摘要
随着我国经济快速发展，大量能源消耗使得煤炭开采转向深部开采常态化。为保证深部煤炭资源开采安全高效需要有效控制巷道围岩的长期稳定性，其关键是明确围岩巷道岩体的蠕变破裂特性。开采煤炭产生的工程扰动是诱发岩体蠕变损伤破裂导致大规模岩体工程失稳和工程地质灾害的主要原因之一，深部开采产生的强扰动进一步提高了工程灾害频度和量级，究其原因是岩体在扰动状态下发生蠕变，岩体内部在扰动作用下迅速产生细微裂隙，裂隙快速发育扩展，最终演变成为宏观裂隙导致岩体损伤破裂。研究岩体裂隙扩展导致的损伤演化规律对于把握岩体的蠕变特性而在扰动作用下控制巷道围岩长期稳定性以保证煤炭安全开采具有重要意义。为研究岩体扰动蠕变损伤演化规律，本文研究了数字图像处理理论，研发出一款专用于岩体裂隙几何特征提取的工具软件，以平煤十二矿一采区煤层顶板页岩为研究对象开展了宏细观实验，即不同扰动幅值与不同扰动频率下的扰动蠕变实验以及基于扰动蠕变实验的SEM实验，利用本文研发软件提取宏细观实验图片中的裂隙几何特征，研究了页岩扰动蠕变损伤演化规律，最后基于流变力学理论、分数阶微积分理论及损伤力学理论建立了页岩分数阶扰动蠕变损伤模型以描述页岩蠕变特性。本文取得的主要成果及结论如下： （1）引入DBI聚类评价指标和PSO粒群优化算法对k-mean聚类算法改进；提出基于改进优先搜索方向的裂隙骨架节点跟踪算法；提出用于提取裂隙面积的生长面积算法；基于编程软件开发了一款名为FractureGeometryFeatureExtractionTool（岩体裂隙几何特征提取工具）的用于定量研究岩体裂隙特征的软件。 （2）基于FractureGeometryFeatureExtractionTool软件对宏细观实验数据进行定量分析，由定量分析得知：扰动条件下页岩试件的损伤程度比无扰动条件下的损伤程度高。宏观尺度下：当扰动幅值增加，页岩试件裂隙总长一定程度增加，裂隙加权平均面积减少速率降低；当扰动频率增加，页岩试件裂隙数量增加，裂隙总长及裂隙面积增加，且裂隙面积增加速率同时增加。细观尺度下：当扰动幅值增加，页岩试件内部微裂隙数显著增加，微裂隙长度增加，微裂隙面积减少；当扰动频率增加，页岩试件内部微裂隙数有所减少，微裂隙长度减少，微裂隙加权平均面积呈上升趋势。 （3）提出考虑损伤变量的改进分数阶粘塑性元件（DIFOVPB）并构建损伤变量；基于DIFOVPB构建页岩分数阶扰动蠕变损伤模型，对模型做了参数识别于验证。
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