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项目名称： 破断岩体表面形貌与力学行为研究
推荐单位： 教育部
项目简介： 本项目属于矿产资源开采与岩体力学的交叉领域。长期以来我国煤矿百万吨死亡率是发达国家的数十倍，煤矿安全和灾害已成为社会热点。其原因是矿产资源是在采动引起的破断岩体下进行作业，因此破断后岩体描述分析、破断岩体强度、变形和稳定性的系统基础性研究至关重要，而现有岩石力学理论在连续介质框架下无法对破断岩体、破碎块度等进行描述和分析，使得该领域的基础理论研究长期以来无重大进展和突破。本项目十几年来重点研究资源开采涉及的断层、节理、煤岩破碎、块度描述与力学行为等广泛关注的非连续介质难题，突破了传统连续介质力学理论的制约和不适应性，取得了一系列特色鲜明的原创性成果。
主要内容包括：(1) 提出和建立了破断岩体断裂表面形貌描述新模型和直接测量方法，揭示了表面形貌的各向异性和多重分形性质；(2) 发展了多元分形插值理论，形成了利用局部少量信息生成全局精细断层节理表面形貌新方法；(3) 深刻揭示了断层节理力学行为与表面形貌间的定量关系；(4) 提出了煤岩体破碎分形模型，建立了破断岩体分形统计强度理论。
项目的科学价值在于：(1) 为资源开采新理论奠定了重要基础。项目针对资源开采中的关键科学问题进行了系统研究，实现了理论和方法上的突破，解决了资源开采的基础和共性问题，研究成果具有前瞻性和创新性；(2) 创立了新的学科方向。开创了岩体力学非连续介质问题研究的新思想和新方法，形成了"破断岩体表面形貌与力学行为分形研究"的新领域，推动了采矿科学由定性到定量分析的转变，使我国在该领域处于国际领先地位。
本项目获中国高校自然科学一等奖(2001)，共出版专著3部，发表论文70篇，被SCI收录26篇、EI收录33篇，1996年以来，被SCI引用364次，其中他引201次，10篇代表性论著被SCI他引用62次，CSCD引用503次。部分理论成果应用于工程实际，产生了显著经济与社会效益。
主要发现点： 本项目经过10余年的系统研究，开拓出"破断岩体表面形貌与力学行为分形研究"的新领域，并在破断岩体表面形貌定量描述、破断岩体强度及煤岩体破碎理论预测与控制等岩体力学最核心的科学问题上取得了突破性和原创性成果，使我国在该领域处于国际领先地位。主要发现点如下：
(1) 破断岩体表面形貌直接影响其力学行为和稳定性，而二维断裂表面形貌真实的描述和分析是一直未予解决的世界性难题。本项目提出和建立了岩体断裂表面形貌的客观描述模型，首创了直接量测法-投影覆盖法(Projective Covering Method，简称PCM法)，该方法是一种真正意义下的二维分形量测方法，使得估算的分形维数Ds∈[2,3)，并且从理论上证明了这种分形测量方法对断裂表面粗糙度定量描述的合理性与正确性。PCM法解决了长期困扰的直接测定断裂表面分维的关键性理论与技术难题，成为当前国际上最佳的二维粗糙表面分形测量的直接测量方法。在此基础上，又进一步提出了一种新的断裂表面直接分形测量方法-立方体覆盖法(CCM法)，该方法具有直接覆盖法的优点，计算结果更加合理。并提出了描述断裂表面形貌各向异性的功率谱指数，成功地通过单参数描述了断裂表面的各向异性特性(矿产资源开采学，见代表性论文[2], [3], [4], [5])。
(2) 采矿、岩土等众多实际工程中往往只能获得断层表面信息的有限样本和局部样本，而大型工程计算则需提供全局信息，针对这一问题，课题组研究了矩形区域上根据局部信息获得全局信息、通过间断信息获取连续信息的二元分形插值方法，并证明了分形插值的稳定性和维数定理，进行了插值精度分析，形成了利用局部样本生成断层、节理表面形貌的方法。该工作对于根据少量数据研究、模拟和直观显示复杂几何形态如地形地貌、断层表面和材料断裂表面都具有重要意义(矿产资源开采学，见代表性论文[6], [7])。
