂隙张量理论是基于椭球体模型计算，可以描述岩体CT扫描获得的真实裂隙结构，而细观固体力学中裂隙张量理论则无法实现。本发明对岩体天然裂隙的张量表征方法对于深入认识岩体裂隙结构的性质，建立裂隙结构与岩石力学理论的关系奠定了重要的基础。

Description

一种对岩体天然裂隙结构的张量确定方法及设备

技术领域

本发明涉及岩体分析技术领域，尤其涉及一种对岩体天然裂隙结构的张量确定方法、装置、计算机设备及存储介质。

背景技术

天然岩体是在经历了漫长而又繁复的地质过程后形成的，是具有一定结构和构造的地质体。裂隙结构对岩体的变形破坏行为具有控制性影响，而对岩体裂隙结构的精确有效描述是充分认识这一影响机制的前提。

目前以光学显微镜为代表的一类光学方法可以观测煤岩微观裂隙结构，扫描电镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)可以观测煤岩超微孔隙结构，但是这些方法只能观测岩体表面的裂隙结构；计算机断层(CT)扫描技术实现了煤岩内部裂隙的观测，CT扫描结合计算机图形分析技术进行裂隙坐标计算和三维图像重构已经日渐成熟，可以实现对裂隙场形貌和演化的直观认识，但是对裂隙结构进行深入定量化研究就必须从三维图像中提取出有概括性的数字指标。

目前裂隙结构定量描述的方法主要有形态学方法、分形维数理论和统计学方法。

形态学方法采用裂隙形态学指标，如长度、面积、倾角、粗糙度、张开度以及密度等几何因素定量描述裂隙结构的三维特征。

分形维数理论采用一个标量分形维数值表征岩体的裂隙结构特征。分形维数的计算方法有很多，包括Hausdorff维数D、信息维数Di、计盒维数DB等。

统计学方法立足于随机数学、统计学理论或极射赤平投影等地质学技术，通过描述裂隙结构的整体分布特征，建立结构的整体分布规律与岩体物理力学性能的关系。例如岩石力学中常用的Hock-Brown强度准则、节理玫瑰花图等。

但是，形态学方法和统计学方法对结构的描述过于具体，导致对结构的多尺度特征描述能力不足，同时更重要的问题在于其描述指标很难与结构的力学效应建立理论上的关系。而分形维数理论对结构的多维度特征描述能力不足，现有的分形维数理论是一套标量理论，标量分形维数值难以反映结构的各向异性等多维度特征。

现有的描述指标，除分形维数理论外，与结构的力学效应在理论上都建立不起联系，主要原因是描述指标缺乏足够的概括性和抽象性。但有些时候也能建立一定的经验关系，比如Hock-Brown强度准则就利用了结构的统计特征；然而这些经验关系在使用时容易受主观因素影响，因为许多参数的确定并不客观。分形维数理论虽然能与结构力学效应建立联系，但由于是标量理论，描述维度不足，因此其建立的关系也只是结构的某一方面性质与力学效应之间的联系。

发明内容

本发明提供一种对岩体天然裂隙结构的张量确定方法、装置、计算机设备及存储介质，旨在继承张量无限维度的优势，准确描述裂隙场的多维性和各向异性，同时也可以作为中间量用于裂隙岩体力学性质的研究。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种对岩体天然裂隙结构的张量确定方法，包括：

对天然裂隙岩体进行CT扫描，获得占主导作用的岩体面裂隙的拓扑形态和空间坐标；

对岩体天然裂隙结构进行椭球模型重构，得到天然裂隙岩体的椭球型裂隙场；

构造二阶裂隙方向张量与裂隙组构张量，描述椭球型裂隙场的整体方向分布特征和尺寸特征，以确定整体裂隙结构的张量表征。

其中，在对岩体天然裂隙结构进行椭球模型重构的步骤中，包括步骤：

将岩体CT扫描裂隙结构划分为面裂隙、线裂隙和孔隙三类，并分别对应设计面椭球、线椭球和普通椭球拟合三类裂隙；

采用Ear-Clipping算法，将岩体三维空间复杂面裂隙进行三角形网格剖分，建立三维空间中的椭球重构控制方程；

根据所述控制方程，进行裂隙结构拟合。

其中，在建立三维空间中三角形面裂隙椭球重构的控制方程的步骤中，若扫描裂隙类型为孔隙，则采用等效体积法拟合孔隙结构；若扫描裂隙类型为线裂隙，则采用分段近似算法，以分段的线椭球拟合分段线裂隙；若扫描裂隙类型为面裂隙，则采用Newton迭代法或人工智能算法，求解定解超静定非线性方程组，实现面裂隙椭球重构拟合。

