巖體結(jié)構(gòu)數(shù)字的識(shí)別和力學(xué)參數(shù)表征

巖體結(jié)構(gòu)數(shù)字的識(shí)別和力學(xué)參數(shù)表征第一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日研究背景與現(xiàn)狀提綱結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量21巖體力學(xué)、水力學(xué)參數(shù)表征3前景與展望5范各莊應(yīng)用實(shí)例42第二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日1、研究背景與現(xiàn)狀巖體的結(jié)構(gòu)特性巖體是經(jīng)過(guò)地質(zhì)作用過(guò)的、由巖塊和地質(zhì)

結(jié)構(gòu)面（節(jié)理、裂隙、斷層等）所組成、

具有一定結(jié)構(gòu)特征，賦存于一定地質(zhì)環(huán)境

（地應(yīng)力、地下水、地溫等）中的地質(zhì)體。

不同規(guī)模的節(jié)理、裂隙、斷層等結(jié)構(gòu)面3第三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日1、研究背景與現(xiàn)狀在結(jié)構(gòu)面的五級(jí)分類(lèi)方案中，采礦、水利及交通等工程巖體開(kāi)挖過(guò)程中揭露并需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)構(gòu)面主要包括三級(jí)：Ⅲ級(jí)：小規(guī)模的次級(jí)斷層，規(guī)模較大，數(shù)量較少，和開(kāi)挖臨空面相互交切組合，主要制約局部危巖體的崩落、滑動(dòng)方式Ⅳ級(jí)：原生的具有一定分布規(guī)律和統(tǒng)計(jì)意義的節(jié)理面、卸荷裂隙、風(fēng)化裂隙等Ⅴ級(jí)：連接性極差的微小節(jié)理或隱微裂面Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)數(shù)量大、隨機(jī)展布，主要弱化巖體的力學(xué)性質(zhì)4第四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日不同級(jí)別的結(jié)構(gòu)面的空間分布和成組特征，直接影響巖體的工程特性，導(dǎo)致了巖體工程特性參數(shù)如變形、滲透性、強(qiáng)度等的各向異性、非均勻性及離散性，節(jié)理巖體特性參數(shù)的確定一直是計(jì)算巖體力學(xué)的難點(diǎn)1、研究背景與現(xiàn)狀5第五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日1、研究背景與現(xiàn)狀巖體的力學(xué)特性完整巖石隧洞連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)模型節(jié)理巖石隧洞節(jié)理等效連續(xù)介質(zhì)模型（各向同性或異性）離散元模型層狀巖石隧洞（巖層與節(jié)理）節(jié)理控制型

結(jié)構(gòu)面斷層復(fù)雜巖石隧洞等效連續(xù)介質(zhì)+接觸

（節(jié)理）單元6第六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

巖體滲流力學(xué)研究方法大結(jié)構(gòu)：主干裂隙系統(tǒng)

數(shù)量少、規(guī)模大、起主導(dǎo)控制作用

采用離散網(wǎng)絡(luò)方法小裂隙：裂隙巖塊系統(tǒng)數(shù)目多、分布廣、提供較大滲流空間

采用連續(xù)介質(zhì)方法從宏觀上來(lái)描述其對(duì)滲流場(chǎng)的貢獻(xiàn)采用張量分析計(jì)算方法然后，通過(guò)兩系統(tǒng)間的水量交換建立聯(lián)系1、研究背景與現(xiàn)狀7第七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日1、研究背景與現(xiàn)狀巖體力學(xué)、

水力學(xué)參數(shù)數(shù)學(xué)模型數(shù)值計(jì)算

方法求解結(jié)果巖體力學(xué)問(wèn)題求解不可靠無(wú)論是哪種模型，其根本的問(wèn)題是如何確定參數(shù)（張有天）

8第八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日1、研究背景與現(xiàn)狀數(shù)值計(jì)算在巖石工程應(yīng)用中一直存在“聲譽(yù)高、信譽(yù)低”的問(wèn)題，制約其在巖石工程應(yīng)用的技術(shù)“瓶頸”問(wèn)題為：

數(shù)據(jù)不完備的復(fù)雜地質(zhì)系統(tǒng)與理論嚴(yán)密的力學(xué)模

型之間相互脫節(jié)，巖體結(jié)構(gòu)地學(xué)描述的多尺度定

性方法與力學(xué)分析的精細(xì)定量方法銜接不好巖體參數(shù)和數(shù)值計(jì)算的可靠性取決于對(duì)

