基于分形理论的上覆煤岩裂隙发育规律研究

为研究近距离保护层开采上覆煤岩裂隙发育规律，以熊家湾煤矿C8和C9煤层为工程研究背景，基于分形理论和数值模拟技术分析近距离保护层开采上覆煤岩时裂隙发育和应力变化等特征。研究表明：C9保护层开采后，裂隙网络分形维数整体呈下降—上升—稳定趋势，表征上覆煤岩裂隙发育分为新生裂隙发育到顶板垮落压实、顶板垮落压实到压实裂隙发育和压实裂隙发育到整体稳定3个阶段；随着工作面推进，上覆煤岩的应力与裂隙网络分形维数变化整体相似，可用裂隙网络分形维数表征应力变化趋势；结合“三带”经验计算公式和数值模拟结果，得出裂隙发育高度为20 m左右，高于煤层间距，C8煤层裂隙发育。相关研究结果可为黔西地区相似地质条件上覆煤岩裂隙发育规律研究提供参考。     

基于混沌-分形理论的煤矿采动裂隙发育规律研究

以贵州某矿为研究对象,用混沌-分形理论对该矿裂隙规律进行分析研究。从能量的角度解释首先产生的是横向离层裂隙。从下层岩层到上层岩层,裂隙数量减少,两邻边呈锐角发育。最后对裂隙进行分形计算,运用数学拟合裂隙数与推进距离的关系得出纵截面岩体裂隙分形维数值在0~2变化,基于分形维数对煤与瓦斯突出机理进行分析,预测出当纵截面岩体裂隙分形维数无限趋近于2时,易产生煤与瓦斯突出。     

水力压裂煤裂隙网络表征与造缝性能评估试验研究

煤裂隙网络的准确表征可以有效评估深部煤层经水力压裂后的压裂效果，为了定量评估煤层经水力压裂后的复杂程度，利用自制的真三轴试验系统进行了煤的水力压裂试验，结合CT扫描，重建了具有拓扑结构的孔裂隙网络，用分形理论和拓扑学定量表征了断裂网络的复杂程度。探究了在真三轴应力条件下，中间主应力对裂缝网络复杂程度的影响。结果表明：压裂后煤样的二维分形维数变化率K为1.03%～7.10%，三维分形维数的变化率为3.50%～9.18%，经过水力压裂后煤样的二维和三维分形维数均显著增大。基于分形理论和拓扑学的方法能有效表征水力压裂的裂缝结构和造缝能力。压裂后煤样的二维拓扑参数为1.18～1.52，与压裂前后煤样的二维分形维数变化率呈正相关关系，二维分形维数变化率的增加速率随着拓扑参数的增大逐渐减小。重构的内部结构和裂缝分布表明，压裂后的三维分形维数比二维分形维数更具优势，压裂后煤样的三维拓扑参数为1.82～1.93，随着三维分形维数变化率的增加而增大，三维分形维数变化率的增加速率随着拓扑参数的增大而增大。中间主应力对煤层的造缝能力存在积极影响。水力压裂前后的分形维数和拓扑参数都随着中间主应力的增大而增大，...     

采动岩体裂隙分形特征的实验研究

利用相似材料模拟实验模拟采动岩体裂隙的形成过程和分布状态，运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体裂隙的分形特征。实验结果表明：当采掘工作结束且岩移基本稳定之后，采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体的分形维数分别为1．17、1．06和0．98，冒落带分形维数是裂隙带的1．1倍，裂隙带分形维数是弯沉带的1．08倍。     

煤体瓦斯愈渗机理与研究方法

以物理学单纯孔隙介质的愈渗概念与方法为基础，提出了孔隙、裂隙介质愈渗研究方法，针对煤体中瓦斯赋存与渗流问题，在二维情况下，通过数值试验研究揭示了连通团个数、最大连通团孔隙比随孔隙率和裂隙分形维数的变化规律．结果表明，在裂隙数量分布初值n0=1的标准情况下，随着裂隙数量、分形维数增加，连通团个数对应的孔隙率点由30％逐渐降低到20％左右；当孔隙率高于35％时，裂隙数量分形维数高于1．45以后，最大连通团孔隙比增加较快，低于此值时，所有连通团包含的孔隙数均极小，这就是煤体低渗透的本质．     

