基于大数据分析的深部岩石跨尺度破裂演化实验研究

With the exploitation of resources into deep deposits, the mechanical behavior of rock mass in deep is completely different from that in shallow, which has led to frequent disasters, and difficult to predict and prevent. This topic intends to study fracture mechanism and mechanical behavior for deep rock, and to simulate deep environments by triaxial compression. Firstly, with CT, SEM, X-ray diffraction, spectral analysis etc., to gain the micro structural information of rock before loading. Extracting the fracture characteristics, the phase characteristics and the crystal structure feature information of both the fracturing sources and their evolution paths after loading. Secondly, all of the feature information is processed and fused by the matter element theory, and then building the data model of rock meso-structure and the multi index model of the fracture sources and its evolution, which will provide data and model foundation for big data analysis. Finally, through the decision tree clustering analysis, causal analysis and fault tree analysis etc. big data analysis methods to study the inherent relationship between the rock meso-structure and the fracture cross scale evolution processes of rock, and the cross-scale evolution mechanism of rock fracture. At last proposed the predict method of instability of rock mass, which will provide the theoretical foundation for deep engineering disaster prevention.

资源开采进入深部以后，岩石存在完全异于浅部的力学行为，现有的岩石力学理论难以有效解决深部工程问题，导致灾害事故频发，难以预测和防治。本课题通过深部花岗岩真三轴力学加载模拟试验，研究深部岩石破裂机理及力学行为理论。首先，借助工业CT扫描、扫描电镜、X射线衍射和光谱分析等综合手段，获取岩石加载前细观结构信息与加载后破裂源及其发展演化路径的断口特征、物相特征、晶体结构特征信息。其次，通过物元理论对各项特征信息进行加工融合，进而构建岩石细观结构数据模型和破裂源及其发展演化的多指标表征数据模型，为大数据分析提供数据和模型基础。最后，通过决策树聚类分析、因果分析和事故树分析等大数据分析方法，研究岩石跨尺度破裂演化过程与细观结构的内在关系，以及岩石跨尺度破裂演化机理，最终提出岩石破裂失稳预判方法，为深部工程灾害防治提供理论基础。

本项目以岩石跨尺度破裂演化为研究主线，围绕岩石原始细观结构量化表征、初始破裂源识别、跨尺度破裂演化及岩石破裂失稳预测开展系统性研究，达到了预期研究目标。研究成果如下：（1）从岩石内部的矿物成分和结构特征信息角度出发，将微元理论和物元理论相结合，利用微元法将岩石离散化，利用物元理论将岩石微元细观结构数据融合，建立了表征岩石细观结构的模型和方法，实现岩石细观结构的量化表征，为建立岩石数字化模型奠定理论基础。（2）通过CT技术可视化分析岩石破裂源产生和演化过程，结合破裂源形成与细观结构的关系，总结得出破裂源的三种类型：孔洞型、微裂纹型和矿物颗粒型；在此基础上，建立了以裂纹体积、表面积和三维分形维数为指标的岩石跨尺度破裂演化量化表征方法，为从细观角度揭示岩石跨尺度演化机理提供新的途径和方法。（3）利用构建的能够反映岩石实际矿物成分、含量和空间分布等细观结构特征的岩石数字化模型，从矿物强度、粒径和粘结强度等方面，运用多因素方差分析法，量化研究了细观结构对岩石跨尺度破裂演化的影响，揭示了岩石跨尺度演化与细观结构内在关系，从细观尺度上丰富和完善了对岩石跨尺度演化机理的认识。（4）利用克里金方法建立了岩石内部细观结构预测模型，实现了岩石细观结构的精细化表征，有助于可视化分析岩石破裂过程的细观力学行为，进一步利用大数据分析方法，构建了基于Delaunay-XGBoost的岩石内部裂纹预测模型，实现了岩石裂纹扩展的动态预测，为形成岩石破裂失稳预判模拟方法奠定基础。基于上述研究成果，在国内外重要学术期刊发表论文16篇，其中SCI收录5篇，EI收录7篇，北大中文核心期刊论文4篇；申请国家发明专利1项，授权软件著作权1项；参加国内学术会议6次，国际学术会议2次；培养研究生6名。