項目名稱：    破斷巖體表面形貌與力學行為研究

推薦單位：    教育部

項目簡介：    本項目屬于礦產(chǎn)資源開采與巖體力學的交叉領(lǐng)域。長期以來我國煤礦百萬噸死亡率是發(fā)達國家的數(shù)十倍，煤礦安全和災害已成為社會熱點。其原因是礦產(chǎn)資源是在采動引起的破斷巖體下進行作業(yè)，因此破斷后巖體描述分析、破斷巖體強度、變形和穩(wěn)定性的系統(tǒng)基礎(chǔ)性研究至關(guān)重要，而現(xiàn)有巖石力學理論在連續(xù)介質(zhì)框架下無法對破斷巖體、破碎塊度等進行描述和分析，使得該領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究長期以來無重大進展和突破。本項目十幾年來重點研究資源開采涉及的斷層、節(jié)理、煤巖破碎、塊度描述與力學行為等廣泛關(guān)注的非連續(xù)介質(zhì)難題，突破了傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學理論的制約和不適應性，取得了一系列特色鮮明的原創(chuàng)性成果。

主要內(nèi)容包括：(1) 提出和建立了破斷巖體斷裂表面形貌描述新模型和直接測量方法，揭示了表面形貌的各向異性和多重分形性質(zhì)；(2) 發(fā)展了多元分形插值理論，形成了利用局部少量信息生成全局精細斷層節(jié)理表面形貌新方法；(3) 深刻揭示了斷層節(jié)理力學行為與表面形貌間的定量關(guān)系；(4) 提出了煤巖體破碎分形模型，建立了破斷巖體分形統(tǒng)計強度理論。

項目的科學價值在于：(1) 為資源開采新理論奠定了重要基礎(chǔ)。項目針對資源開采中的關(guān)鍵科學問題進行了系統(tǒng)研究，實現(xiàn)了理論和方法上的突破，解決了資源開采的基礎(chǔ)和共性問題，研究成果具有前瞻性和創(chuàng)新性；(2) 創(chuàng)立了新的學科方向。開創(chuàng)了巖體力學非連續(xù)介質(zhì)問題研究的新思想和新方法，形成了"破斷巖體表面形貌與力學行為分形研究"的新領(lǐng)域，推動了采礦科學由定性到定量分析的轉(zhuǎn)變，使我國在該領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。

本項目獲中國高校自然科學一等獎(2001)，共出版專著3部，發(fā)表論文70篇，被SCI收錄26篇、EI收錄33篇，1996年以來，被SCI引用364次，其中他引201次，10篇代表性論著被SCI他引用62次，CSCD引用503次。部分理論成果應用于工程實際，產(chǎn)生了顯著經(jīng)濟與社會效益。

主要發(fā)現(xiàn)點：  本項目經(jīng)過10余年的系統(tǒng)研究，開拓出"破斷巖體表面形貌與力學行為分形研究"的新領(lǐng)域，并在破斷巖體表面形貌定量描述、破斷巖體強度及煤巖體破碎理論預測與控制等巖體力學最核心的科學問題上取得了突破性和原創(chuàng)性成果，使我國在該領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。主要發(fā)現(xiàn)點如下：

(1) 破斷巖體表面形貌直接影響其力學行為和穩(wěn)定性，而二維斷裂表面形貌真實的描述和分析是一直未予解決的世界性難題。本項目提出和建立了巖體斷裂表面形貌的客觀描述模型，首創(chuàng)了直接量測法-投影覆蓋法(Projective Covering Method，簡稱PCM法)，該方法是一種真正意義下的二維分形量測方法，使得估算的分形維數(shù)Ds∈[2,3)，并且從理論上證明了這種分形測量方法對斷裂表面粗糙度定量描述的合理性與正確性。PCM法解決了長期困擾的直接測定斷裂表面分維的關(guān)鍵性理論與技術(shù)難題，成為當前國際上最佳的二維粗糙表面分形測量的直接測量方法。在此基礎(chǔ)上，又進一步提出了一種新的斷裂表面直接分形測量方法-立方體覆蓋法(CCM法)，該方法具有直接覆蓋法的優(yōu)點，計算結(jié)果更加合理。并提出了描述斷裂表面形貌各向異性的功率譜指數(shù)，成功地通過單參數(shù)描述了斷裂表面的各向異性特性(礦產(chǎn)資源開采學，見代表性論文[2], [3], [4], [5])。

(2) 采礦、巖土等眾多實際工程中往往只能獲得斷層表面信息的有限樣本和局部樣本，而大型工程計算則需提供全局信息，針對這一問題，課題組研究了矩形區(qū)域上根據(jù)局部信息獲得全局信息、通過間斷信息獲取連續(xù)信息的二元分形插值方法，并證明了分形插值的穩(wěn)定性和維數(shù)定理，進行了插值精度分析，形成了利用局部樣本生成斷層、節(jié)理表面形貌的方法。該工作對于根據(jù)少量數(shù)據(jù)研究、模擬和直觀顯示復雜幾何形態(tài)如地形地貌、斷層表面和材料斷裂表面都具有重要意義(礦產(chǎn)資源開采學，見代表性論文[6], [7])。