采动岩体裂隙分形特征的实验研究

利用相似材料模拟实验模拟采动岩体裂隙的形成过程和分布状态 ,运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体裂隙的分形特征。实验结果表明 :当采掘工作结束且岩移基本稳定之后 ,采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体的分形维数分别为 1.17、1.0 6和 0 .98,冒落带分形维数是裂隙带的 1.1倍 ,裂隙带分形维数是弯沉带的 1.0 8倍     

单裂隙结构特征对煤岩体内瓦斯流动特性的影响

为探究单裂隙粗糙度、开度等结构特征对煤岩体内瓦斯流动特性的影响,基于Weierstrass-Mandelbort分形函数生成不同粗糙度的裂隙轮廓曲线,构建含不同分形维数和裂隙开度的二维裂隙煤岩体模型。运用Fluent软件模拟分析裂隙分形维数、开度对裂隙内部及周边煤岩基质内瓦斯流动特性的影响,建立了可定量刻画裂隙结构特征对煤岩体相对渗流能力具有影响的流量系数双参数模型。结果表明：随着裂隙分形维数减小,裂隙开度增大,煤岩体渗流能力逐渐增强,且裂隙导流能力在煤岩体渗流过程中逐渐占优,流量占比最高达81%。随着分形维数增大,裂隙内瓦斯流动非线性强度系数呈指数型增大,影响裂隙内瓦斯流动非线性强度系数的主控因素逐渐由裂隙开度转变为分形维数,同时在煤岩基质靠近裂隙轮廓曲线离散程度较大的位置处,存在局部渗流速度增大的现象。当裂隙开度增大至1.5 mm后,裂隙分形维数对流量系数的影响起主导作用,反之,裂隙开度起主导作用。提出了流量系数与分形维数、裂隙开度的经验关系式。     

裂隙岩样端面的分形维数计算

为了定量描述试样端面裂隙的发育程度,基于网格盒子法,计算得出了试样端面裂隙的分形维数,并使用MTS815岩石多功能试验机测试裂隙岩样的渗透系数,通过试样的分形维数及试验测试结果对比发现:试样裂隙越发育,计算出的分形维数越大,且通过试验测试的渗透系数也越大;同时,试样受荷载循环加载次数的增大,分形维数对试样的渗透系数影响越小。     

薄基岩煤层覆岩裂隙演化的分形特征研究

为研究特厚松散层薄基岩煤层上覆岩层在采动影响下裂隙的发育演化规律,结合赵固一矿11011工作面地质条件和开采技术条件,采用相似材料模拟试验模拟了覆岩裂隙演化的全过程,并利用分形几何理论研究了裂隙网络分形维数与工作面推进度、矿山压力、覆岩下沉、上三带之间的关系。研究结果表明:采动所形成的裂隙网络可以较好的表征岩体的结构特征;裂隙的形成、发育、扩展、分布具有较好的自相似性和分形特征,可以用分形维数描述裂隙网络的二维空间特征;裂隙网络分形维数随着开采宽度的增加而增加,但增加趋势逐渐减缓;分形维数与矿山压力、覆岩下沉之间呈非线性关系;分形维数可以较好的表征上三带裂隙发育特征.     