其中，在构造二阶裂隙方向张量，以描述椭球型裂隙场的整体方向分布特征的步骤中，由椭球型裂隙场的椭球主轴及其方向构造描述裂隙结构方向性质的裂隙方向张量，公式表示为：

（1）

其中，

表示第

个椭球的第

个主轴，

；

为与面积相关的权重系数，

为主轴方向向量。

其中，在构造二阶裂隙组构张量，以描述椭球型裂隙场的整体方向尺寸特征的步骤中，由椭球型裂隙场的椭球主轴及其方向构造描述裂隙结构尺寸特征的裂隙组构张量，公式表示为：

（2）

其中，

为主轴长度。

其中，在确定整体裂隙结构的张量表征的步骤中，确定岩体中优势裂隙的数量，计算每一优势裂隙的裂隙方向张量和整体方向尺寸特征，表征方向张量和组构张量，根据面积加权平均得到整体裂隙结构的张量表征。

本发明的第二个目的在于提出一种对岩体天然裂隙结构的张量描述装置，包括：

扫描模块，用于对天然裂隙岩体进行CT扫描，获得占主导作用的岩体面裂隙的拓扑形态和空间坐标；

重构模块，用于对岩体天然裂隙结构进行椭球模型重构，得到天然裂隙岩体的椭球型裂隙场；

计算模块，用于构造二阶裂隙方向张量与裂隙组构张量，描述椭球型裂隙场的整体方向分布特征和尺寸特征，以确定整体裂隙结构的张量表征。

其中，重构模块在对岩体天然裂隙结构进行椭球模型重构时，包括：

分类识别单元，用于将岩体CT扫描裂隙结构划分为面裂隙、线裂隙和孔隙三类，并分别对应设计面椭球、线椭球和普通椭球拟合三类裂隙；

重构单元，用于采用Ear-Clipping算法，将岩体三维空间复杂面裂隙进行三角形网格剖分，建立三维空间中的椭球重构控制方程；

拟合单元，用于根据所述控制方程，进行裂隙结构拟合。

本发明的第三个目的在于提出一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现如前述技术方案的方法。

本发明的第四个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现前述技术方案的方法。

区别于现有技术，本发明提供的对岩体天然裂隙结构的张量确定方法，利用张量描述岩体裂隙结构，突破了形态学和分形维数指标的维度限制，增加对裂隙结构的描述能力，同时与岩体本构模型可以无缝衔接，方便本构关系中表现裂隙场的性质；本发明裂隙张量理论是基于椭球体模型计算，可以描述岩体CT扫描获得的真实裂隙结构，而细观固体力学中裂隙张量理论则无法实现。本发明对岩体天然裂隙的张量表征方法对于深入认识岩体裂隙结构的性质，建立裂隙结构与岩石力学理论的关系奠定了重要的基础。

附图说明

本发明的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明提供的一种对岩体天然裂隙结构的张量确定方法的流程示意图。

图2是本发明提供的一种对岩体天然裂隙结构的张量确定方法中三类裂隙结构与重构示意图。

图3是本发明提供的一种对岩体天然裂隙结构的张量确定方法中岩体试样CT扫描裂隙结构示意图。

图4是本发明提供的一种对岩体天然裂隙结构的张量描述装置的结构示意图。

图5是本发明提供的一种非临时性计算机可读存储介质的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1为本发明实施例所提供的一种对岩体天然裂隙结构的张量确定方法。该方法包括以下步骤：

步骤101，对天然裂隙岩体进行CT扫描，获得占主导作用的岩体面裂隙的拓扑形态和空间坐标。

步骤102，对岩体天然裂隙结构进行椭球模型重构，得到天然裂隙岩体的椭球型裂隙场。

在对岩体天然裂隙结构进行椭球模型重构的步骤中，包括步骤：

将岩体CT扫描裂隙结构划分为面裂隙、线裂隙和孔隙三类，并分别对应设计面椭球、线椭球和普通椭球拟合三类裂隙；如图2所示。

根据所述控制方程，进行裂隙结构拟合。

具体的，针对面裂隙的椭球模型重构，具体步骤如下：

采用“Ear-Clipping”算法，将三维空间复杂面裂隙进行三角形网格剖分，用面椭球拟合每一个划分好的三角形裂隙网格，建立三维空间中三角形面裂隙椭球重构的控制方程；求解上述控制方程，求解定解超静定非线性方程组，可采用Newton迭代法或人工智能算法。