巖體結(jié)構(gòu)面測(cè)量和表征的完備程度及數(shù)值模型中對(duì)控制結(jié)構(gòu)面

的描述程度關(guān)鍵測(cè)量和表征巖體結(jié)構(gòu)面9第九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)面測(cè)量現(xiàn)狀⑴精測(cè)線(xiàn)法和窗口法傳統(tǒng)方法：即通過(guò)皮尺和羅盤(pán)人工現(xiàn)場(chǎng)逐一接觸測(cè)量結(jié)構(gòu)面信息

缺點(diǎn)：采集的信息有限，有些高陡巖體不可能全面接觸，使得測(cè)量數(shù)據(jù)的代表性受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制.低效、費(fèi)力、耗時(shí)，不安全、甚至難以接近實(shí)體和不能滿(mǎn)足現(xiàn)代快速施工的要求

1、研究背景與現(xiàn)狀10第十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日⑵鉆孔定向取芯技術(shù)和孔內(nèi)照相技術(shù)缺點(diǎn)：獲取巖體結(jié)構(gòu)面信息規(guī)模小、應(yīng)用效果不佳，

該方法可作為工程地質(zhì)調(diào)查的輔助手段1、研究背景與現(xiàn)狀11第十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)三維非接觸測(cè)量系統(tǒng)3GSM⑶數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)從奧地利startup公司引進(jìn)的一套3G軟件和測(cè)量產(chǎn)品JointMetriX3D和ShapeMetriX3D是一個(gè)全新的、代表當(dāng)今最高水平的巖體幾何參數(shù)三維不接觸測(cè)量系統(tǒng)該系統(tǒng)由一個(gè)可以進(jìn)行高分辨率立體攝像的照相機(jī)、進(jìn)行三維圖像生成的模型重建軟件和對(duì)三維圖像進(jìn)行交互式空間可視化分析的分析軟件包組成。

jointmetrix3d成像系統(tǒng)

shapemetrix3d成像系統(tǒng)

1、研究背景與現(xiàn)狀12第十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日通過(guò)標(biāo)定的高分辨率的圖像照相掃描系統(tǒng)，獲取包括:巖體不連續(xù)面的幾何參數(shù)如間距、面的連通率和方向等信息。由此可推導(dǎo)出巖體的標(biāo)識(shí)參數(shù)、所有的分析都是三維、不接觸并以出處的坐標(biāo)給出。對(duì)該信息進(jìn)行數(shù)字化建模，建立巖體三維力學(xué)模型，在聯(lián)想深騰1800并行計(jì)算機(jī)上進(jìn)行滲流、應(yīng)力等物理過(guò)程計(jì)算，得到結(jié)果導(dǎo)入GOCAD系統(tǒng)中，在我們購(gòu)進(jìn)的大型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中演示，有力的支撐了數(shù)值模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)過(guò)程研究，并使得該中心具有更好的工程應(yīng)用前景。

13第十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日3GSM測(cè)量原理立體圖像合成原理：兩個(gè)圖像上相應(yīng)點(diǎn)P(u,v)組成三維空間物體點(diǎn)P(x,y,z)（露天邊坡）

軟件系統(tǒng)對(duì)不同角度的圖像進(jìn)行一系列的技術(shù)處理如基準(zhǔn)標(biāo)定、像素點(diǎn)匹配、圖像變形偏差糾正等，實(shí)現(xiàn)物體表面真三維模型重構(gòu)，在計(jì)算機(jī)可視化屏幕上從任何方位觀察三維實(shí)體圖像14第十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日3GSM的軟件系統(tǒng)15第十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

3GSM的軟件系統(tǒng)使用電腦鼠標(biāo)進(jìn)行交互式操作來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)結(jié)構(gòu)面?zhèn)€體的識(shí)別、定位、擬合、追蹤以及幾何形態(tài)信息參數(shù)（產(chǎn)狀、跡長(zhǎng)、間距、斷距等）的獲取，并進(jìn)行紛繁復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的分級(jí)、分組、幾何參數(shù)統(tǒng)計(jì)。16第十六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量3GSM技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)時(shí)的地質(zhì)信息交流和反饋

環(huán)境，提高地質(zhì)紀(jì)錄任務(wù)的效率，降低不完整信息和信息丟失

的可能性，大大的幫助地質(zhì)工作者區(qū)分鑒定地質(zhì)特征，在已完

成工作面節(jié)理圖像的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)沒(méi)完成工作面上弱面的位置和