(3) 實驗研究了粗糙節(jié)理引起的應力場奇異性問題，建立了節(jié)理面抗剪強度、剪切變形與粗糙度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)巖石斷裂表面分形維數(shù)與巖石抗拉強度成反比，且?guī)r石拉、剪和壓剪復合斷裂面的多重分形譜在形狀和值域上均有所不同，反映出巖體特有的斷裂機制。進一步揭示了巖體斷層滑移變形、沉陷量與節(jié)理空間分布和粗糙度間的關(guān)系與演化規(guī)律，為科學地預測巖體開挖產(chǎn)生的不連續(xù)變形和地表移動提供了理論基礎(chǔ)(礦產(chǎn)資源開采學，見代表性論文[1], [8], [9])。

(4) 建立了煤巖體破碎的隨機分形模型，指出并證明了塊度分維可以作為評價煤巖體破碎效果的定量指標，詳細研究了爆炸載荷下煤巖體破碎塊度的分布規(guī)律和分形特征。根據(jù)分形和能量耗散理論，建立了煤巖體破碎塊度分維與能耗之間定量關(guān)系，提出了煤巖體爆破塊度控制的分形方法。得到了破斷巖體強度與缺陷分布之間的關(guān)系，推導出反映巖體細觀結(jié)構(gòu)缺陷的巖體分形統(tǒng)計強度統(tǒng)一表達式，建立起巖體強度與內(nèi)部缺陷演化之間的定量關(guān)系(礦產(chǎn)資源開采學，見代表性論文[1], [10])。

主要完成人：  1.   謝和平

項目負責人，開創(chuàng)了"破斷巖體表面形貌和力學行為的分形研究"新領(lǐng)域。引入分形方法研究了破斷巖體不連續(xù)力學行為，首創(chuàng)斷裂表面分形性的直接量測法-PCM法；證明了分形插值穩(wěn)定性,提出利用局部信息來模擬斷裂表面的新方法。建立了節(jié)理抗剪強度、剪切變形與節(jié)理粗糙度的相互關(guān)系，定量描述了地下開采導致的地表不連續(xù)變形和沉陷。提出了煤巖體破碎分形模型，建立了煤巖體破碎塊度與耗散能之間的關(guān)系,為煤巖體爆破破碎塊度控制提供了理論基礎(chǔ)。在應用項目理論成果解決開采沉陷等礦山工程問題方面做出了重要貢獻。本人投入該研究的工作量占本人工作量的55%，在主要發(fā)現(xiàn)點(1)、(2)、(3)、(4)作出貢獻。

2.   周宏偉

總結(jié)了斷裂表面形貌描述的研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)測試了巖體斷裂表面形貌，獲得了大量數(shù)據(jù)。并在斷裂表面投影覆蓋法的基礎(chǔ)上，提出了斷裂表面分維計算的立方體覆蓋法(CCM法)，研究了斷裂表面形貌的各向異性特征，提出了表征各向異性的指標參數(shù)。本人投入該研究的工作量占本人工作量的70%，在主要發(fā)現(xiàn)點(1)、(3)、(4)作出貢獻。

3.   鞠楊

參與完成了大尺度激光表面儀的研制，制作了一系列巖體粗糙度樣本，系統(tǒng)研究了分形插值的穩(wěn)定性理論與維數(shù)定理，參與提出了煤巖體破碎模型。本人投入該研究的工作量占本人工作量的65%，在主要發(fā)現(xiàn)點(2)、(4)作出貢獻。

4.   王金安

對巖石斷裂表面進行了激光測量研究和分形描述；參加了巖石斷裂表面投影覆蓋法(PCM)研究；分析了巖石斷裂表面各向異性分形、多重分形和分形測量的尺度效應；分析研究巖石斷裂表面分形參數(shù)與幾何特征的關(guān)系；對真實巖石節(jié)理的抗剪強度及力學行為進行了實驗研究，建立了巖石節(jié)理粗糙表面壓剪接觸力學模型和表面損傷分形演化方程。本人投入該研究的工作量占本人工作量的55%，在主要發(fā)現(xiàn)點(1)、(3)作出貢獻。

5.   高峰

提出了巖體中裂隙分布的分形模型，推導了裂隙巖體強度的統(tǒng)一表達式。探討了裂隙巖體強度的離散性和體積效應的本質(zhì)特征，進一步完善了巖體分形統(tǒng)計強度的理論體系。本人投入該研究的工作量占本人工作量的60%，在主要發(fā)現(xiàn)點(3)、(4)作出貢獻。

10篇代表性論文：  1.   分形-巖石力學導論 /北京：科學出版社 (1997年1月第一次印刷，印數(shù)1-1300；2005年1月第二次印刷，印數(shù)1301-2600)

2.   Direct fractal measurement and multifractal properties of fracture surface/ Physics Letters A

3.   Multifractal characterization of rock fracture surfaces/ International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences

4.   Direct estimation of the fractal dimensions of a fracture surface of rock/ Surface Review and Letters

5.   Direct fractal measurement of fracture surfaces/ International Journal of Solids and Structures

6.   The study on bivariate fractal interpolation functions and creation of fractal interpolated surface/ Fractals

7.   Study on generation of rock fracture surfaces by using fractal interpolation/ International Journal of Solids and Structures

8.   Fractal effect of surface roughness on the mechanical behavior of rock joints/ Chaos, Solitons & Fractals

9.   Photoelastic study of the contact mechanics of fractal joints/ International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences

10.  The mechanics of cracks and a statistical strength theory for rocks/ International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences