冻结裂隙煤岩单轴压缩破坏机制及细观参数反演

煤岩的变形破坏是一个复杂的渐进演化过程, 为了研究冻结条件下裂隙煤岩的破坏机理, 基于CT扫描图像, 应用三维离散元模拟方法, 建立了冻结裂隙煤岩的单轴压缩模型。对比分析数值试验与室内压缩试验得到的应力-应变曲线, 发现二者吻合较好。通过对数值模拟结果的系统分析, 得到了冻结裂隙煤岩的细观结构损伤过程和宏观变形破坏规律, 也发现了煤岩的弹性模量和强度随温度变化的发展规律, 同时给出了煤岩强度和弹性模量与温度的数学关系式。以上研究表明, 离散元模拟方法能够为研究冻结裂隙煤岩的细观损伤演化和宏观破坏变形提供新思路, 可为岩体工程的安全稳定分析提供理论依据和参数基础。     

基于图像分割的煤岩割理CT图像各向异性特征

利用工业CT对自然煤岩样进行断层扫描观测。针对煤岩裂隙系统的多尺度、各向异性特征,应用Canny算子图像分割与方向性边缘检测技术,提取煤岩CT图像割理的总体特征、水平方向和垂直方向特征;根据特征图像计算了煤岩样的总体分形维数、孔隙度,各向异性分形维数与孔隙度及其在三维空间中的分布;讨论了分形维数与孔隙度、渗透率之间的关系,并根据煤岩样的分形维数、孔隙度对实际工程岩体的孔隙度和渗透率进行了外推计算。研究表明,煤岩样不同扫描断面的分形维数和孔隙度不同,同一煤样同一断面不同方向的分形维数与孔隙度亦不相同。利用图像分割与边缘检测对工业CT图像进行分析,可以对煤岩的各向异性分形维数与孔隙度在2D与3D空间进行精细描述。     

煤岩突出中孔深扩展与孔洞形成的阵发混沌模型

煤与瓦斯突出是煤岩-瓦斯系统远离平衡状态下的高度非线性行为,是井下开挖引发的最复杂的动力灾害。对混沌理论作了简要回顾,在该理论背景下研究煤与瓦斯突出演化过程的特性,得到煤岩系统在突出前处于嵌套层次较低的混沌态,而短暂时间内雪崩式突出一系列可简化为球壳形式的煤体形成孔洞是处于阵发混沌态有节奏的快速迭代阶段和突出停止后处于状态稳定的平衡态的认识。鉴于描述复杂性问题各类非线性映射所表现出的普适性质,在数学上可用Logistic函数 及其复合函数 为核函数的阵发混沌态迭代运算,来对突出的发生、发展和终止行为进行描述,并给出核函数中相对孔深 和突出参数 的初步形式。该研究可深化和丰富对突出物理本质的认识。     

单轴压缩载荷作用下双裂隙扩展的CT扫描试验

由于精选后的陶瓷材料与岩石性质相似,因此选择陶瓷作为基本材料制作中部含2条圆币状裂隙的试件,进行单轴压缩荷载作用下的CT实时扫描试验,研究试件内双裂隙的扩展和损伤演化规律。采用3种不同区域划分方案,通过CT数、CT方差和CT图像的对比,分析上、下裂隙及岩桥区域不同的扩展状况。分析表明,上裂隙区域一直以压密为主,扩展很小,对试件破坏影响较小;下裂隙区域扩展剧烈,最终形成了宏观裂纹,对试件的破坏影响较大;当上下裂隙之间的中心距离等于4倍的裂隙半径时,裂隙的扩展过程将与裂隙自身参数有关,几乎看不出裂隙之间的相互作用。     

岩石蠕变变形的混沌特性研究

对岩石蠕变变形分别进行了流变模型法和试验法的混沌特性研究,分析了其混沌行为的演化过程、进入混沌的通道以及混沌发生的条件,讨论了两种方法的现场工程应用问题以及相关参数的理论和实践意义。研究表明,岩石蠕变变形的发展过程是一种从有序－混沌（无序）－有序的过程。最后,根据岩石蠕变变形的孕育过程具有混沌特征的这一特性,提出控制岩石蠕变系统的应力水平是避免其混沌发生的主要途径。     

基于CT扫描的煤岩孔裂隙表征

煤岩中孔隙与裂隙的结构、形态等特征直接影响煤层气在煤层中的聚集和运移。为对煤岩中孔裂隙类型及孔裂隙的空间分布进行表征,选取宁武盆地中煤阶煤岩,利用微CT扫描技术对煤岩进行扫描获得CT图像,运用FDK算法重建煤岩的灰度图像并基于宏观孔隙度值对灰度图像进行二值化分割,对CT图像中的微裂纹目标进行了识别;利用CT扫描获得的图像依据煤岩中基质、孔裂隙及矿物组分均表现出不同的CT值分布,实现了煤岩中孔裂隙的三维建模,对煤岩中孔裂隙的尺度以及空间分布进行综合表征。研究成果为后期研究煤岩中气体吸附-解吸-渗流的多尺度过程奠定了基础。     