浅埋煤层覆岩裂隙分形特征实验研究

为了得到浅埋煤层覆岩裂隙发育的分形特征，以神东天隆集团霍络湾煤矿为工程背景，利用相似理论进行相似模拟实验，通过相似模拟实验研究了浅埋煤层覆岩裂隙发育规律并基于分形几何理论研究了分形维数随开采推进度的演化特征，得出浅埋煤层的才采动裂隙网络的演化规律。结果表明：工作面周期来压步距为9-15m，其采动裂隙网络具有良好的自相似性（R＞0.98），裂隙网络的分形维数随开采推进度的增加具有明显的变化规律，其变化趋势分为三个阶段：升维阶段，降维阶段及稳定变维阶段。     

采动岩体裂隙分维演化规律分析

采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统研究了具有初始裂隙的采动岩体裂隙演化过程和破坏模式,利用数值试验成果基于分形几何理论分析了采动岩体裂隙分形维数随开采宽度、初始损伤量的演化特征,揭示了采动岩体裂隙分维演化规律.分析证明,与采动岩体裂隙分布的分形维数存在明确对应关系的应为初始损伤量,而不是初始裂隙倾角,不同的初始损伤量对应不同的分形维数,在开采末期,采动岩体裂隙分维随初始损伤的增加而呈线性增加,回采结束时,初始损伤量越大,采动岩体裂隙分布的分形维数越大.研究结果为进一步探索裂隙随机分布时采动岩体分维演化规律提供参考依据.     

采动裂隙动态演化定量分析及其应用研究

合理定量分析覆岩裂隙动态演化特征对于采动损伤评价尤为关键。以任家庄煤矿110903工作面为工程背景，运用相似材料模拟试验，计算不同开采进尺下的裂隙分形维数，分析覆岩裂隙数量、倾角、长度、宽度等参量，定量研究了覆岩裂隙发育扩展情况，并通过同等试验条件对比分析了冒落区充填前后裂隙发育特征。研究结果表明：随着2层关键层的破断，覆岩裂隙分形维数呈现上升—稳定—上升趋势，分形维数变化与压力峰值变化一致，可反映出覆岩运移及压力显现变化规律；依据裂隙演化情况可将采场覆岩裂隙划分为离层区裂隙，压实区裂隙，垮落带裂隙，左、右侧竖向破断裂隙，离层Ⅱ区裂隙等，其中，竖向破断区裂隙倾角分布为0°～90°;垮落带裂隙复杂，裂隙倾角分布为0°～360°,裂隙贯通性好；离层区裂隙倾角近水平，裂隙贯通性较差；通过对比试验展现未充填和充填裂隙扩展规律，表明开采过程中及时在垮落带充填能有效控制覆岩裂隙发育。     

放顶煤开采巷道裂隙的分形研究

针对放顶煤开采工程尺度下巷道裂隙分布，利用测度法量测裂的间距和长度，结果表明：巷道裂隙的间距和长 布都符合分形规律，两的分维数并不相互独立，具有很强的相关性，它不仅可作为裂隙数量分布的定量指标。     

裂隙岩体结构面模拟技术研究

考虑了岩体裂隙表面的粗糙性、空间形态的复杂性和网络分布的随机性,根据分析对象的特点,利用概型分布法模拟单裂隙开度分布,分形几何理论模拟空间裂隙面形态及其开度分布,Monte-Carlo方法模拟二维裂隙网络并计算分维数,分形几何理论结合二维裂隙网络和三维裂隙面网络分形参数的关系,来模拟三维裂隙面网络,为裂隙岩体结构面的模拟起到引导作用。     

岩体质量的分形表征

岩体质量指标(RQD)是工程岩体性态评价的重要参考数之一。RQD为裂隙组数、裂隙数目、方位、间距及取样方向的函数。本文基于裂隙方位、间距、长度分布的随机模型,采用计算机模拟技术,获得任一实际工程方向上的裂隙网络形式,进而根据裂隙间距以及受裂隙定界的块体的统计自相似性,引入分形理论,分别建立RQD与分维D相关的实验模型。     

煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系,采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论,考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理,建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型,通过试验验证其合理性,对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明:①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙,其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好,具有2条清晰的宽度较大的裂隙,并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育,煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征,且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下,煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势,受孔裂隙结构影响,在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大,有助于瓦斯运移,渗透率呈上升趋势;④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高,与前人研究成果相比,无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用,且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。     