方向。但是，該技術(shù)不和數(shù)值力學(xué)計(jì)算結(jié)合起來(lái)，其工作潛力

還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。利用詳實(shí)的結(jié)構(gòu)面信息，開(kāi)展力學(xué)分析與計(jì)算1、研究背景與現(xiàn)狀17第十七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日研究思路測(cè)量數(shù)據(jù)不完備的復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與理論嚴(yán)密的力學(xué)模型之間相互脫節(jié)是巖體力學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。18第十八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日借助于先進(jìn)的3GSM三維巖體不接觸測(cè)量技術(shù)，獲取一系列真實(shí)描述巖體宏觀結(jié)構(gòu)的數(shù)字圖像，提取節(jié)理幾何形態(tài)空間分布信息；在此基礎(chǔ)上，對(duì)于級(jí)別較低的節(jié)理面，基于考慮節(jié)理統(tǒng)計(jì)分布的幾何損傷理論、Hoek-Brown系統(tǒng)和輔以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正的裂隙樣本法，建立巖體力學(xué)、水力學(xué)參數(shù)表征方法；對(duì)級(jí)別較高的結(jié)構(gòu)面按節(jié)理單元處理，實(shí)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)（幾何形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)）數(shù)字信息與力學(xué)分析的精細(xì)定量計(jì)算有機(jī)銜接，建立能反映控制結(jié)構(gòu)面真實(shí)空間分布、充分考慮各級(jí)別結(jié)構(gòu)面作用的三維巖體破壞過(guò)程分析數(shù)值模型，為巖體工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析和破壞機(jī)理研究提供更加真實(shí)、可靠的手段。研究思路19第十九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日2、結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與三維形態(tài)重構(gòu)結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量左視圖

基準(zhǔn)點(diǎn)右視圖

基準(zhǔn)點(diǎn)合成三維圖20第二十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日2、結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與三維形態(tài)重構(gòu)邊坡巖體中節(jié)理分布情況第一組節(jié)理參數(shù)統(tǒng)計(jì)

第二組節(jié)理參數(shù)統(tǒng)計(jì)

兩組節(jié)理赤平極射投影

21第二十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日2、結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與三維形態(tài)重構(gòu)第一組結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)(部分)第二組結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)(部分)22第二十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日第一組第二組跡長(zhǎng)(負(fù)指數(shù))傾向(正態(tài))傾角(對(duì)數(shù)正態(tài))跡長(zhǎng)(對(duì)數(shù)正態(tài))傾向(正態(tài))傾角(正態(tài))2、結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與三維形態(tài)重構(gòu)23第二十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日2、結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與三維形態(tài)重構(gòu)組別結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)特征值傾向（°）傾角（°）跡長(zhǎng)（m）間距（m）斷距（m）分布率均值標(biāo)準(zhǔn)差分布率均值標(biāo)準(zhǔn)差分布率均值標(biāo)準(zhǔn)差分布率均值標(biāo)準(zhǔn)差分布率均值標(biāo)準(zhǔn)差1正態(tài)256.385.3對(duì)數(shù)正態(tài)26.615.3負(fù)指數(shù)0.480.31負(fù)指數(shù)0.640.75均勻0.460.202正態(tài)19778.1正態(tài)62.517.2對(duì)數(shù)正態(tài)0.490.36負(fù)指數(shù)1.561.5均勻0.710.32結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)概率模型24第二十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日2、結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與三維形態(tài)重構(gòu)一組結(jié)構(gòu)面的間距s和斷距d的確定

25第二十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日2、結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與三維形態(tài)重構(gòu)三維形態(tài)重構(gòu)在3GSM三維巖體不接觸測(cè)量數(shù)字圖像系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)空間分布不同級(jí)別結(jié)構(gòu)面的進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，實(shí)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)空間分布的數(shù)字表征，利用可視化編程平臺(tái)VisualC++和AUTOCAD08系統(tǒng)開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)面空間展布可視化三維模型（AUTOCAD格式），得到不同級(jí)別、組別結(jié)構(gòu)面幾何形態(tài)參數(shù)。

26第二十六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

(a)隧道圍巖斷面1圖像

(b)斷面1節(jié)理分布

(c)多斷面組合形成三維節(jié)理展布

斷面1

斷面2

斷面3

模型重構(gòu)

