煤炭科学技术

作者：郎丁, 张子鑫, 伍永平, 余洋, 余建东, 武小博, 张耀,

关键词：CT扫描, 阈值分割, 裂隙几何统计, 主控裂隙尺度, 随机节理网络模型,

煤岩体中不同尺度层级的节理交错，分布规律迥异，对其变形破坏特征有重要影响。筛选对煤岩力学行为起主控作用的裂隙尺度层级并在该尺度基础上进行随机节理网络模型（Discrete Fracture Network，DFN）构建，在保证数值计算准确性的同时降低冗余裂隙尺度对模型构建及计算机算力的影响，可为提升岩石力学数值计算效能提供新的途径。基于CT扫描与图像处理技术，提取煤样三维裂隙结构及其几何特征参数，嵌入RFPA3D-CT进行单轴加载数值分析并与试件的单轴压缩试验结果进行比对，确定了煤样数值模型的细观力学参数，进一步逐级筛选出对煤样力学行为起主要控制作用的裂隙尺度层级。在此基础上，运用Baecher模型和Monte-Carlo随机模拟理论，依据主控裂隙的几何分布特征构建等效DFN模型，并通过数值模拟计算对模型的有效性进行验证。研究结果表明：研究煤体试件样本的主控裂隙尺度（迹长）不小于14 mm，对该尺度以上的裂隙与对该尺度及以上裂隙进行删减的模型相较，破坏形态由“2”型转为斜“1”型，破坏峰值强度升高了61.79%，该尺度以上裂隙的存在与否对试件模型的数值计算结果起到决定性的控制作用。基于试件的主控裂隙尺度构建了等效DFN模型，其节理几何特征与基于CT扫描的真实裂隙各项几何特征参数基本一致，其平均误差为5.16%，等效DFN模型在单轴加载作用下表现出的力学性质与CT扫描后6组全裂隙模型相对吻合，两者峰值强度平均误差为13.41%，破坏计算时步的计算效率提升了14.59%。

来源：2025年第3期

《煤炭科学技术》期刊编辑部

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