随机形貌岩石节理剪切-渗流的数值模拟与剪胀-渗流模型研究

本文主要探讨的是随机形貌岩石节理在剪切-渗流过程中的行为，特别是在数值模拟和剪胀-渗流模型方面的研究。首先，作者采用了Hurst指数的独立分割方法来创建具有随机形状的岩石节理剖面，这种方法在构建岩石节理模型时考虑了其自然的复杂性和多样性。岩石节理的剪切-渗流行为是煤炭地质学和岩土工程中的关键问题，因为这直接影响到地下开采过程中的稳定性以及地下水的流动。 作者基于CY模型构建了一个随机形貌岩石节理的剪切-渗流计算模型，该模型考虑了岩石节理的微观力学特性，如节理的粗糙度、法向应力等因素。研究发现，节理的粗糙度对剪切-渗流性能有显著影响：粗糙度越高，岩石节理的宏观剪切峰值强度和剪胀角（表示岩石在剪切过程中发生的膨胀角度）会相应增加。同时，法向应力的增大导致剪胀效应减弱，表明剪切力对节理的膨胀性有抑制作用。 在剪切过程中，节理的渗透系数经历了一个动态变化的过程：初期平稳增长，然后快速增大，最后达到渗流稳定状态。值得注意的是，剪切初始阶段，由于节理的收缩（剪缩），渗流会暂时偏离传统的立方渗流准则，显示出非线性特征。此外，节理渗透系数与法向应力存在强烈的耦合关系，这意味着剪切应力的改变可以直接影响渗流特性。 为了更准确地描述这种复杂的剪胀-渗流现象，文中提出了引入剪胀等效节理水力隙宽的概念，构建了一种非线性的剪胀-渗流模型。这个模型能够有效地捕捉不同粗糙度岩石节理在剪切过程中剪胀效应的影响，并量化其对渗透系数的贡献。这对于理解和预测岩体在实际工程中的稳定性和流体动力行为至关重要。 这篇论文通过对随机形貌岩石节理剪切-渗流行为的深入数值模拟和理论建模，为岩石力学和采矿工程领域提供了重要的理论支持，有助于提高地下开采的安全性和效率。