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目的

　　天然巖體具有力學(xué)特性非均勻和隨機裂隙展布特征，在數(shù)值分析中科學(xué)模擬巖體的非均質(zhì)、隨機裂隙展布特征是巖體工程變形、強度及穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵。

方法

　　本文將巖體視作由非均質(zhì)巖塊和隨機裂隙組成，利用Weibull分布模擬巖塊力學(xué)特性參數(shù)如彈性模量等的非均勻性；假設(shè)裂隙幾何形狀參數(shù)如形心、跡長、隙寬、傾角分別服從均勻分布、負指數(shù)分布、正態(tài)分布等，裂隙的密度服從泊松分布，進而建立的非均質(zhì)、隨機裂隙巖體虛擬模型。利用Monte-Carlo隨機模擬技術(shù)，在Matlab6.0下開發(fā)了相應(yīng)的虛擬巖體生成程序HRFRGM。在巖體力學(xué)試驗和工程地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上, 利用 HRFRGM能生成與實際巖體工程特性相近的虛擬巖體。將非均質(zhì)巖塊視作彈塑性材料，基于彈塑性變形理論和瓦斯?jié)B流理論，建立了基質(zhì)巖塊的變形-滲流耦合模型；利用Desai單元模擬展布裂隙的變形特征，建立了裂隙變形和瓦斯流動耦合模型，進而建立了非均質(zhì)、隨機裂隙巖體變形和瓦斯流動耦合數(shù)學(xué)模型，并開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)值計算程序HRFRGM-Coupling Analysis。數(shù)值算例分析了某瓦斯抽放井的瓦斯抽放過程。首先，基于現(xiàn)場調(diào)查確定了工程煤巖體裂隙幾何形狀參數(shù)的統(tǒng)計分布規(guī)律和統(tǒng)計參數(shù)，通過室內(nèi)力學(xué)試驗確定了煤巖塊彈性模量和強度參數(shù)的Weibull統(tǒng)計參數(shù)，然后利用HRFRGM生成工程虛擬煤巖體，利用HRFRGM-Coupling Analysis 進行瓦斯抽放模擬。

結(jié)果

　　對生成的非均質(zhì)、隨機裂隙煤巖體的單元力學(xué)參數(shù)值和隨機裂隙網(wǎng)絡(luò)進行統(tǒng)計分析, 結(jié)果表明, 生成的煤巖體的力學(xué)參數(shù)及隨機裂隙網(wǎng)絡(luò)符合預(yù)期, 這表明本文提出的非均質(zhì)、隨機裂隙巖體模擬方法合理. 對非均質(zhì)、隨機裂隙煤巖體內(nèi)的瓦斯抽放過程進行模擬，獲得了瓦斯抽放過程中煤巖體的應(yīng)力、位移和瓦斯壓分布，從計算結(jié)果可以看出：（1）隨機裂隙的存在能縮短瓦斯?jié)B流路徑, 加速瓦斯抽放; （2）裂隙是否與抽放井連通對抽放效果具有顯著影響 , 連通裂隙的影響要比非連通裂隙的影響大得多, 因此在評價抽放井產(chǎn)氣速度時應(yīng)考慮裂隙的分布密度；（3）煤巖的非均質(zhì)力學(xué)特性導(dǎo)致了抽放過程中局部區(qū)域發(fā)生了破壞 , 這些區(qū)域的透氣性顯著增強 , 進而影響瓦斯壓的分布規(guī)律 , 使得其不再呈現(xiàn)對稱性, 這與工程觀測數(shù)據(jù)和理論定性分析的結(jié)果相符。

結(jié)論

　　本文利用 Monte-Carlo隨機模擬技術(shù)模擬基質(zhì)巖塊的非均質(zhì)力學(xué)特性, 生成巖體內(nèi)的隨機裂隙網(wǎng)絡(luò), 建立了非均質(zhì)、隨機裂隙展布巖體生成模型 , 并開發(fā)了相應(yīng)的程序 HRFRGM. 利用HRFRGM不僅能較好地模擬巖體的非均質(zhì)、隨機裂隙展布特性，而且能自動轉(zhuǎn)化為有限元模型，進行數(shù)值分析。在HRFRGM基礎(chǔ)上，建立了非均質(zhì)、隨機裂隙展布煤巖體變形和瓦斯流動耦合數(shù)學(xué)模型，并開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)值計算程序HRFRGM-Coupling Analysis，利用該程序能較好地反映巖體非均質(zhì)、隨機裂隙展布對瓦斯抽放過程的影響。