(3) 实验研究了粗糙节理引起的应力场奇异性问题，建立了节理面抗剪强度、剪切变形与粗糙度的关系，发现岩石断裂表面分形维数与岩石抗拉强度成反比，且岩石拉、剪和压剪复合断裂面的多重分形谱在形状和值域上均有所不同，反映出岩体特有的断裂机制。进一步揭示了岩体断层滑移变形、沉陷量与节理空间分布和粗糙度间的关系与演化规律，为科学地预测岩体开挖产生的不连续变形和地表移动提供了理论基础(矿产资源开采学，见代表性论文[1], [8], [9])。
(4) 建立了煤岩体破碎的随机分形模型，指出并证明了块度分维可以作为评价煤岩体破碎效果的定量指标，详细研究了爆炸载荷下煤岩体破碎块度的分布规律和分形特征。根据分形和能量耗散理论，建立了煤岩体破碎块度分维与能耗之间定量关系，提出了煤岩体爆破块度控制的分形方法。得到了破断岩体强度与缺陷分布之间的关系，推导出反映岩体细观结构缺陷的岩体分形统计强度统一表达式，建立起岩体强度与内部缺陷演化之间的定量关系(矿产资源开采学，见代表性论文[1], [10])。
主要完成人： 1. 谢和平
项目负责人，开创了"破断岩体表面形貌和力学行为的分形研究"新领域。引入分形方法研究了破断岩体不连续力学行为，首创断裂表面分形性的直接量测法-PCM法；证明了分形插值稳定性,提出利用局部信息来模拟断裂表面的新方法。建立了节理抗剪强度、剪切变形与节理粗糙度的相互关系，定量描述了地下开采导致的地表不连续变形和沉陷。提出了煤岩体破碎分形模型，建立了煤岩体破碎块度与耗散能之间的关系,为煤岩体爆破破碎块度控制提供了理论基础。在应用项目理论成果解决开采沉陷等矿山工程问题方面做出了重要贡献。本人投入该研究的工作量占本人工作量的55%，在主要发现点(1)、(2)、(3)、(4)作出贡献。
2. 周宏伟
总结了断裂表面形貌描述的研究现状，系统测试了岩体断裂表面形貌，获得了大量数据。并在断裂表面投影覆盖法的基础上，提出了断裂表面分维计算的立方体覆盖法(CCM法)，研究了断裂表面形貌的各向异性特征，提出了表征各向异性的指标参数。本人投入该研究的工作量占本人工作量的70%，在主要发现点(1)、(3)、(4)作出贡献。
3. 鞠杨
参与完成了大尺度激光表面仪的研制，制作了一系列岩体粗糙度样本，系统研究了分形插值的稳定性理论与维数定理，参与提出了煤岩体破碎模型。本人投入该研究的工作量占本人工作量的65%，在主要发现点(2)、(4)作出贡献。
4. 王金安
对岩石断裂表面进行了激光测量研究和分形描述；参加了岩石断裂表面投影覆盖法(PCM)研究；分析了岩石断裂表面各向异性分形、多重分形和分形测量的尺度效应；分析研究岩石断裂表面分形参数与几何特征的关系；对真实岩石节理的抗剪强度及力学行为进行了实验研究，建立了岩石节理粗糙表面压剪接触力学模型和表面损伤分形演化方程。本人投入该研究的工作量占本人工作量的55%，在主要发现点(1)、(3)作出贡献。
5. 高峰
提出了岩体中裂隙分布的分形模型，推导了裂隙岩体强度的统一表达式。探讨了裂隙岩体强度的离散性和体积效应的本质特征，进一步完善了岩体分形统计强度的理论体系。本人投入该研究的工作量占本人工作量的60%，在主要发现点(3)、(4)作出贡献。
10篇代表性论文： 1. 分形-岩石力学导论 /北京：科学出版社 (1997年1月第一次印刷，印数1-1300；2005年1月第二次印刷，印数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
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