[发明专利]一种对岩体天然裂隙结构的张量确定方法及设备

说明书

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。

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：