构造煤裂隙及渗流孔隙分形特征研究

构造煤的孔裂隙系统对煤层气吸附、运移以及瓦斯突出均具有控制作用,选取淮北朱仙庄矿12块不同变形类型构造煤进行显微镜观测和压汞测试,并利用分形方法对样品裂隙系统、渗流孔孔隙系统及二者的关联性进行研究,结果表明:样品显微裂隙信息维数分布于1.2~1.9,孔隙分形维数分布于2.6~3.0;随着煤体变形程度增强,显微裂隙分形维数Dl线性增大,渗流孔隙分形维数Dk在脆性变形阶段变化不大,脆-韧性和韧性变形阶段呈线性减小。Dl增大,样品渗流孔孔容和比表面积呈指数增大,平均渗流孔孔隙直径减小,渗流孔发育程度提高,渗透性增强。孔隙分形维数随裂隙分形维数增大呈抛物线形式减小,以Dl=1.6为界,可根据Dl值将变形环境分为小于1.6的脆性变形环境以及大于1.6的脆-韧性/韧性变形环境。     

突出煤层表面裂隙特征与瓦斯吸附/放散特性关系实验研究北大核心

瓦斯吸附、放散特性对于煤与瓦斯突出灾害预测、检验与防治十分重要,且与煤体裂隙结构特征密切相关。选取东曲煤矿2#、4#、8#和9#煤层的煤体试样,利用分形维数表征煤体表面裂隙特征,研究了煤体裂隙分布与瓦斯吸附、放散特性参数之间的关系。结果表明:基于分形理论求解了煤体表面裂隙分布的分形维数,取值范围为1.4~1.5,原生裂隙发育程度为9#煤层>4#煤层>8#煤层>2#煤层;通过瓦斯吸附、放散实验测试分析了煤体等温吸附常数及瓦斯放散初速度,吸附常数a取值范围为34.180~36.920 m3/t,瓦斯放散初速度取值范围为12~18 mmHg,上述参数的大小顺序与分形维数值一致。统计分析了东曲煤矿煤体分形维数与瓦斯吸附、放散特性参数的相关性,结果表明二者呈显著正相关性,分形维数能够表征该煤矿煤体瓦斯吸附与放散的特性与能力。     

不同加卸载条件煤岩裂隙面形貌分形各向异性特征研究

为研究典型破坏形式下煤岩裂隙面分形各向异性特征及其尺寸效应,以复杂破坏荷载作用下煤岩裂隙面为研究对象,采用激光扫描、CATIA三维模型重构等研究手段,结合分形理论,对煤岩裂隙面的分形各向异性特征及尺寸效应展开研究。研究表明:针对裂隙截面迹线分维而言,复杂破坏路径下的迹线分维范围在1.0013~1.0096之间,最大值均出现在沿裂隙扩展方向30°~90°范围内;针对裂隙截面分维而言,复杂路径破坏裂隙面的分维最大值集中在120°~300°范围内;截取的正方形裂隙截面分形维数计算结果表明,当截面尺寸边长小于20 mm时,各典型破坏裂隙面分维波动幅度范围较大,但当所取区域边长大于20 mm时,分维逐渐趋于稳定,分析裂隙面分维时初步建议采用大于20 mm的截面尺寸。     

厚松散层薄基岩开采覆岩离层裂隙演变与下沉分形特征研究

为研究厚松散层薄基岩开采下覆岩离层裂隙的演变和下沉规律,结合山东郭屯煤矿1302首采工作面地质条件,采用相似材料模拟试验和分形相结合的方法,对开采过程中覆岩裂隙网络和下沉的分形特征进行研究。研究结果表明:覆岩裂隙的演变特征具有较好的自相似性和分形特征;随着工作面的推进,覆岩裂隙网络的分形维数呈开采前期和中期跳跃式剧增,后期缓慢平稳增加的走势;开采全过程出现四处离层,其出现位置和大小均呈现出一定的规律性;在厚松散层荷载作用下,薄基岩层仍能形成稳定的强承载结构;采空区覆岩的沉降量与裂隙网络的分形维数呈现出近似双折线的非线性关系。