節(jié)理單元

密集節(jié)理構(gòu)成等效實(shí)體單元

圍巖圖片

節(jié)理識(shí)別

大比例節(jié)理

小比例節(jié)理

27第二十七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日2、結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與三維形態(tài)重構(gòu)生成的10×10×10m3三維裂隙內(nèi)部分布

生成的10×10×10m3裂隙網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于統(tǒng)計(jì)型節(jié)理，假定節(jié)理面形狀為圓盤(pán)狀，即Baecher圓盤(pán)模型，利用Mont-Carlo方法重構(gòu)三維裂隙網(wǎng)絡(luò)28第二十八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日2、結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與三維形態(tài)重構(gòu)ABA-A剖面B-B剖面29第二十九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日2、結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與三維形態(tài)重構(gòu)30第三十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日3、巖體力學(xué)、水力學(xué)參數(shù)表征巖體力學(xué)參數(shù)表征現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)法：獲得參數(shù)最為準(zhǔn)確，但時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高等效折減法：對(duì)于工程巖體參數(shù)表征和力學(xué)分析計(jì)算，一般基于傳統(tǒng)的測(cè)線(xiàn)法采集巖體結(jié)構(gòu)面信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行巖體參數(shù)的等效折減：采用巖體完整性系數(shù)修正法、費(fèi)先科方法、Gergi方法、分形維理論、蒙特卡洛方法等統(tǒng)計(jì)方法并結(jié)合RMR系統(tǒng)、Q系統(tǒng)和Hoek-Brown系統(tǒng)，同時(shí)參考室內(nèi)巖塊強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)確定巖體強(qiáng)度指標(biāo)。31第三十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日3、巖體力學(xué)、水力學(xué)參數(shù)表征巖體力學(xué)參數(shù)表征基于幾何損傷力學(xué)理論確定巖體的初始損傷張量，由此確定巖體初始彈性模量基于Hoek-Brown公式的m，s參數(shù)（反映巖體軟硬程度和結(jié)構(gòu)面分布密度）和GSI（地質(zhì)體強(qiáng)度指數(shù)），結(jié)合詳實(shí)的巖體結(jié)構(gòu)測(cè)量信息，定量估計(jì)巖體強(qiáng)度對(duì)于Ⅳ結(jié)構(gòu)面（原生統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)面）和Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面（開(kāi)挖擾動(dòng)次生結(jié)構(gòu)面），其平均間距小于研究區(qū)域模型邊界尺寸的1/20時(shí)，按照等效連續(xù)介質(zhì)考慮：32第三十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日巖體初始彈性模量由幾何損傷張量理論，含節(jié)理巖體的初始損傷由下式計(jì)算：式中，l——節(jié)理面最小間距；

V——研究的含節(jié)理巖體體積；

N——節(jié)理的數(shù)量；

ak——第K條節(jié)理的面積；

nk——第K條節(jié)理的法矢量；通過(guò)上式計(jì)算三維條件下裂隙巖體損傷張量，根據(jù)式Em=（I-D）Er式中：Em——巖體初始彈性模量；

Er——巖塊彈性模量。33第三十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日巖體強(qiáng)度定量估算推廣后的Hoek-Brown準(zhǔn)則為：式中：——巖體破壞時(shí)的最大主應(yīng)力

——巖體破壞時(shí)的最小主應(yīng)力；

——組成巖體完整巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度；

——巖體的Hoek-Brown常量；

——組成巖體的完整巖塊的Hoek-Brown常數(shù)。34第三十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)于GSI>25的巖體：對(duì)于GSI<25的巖體：GSI為巖體的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)。巖體強(qiáng)度定量估算35第三十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日巖體強(qiáng)度定量估算表1由巖石類(lèi)型所決定的Hoek-Brown常量mI表2巖體結(jié)構(gòu)特征定量描述的Jv表示36第三十六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日37第三十七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日巖體滲透系數(shù)確定現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法單孔壓水試驗(yàn)、三段壓水試驗(yàn)、修正滲透張量壓水試驗(yàn)、三孔交叉壓水試驗(yàn)

由于裂隙巖體滲透性的離散程度大，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法的結(jié)果具有尺寸效應(yīng)單孔壓水試驗(yàn)得出的滲透系數(shù)是無(wú)方向性的標(biāo)量，其理論基礎(chǔ)是各向同性的孔隙介質(zhì)，故所得K值不能反映裂隙巖體滲透性的非均勻性和各向異性三段壓水試驗(yàn)、修正滲透張量的壓水試驗(yàn)等方法，試驗(yàn)成本較高且均具有自身的局限性應(yīng)用廣泛的是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法和裂隙樣本法38第三十八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日巖體滲透系數(shù)確定裂隙樣本法現(xiàn)場(chǎng)收集和統(tǒng)計(jì)研究巖區(qū)的裂隙網(wǎng)絡(luò)的傾向、傾角、開(kāi)度、分布、粗糙度、連通度等，然后依據(jù)單裂隙滲流理論和張量分析方法獲得裂隙網(wǎng)絡(luò)的滲透系數(shù)及主滲透方向等