基于图像检索技术的岩石单轴压缩破坏过程CT描述

基于X射线的CT扫描技术,因其具有多层位、对同一岩石试件可连续、无损扫描等优点,在岩石力学与工程研究中得到了广泛应用。对岩石单轴压缩破坏过程进行实时CT扫描,也是岩石力学研究的重要内容之一。针对三维显微CT试验系统实时监测煤岩单轴压缩破坏过程中,因位移误差会引起扫描层定位不准确,进而影响试验结果这一基本问题,提出了基于图像检索技术的CT扫描图像处理方法。通过对煤岩试样在单轴载荷作用下破坏过程的CT实时监测,并引入基于Manhattan距离的相似性计算方法,检索出岩石试件同一层位在不同应力状态下的相似扫描层。结果表明,采用图像检索的方法,可以有效地减小煤岩在加载破坏过程中位移误差的影响,更好地通过CT图像来描述煤岩在不同应力状态下的微裂纹分布状况和演化规律,从而在细观层次上揭示岩石在单轴压缩条件下破坏的基本规律。     

黑河日径流量混沌变化特性的研究—Ⅱ相空间嵌入维数的确定

通过对黑河日径流量变化规律的探索,重点论述相空间嵌入维数的确定方法。计算结果表明：黑河日径流量时间序列的关联维数为2.1,是低维分数;另外,采用饱和关联积分法,得到黑河日径流量序列的嵌入维数为9。     

长江日流量混沌变化特性研究——Ⅱ相空间嵌入维数的确定

为了以新途径探索长江水量变化规律并在此基础上做出预测,全面而系统地研究了宜昌站日流量混沌变化特性并建立了新预测模型.重点论述相空间嵌入维数的确定.嵌入维数是混沌分析的一个重要参数.给出了饱和关联维数法、伪最邻近点法和真实矢量场法3种嵌入维数的确定方法.它们各有优缺点.研究结果表明,最优嵌入维数的确定必须进行综合分析并考虑最优嵌入窗宽.     

基于动态CT识别的冻土单轴压缩损伤本构模型

采用连续介质力学与热力学方法,建立了冻土单轴压缩损伤本构模型。以兰州冻结黄土为例,基于冻土单轴压缩动态CT试验,对冻土附加损伤的2个阶段,即塑性损伤和微裂纹扩展损伤分别采用硬化曲线法和动态CT识别方法进行了损伤计算,在此基础上给出了冻土附加损伤与弹性应变的对应关系,建立了基于试验的冻土损伤演化方程,并进行了有效应力的计算。     

单轴压缩岩石损伤扩展细观机理CT实时试验

利用最新研制的CT机专用加载设备，完成了单轴压缩荷载作用下岩石细观损伤扩展特性CT实时试验，得到了清晰的石破坏全过程中微孔洞被压密，微裂纹萌生、发展、贯通破坏和卸荷等不同发展阶段的CT图像，基于岩石损伤扩展的细观机理岩石应力-应变全过程曲线分为5段，为岩石损伤本构模型的建立提供了重要基础，结果表明，利用这套设备进行岩石细观损伤学特性的研究是可行的。     

岩石单轴压缩下能量与损伤演化规律研究

能量变化是材料各参数变化的本质特征。通过颗粒流模拟岩石单轴压缩试验,从细观力学角度分析能量转化、裂纹扩展及损伤演化规律。颗粒流利用细观颗粒的运动克服了宏观力学理论不易实现试件多裂纹破坏形态的缺点,以此研究能量变化更加合理。应力-应变各阶段能量与微裂纹及损伤存在着相互对应的发展关系。通过3种工况论证了宏-细观力学参数对应关系,采用最小二乘法拟合得出微裂纹与轴向应变呈幂次函数关系。采用割线模量定义损伤变量,取模量加速下降处（对应裂纹加速扩展）为损伤门槛,对应损伤阈值为0.158。3种工况下微裂纹数量与损伤呈线性发展关系,为损伤演化的深入研究提供参考。     

岩石声速与其损伤及声发射关系研究

首先,建立了单轴压缩过程岩石损伤参量、应变与声速之间的定量关系式,分析了不同均质度对单轴压缩过程岩石声速的影响,结果表明,随着均匀度的增加,单轴压缩过程中声速由平缓变化到急剧变化,这与已有的岩石声发射数值模拟分析结果是一致的;其次,根据建立的声速与应变的关系公式,通过单轴压缩过程岩石声速与应变实测结果的回归分析,得到了具有较高精度的回归方程,从而通过试验验证了所建立的关系式的正确性;最后,从损伤的角度讨论了单轴压缩过程岩石声速与声发射的关系,得出了Kaiser点应位于声速初始下降点附近的结论,为岩石声发射测量地应力试验中Kaiser点的确定提供了新的方法。     

三轴条件下软岩变形破坏过程的CT图像分析

采用X射线CT方法对一种软弱粉砂岩在三轴压缩条件下的变形破坏过程进行了实时观测,获得系列CT图像。软岩破裂成核现象在远离强度峰值前发生,完整岩石试件裂纹从外向内传播,裂纹演化基本方式表现为扩张和扩展的交替性。软岩屈服现象的本质是CT尺度裂纹演化,裂纹演化是软岩在峰值强度前的主要细观过程。     

含裂隙水脆性材料单轴压缩CT分析

采用CT机配套的自制专用注水加载装置,对含裂隙水压的单裂纹试件进行了单轴压缩破坏的CT（Computerized Tomography）实时试验,对试件被压密→新损伤区产生→裂纹扩展的全过程进行了模拟,得到了各阶段清晰的CT图象及CT数。通过分析,提出了类节理岩体脆性材料的损伤演化率和损伤门槛值概念,并对水压的影响进行了探讨,从细观和三维上初步掌握了类节理岩体脆性材料的损伤演化特性。