对于孔隙的椭球模型重构，采用等效体积法拟合孔隙结构，控制椭球形状因子与孔隙平均形状因子相等或近似相等。对于线裂隙的椭球模型重构，采用分段近似算法，以分段的线椭球拟合分段线裂隙。

步骤103，构造二阶裂隙方向张量与裂隙组构张量，描述椭球型裂隙场的整体方向分布特征和尺寸特征，以确定整体裂隙结构的张量表征。

首先，构造二阶裂隙方向张量描述裂隙场的整体方向分布特征。由椭球型裂隙场的椭球主轴及其方向构造描述裂隙结构方向性质的裂隙方向张量，具体公式如下：

（1）

其中，

表示第

个椭球的第

个主轴，

；

为与面积相关的权重系数，

为主轴方向向量。

然后，构造二阶裂隙组构张量描述裂隙场的尺寸特征。由椭球型裂隙场的椭球主轴及其方向构造描述裂隙结构尺寸特征的裂隙组构张量，具体公式如下：

（2）

其中，

为主轴长度。

具体的，对图3所示的岩体CT扫描获得的天然裂隙结构进行张量表征如下。该岩体裂隙结构大致可分为3组主要的优势裂隙，分别计算这3个优势裂隙组的方向张量与组构张量，然后根据面积加权平均得到整体裂隙结构的张量表征：

(1) 优势裂隙组①(0度倾角)：

裂隙方向张量：

裂隙组构张量：

(2) 优势裂隙组②(75度倾角)：

裂隙方向张量：

裂隙组构张量：

(3) 优势裂隙组③(90度倾角)：

裂隙方向张量：

裂隙组构张量：

(4) 整体裂隙结构：

裂隙方向张量：

裂隙组构张量：

。

为了实现实施例，本发明还提出一种对岩体天然裂隙结构的张量描述装置，如图4所示，包括：

扫描模块310，用于对天然裂隙岩体进行CT扫描，获得占主导作用的岩体面裂隙的拓扑形态和空间坐标；

重构模块320，用于对岩体天然裂隙结构进行椭球模型重构，得到天然裂隙岩体的椭球型裂隙场；

计算模块330，用于构造二阶裂隙方向张量与裂隙组构张量，描述椭球型裂隙场的整体方向分布特征和尺寸特征，以确定整体裂隙结构的张量表征。

其中，重构模块310在对岩体天然裂隙结构进行椭球模型重构时，包括：

拟合单元，用于根据所述控制方程，进行裂隙结构拟合。

为了实现所述实施例，本发明还提出另一种计算机设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现如本发明实施例的对岩体天然裂隙结构的张量描述。

如图5所示，非临时性计算机可读存储介质包括指令的存储器810，接口830，所述指令可由根据对岩体天然裂隙结构的张量描述装置处理器820执行以完成所述方法。可选地，存储介质可以是非临时性计算机可读存储介质，例如，非临时性计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器（RAM）、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。

为了实现所述实施例，本发明还提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例的对岩体天然裂隙结构的张量描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对所述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在所述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现所述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。所述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

所述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，所述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对所述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种对岩体天然裂隙结构的张量确定方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的对岩体天然裂隙结构的张量确定方法，其特征在于，在对岩体天然裂隙结构进行椭球模型重构的步骤中，包括步骤：

根据所述控制方程，进行裂隙结构拟合。

3.根据权利要求2所述的对岩体天然裂隙结构的张量确定方法，其特征在于，在建立三维空间中三角形面裂隙椭球重构的控制方程的步骤中，若扫描裂隙类型为孔隙，则采用等效体积法拟合孔隙结构；若扫描裂隙类型为线裂隙，则采用分段近似算法，以分段的线椭球拟合分段线裂隙；若扫描裂隙类型为面裂隙，则采用Newton迭代法或人工智能算法，求解定解超静定非线性方程组，实现面裂隙椭球重构拟合。

4.根据权利要求1所述的对岩体天然裂隙结构的张量确定方法，其特征在于，在构造二阶裂隙方向张量，以描述椭球型裂隙场的整体方向分布特征的步骤中，由椭球型裂隙场的椭球主轴及其方向构造描述裂隙结构方向性质的裂隙方向张量，公式表示为：