裂隙樣本法在理論上己比較完善，不足之處是由于裂隙的隙寬、隙壁粗糙度、填充物以及連通度難以準(zhǔn)確測(cè)量而未能考慮這些因素的影響兩者相結(jié)合，采用裂隙樣本法確定巖體的滲透張量，并輔以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，既能較好反映原位地質(zhì)環(huán)境裂隙巖體滲透性又能消除壓水試驗(yàn)尺寸效應(yīng)，克服單孔壓水試驗(yàn)不能反映滲透各向異性的不足該技術(shù)途徑不但適合工程巖體宏觀滲流分析的特點(diǎn)，而且能夠較為深刻地認(rèn)識(shí)裂隙滲流的本質(zhì)。

39第三十九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日裂隙樣本法確定滲透張量滲流區(qū)域裂隙網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖所示，二維滲流區(qū)域MN和M‘N’為定水頭邊界，MM‘和NN’為零流量邊界，由下式得其裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流數(shù)學(xué)模型為式中，未知量為內(nèi)節(jié)點(diǎn)和零流量邊界節(jié)點(diǎn)的水頭H；方程式中q包含有H項(xiàng)，其中第j線(xiàn)元的流量由單一裂隙滲流公式求得：MN，M'N'之間的等效滲透系數(shù)為：40第四十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日裂隙樣本法確定滲透張量對(duì)每隔15度方向的單元網(wǎng)絡(luò)施加上圖所示的水頭邊界條件，并用流量等效原則計(jì)算出水流流入（或流出）研究區(qū)域內(nèi)的流量，由式可得網(wǎng)絡(luò)整體的滲透系數(shù)。據(jù)對(duì)稱(chēng)性，一般選取6個(gè)方向的研究網(wǎng)絡(luò)，可得不同方向的滲透系數(shù)，進(jìn)而求出網(wǎng)絡(luò)單元的滲透張量。完整裂隙網(wǎng)絡(luò)連通裂隙網(wǎng)絡(luò)滲透系數(shù)張量圖41第四十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日范各莊應(yīng)用實(shí)例

開(kāi)灤范各莊煤礦是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、施工的一座大型現(xiàn)代化礦井，礦區(qū)的水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜。含煤地層屬石炭二疊系，主要可采煤層為下二疊統(tǒng)大苗莊組的5煤層、7煤層、9煤層和上石炭統(tǒng)的趙各莊組12煤層。其中12煤層位于本區(qū)煤系地層的下部，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的厚煤層，煤層厚度1.05~8.32m，平均厚度為3.54m，在煤炭開(kāi)采過(guò)程中底板砂巖破壞誘發(fā)突水事故頻繁。根據(jù)開(kāi)灤范各莊煤礦的復(fù)雜地質(zhì)條件，12煤底板含水砂巖層內(nèi)含有平均壓力為2MPa的承壓水，精確查明該巖體的力學(xué)、水力學(xué)參數(shù)對(duì)于分析底板含水砂巖層破斷突水機(jī)理具有重要的科學(xué)意義。范各莊煤礦砂巖巖體條件42第四十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日巖體結(jié)構(gòu)測(cè)量

本次采用3GSM設(shè)備于08年10月7日在-530m水平12煤底板砂巖巷道中進(jìn)行。左視圖右視圖43第四十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日系統(tǒng)根據(jù)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)合成得到掌子面三維表面圖

1組節(jié)理2組節(jié)理在合成的三維圖上，根據(jù)主要的節(jié)理裂隙的分布情況，對(duì)其進(jìn)行分組，不同顏色代表不同的組，主要的裂隙分布有兩組，即右圖中的黃色組和紅色組。巖體結(jié)構(gòu)測(cè)量44第四十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日組別結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)特征值傾向（°）傾角（°）跡長(zhǎng)（m）間距（m）斷距（m）分布率均值標(biāo)準(zhǔn)差分布率均值標(biāo)準(zhǔn)差分布率均值標(biāo)準(zhǔn)差分布率均值標(biāo)準(zhǔn)差分布率均值標(biāo)準(zhǔn)差1294.543.76016.31.290.790.520.170.520.22266.918.3均勻57.111.90.750.49正態(tài)0.370.140.760.35傾伏角概率模型統(tǒng)計(jì)表組別分布率均值標(biāo)準(zhǔn)差1負(fù)指數(shù)4829.72正態(tài)1336.2節(jié)理面概率模型統(tǒng)計(jì)45第四十五頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

評(píng)價(jià)范各莊煤礦12煤底板突水危險(xiǎn)性，需要分析砂巖巖體下部奧陶系灰?guī)r層中承壓水沿砂巖巖體垂直方向的裂隙向上滲透，計(jì)算砂巖巖體垂直方向的滲透系數(shù)十分關(guān)鍵。所以，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，建立砂巖巖體垂直方向二維X-Z方向裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，開(kāi)展X-Z方向滲透張量分析研究。模擬生成裂隙網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域?yàn)?6m×16m選取測(cè)定滲透張量的區(qū)域邊長(zhǎng)分別為

3m、5m、8m、9m、10m固定區(qū)域的中心點(diǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)矩形，每隔15°計(jì)算一次裂隙網(wǎng)絡(luò)的滲透系數(shù)，最終求得的滲透張量范各莊砂巖裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬及滲透張量分析46第四十六頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日范各莊砂巖裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬及滲透張量分析∠0°∠0°∠45°∠45°完整裂隙網(wǎng)絡(luò)連通裂隙網(wǎng)絡(luò)47第四十七頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日

滲透張量（×10-6m/s）

右圖直觀地反映出網(wǎng)絡(luò)滲透特性受控于結(jié)構(gòu)面幾何分布規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明，隨著研究域的增大，滲透系數(shù)主值逐漸減小，當(dāng)研究區(qū)域?yàn)?m左右時(shí)，滲透張量的主值已很接近，9m與10m計(jì)算的各方向的滲透系數(shù)的最大誤差為5.79%?？梢?jiàn)，10m×10m可作為滲透張量的表征單元體，得到的最大滲透系數(shù)Kmax=1.42×10-6m/s，最小滲透系數(shù)Kmin=6.67×10-7m/s，方向角為45°，Kmax/Kmin=2.13。不同尺度時(shí)的裂隙滲透系數(shù)主值研究區(qū)域3m5m8m9m10m滲透系數(shù)主值（×10-6m/s）最大1.921.791.511.461.42最小0.9820.8040.8020.7060.667范各莊砂巖裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬及滲透張量分析48第四十八頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)用Hoek-Brown準(zhǔn)則估計(jì)節(jié)理化巖體強(qiáng)度指標(biāo)與力學(xué)參數(shù)時(shí)，需用3個(gè)基本參數(shù)(1)組成巖體的完整巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度σc

；(2)組成巖體的完整巖塊的Hoek-Brown常數(shù)m1（查表）(3)巖體的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI（查表）范各莊煤礦砂巖節(jié)理化巖體強(qiáng)度計(jì)算49第四十九頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日完整巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度=175MPa，掌子面面積6.2m2；節(jié)理?xiàng)l數(shù)：22；Jv=4，GSI=60，砂巖m1=19由得mb=4.553摩擦角 φ＝40.195；內(nèi)聚力 c=10.148MPa巖體的單軸抗拉強(qiáng)度σtm=-0.451MPa節(jié)理化巖體抗壓強(qiáng)度σcm=43.717MPa范各莊煤礦砂巖節(jié)理化巖體強(qiáng)度計(jì)算最終求得：50第五十頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日滲流場(chǎng)計(jì)算煤層底板上覆巖層載荷6MPa整個(gè)模型由泥巖、12煤、隔水泥巖層、含水砂巖層、奧陶系灰?guī)r層組成。

51第五十一頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日滲流場(chǎng)計(jì)算52第五十二頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日滲流場(chǎng)計(jì)算θ=0°水壓力和速度場(chǎng)矢量θ=18°水壓力和速度場(chǎng)矢量53第五十三頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日滲流場(chǎng)計(jì)算θ=90°水壓力和速度場(chǎng)矢量θ=144°水壓力和速度場(chǎng)矢量54第五十四頁(yè)，共七十一頁(yè)，2022年，8月28日5、前景與展望巖體參數(shù)和數(shù)值計(jì)算的可靠性取決于對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面測(cè)量和表征