一种断层节理裂隙特征的空间定量描述系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种断层节理裂隙特征的空间定量描述系统及方法，所述系统包括至少一个坐标采集组件和至少一个处理器，所述坐标采集组件与所述处理器以有线和/或无线的方式建立连接关系，所述坐标采集组件至少采集断层节理裂隙的空间坐标数据并发送至所述处理器；所述处理器被配置为：基于所述空间坐标数据确定断层节理裂隙特征；基于所述空间坐标数据构建能够覆盖裂隙的空间分布范围的椭球基本方程；基于所述椭球基本方程的空间几何参数描述所述断层节理裂隙特征。本发明专利技术通过对椭球进行新的拟合方式来确定椭球的系数，能够仅通过一个椭球实现对固体内部的断层节理裂隙特征进行定量描述。描述。描述。

【技术实现步骤摘要】
一种断层节理裂隙特征的空间定量描述系统及方法


[0001]本专利技术涉及地理裂隙结构的信息分析
，尤其涉及一种断层节理裂隙特征的空间定量描述系统及方法。

技术介绍

[0002]地质体或固体材料内部往往存在不同尺度的结构缺陷，这些结构缺陷往往对地质体或固体材料性质具有极大的影响，如何对这些结构缺陷进行定量描述，是当前岩体力学、构造力学、固体材料力学面临的共同难题。固体内部在外力作用时会产生裂隙，裂隙生成过程中往往伴随着弹性波的产生，在不同的尺度上表现为天然地震、微震和声发射。声发射常用于桥梁和金属压力容器等结构疲劳损伤的动态监测评价，微震则广泛应用于各种岩石破坏相关的地质灾害监测及预警，天然地震波则是研究地震和地球内部结构的重要手段。天然地震、微震、声发射弹性波检测的一个重要目的，是要对裂隙进行定量描述，从而判断系统的演化状态。现有检测固体内部空间大小和空间方位的方法，主要有X光CT法和弹性波CT法。X光CT法通过CT切片检测，再进行三维重构，可以获得准确的裂隙三维结构信息，精度可以达到微米级。传统CT受扫描速度限制，不能实现动态探测，最新的CT技术利用粒子加速器获得高速粒子，可以获得较高的切片速率，大大增加了动态结构变化的探测能力。但是，X光CT机设备庞大，动态CT技术则需要高速粒子，它们最大只能检测分米级尺度，这些特征使其无法应用于众多工程现场实践。弹性波CT法是通过地震波或超声波对固体结构进行扫描，通过波速变化测得固体内部的裂隙结构信息，探测精度和范围受波长影响，波长越小，探测精度越高，但探测的范围越小，目前也尚不能对裂隙的三维结构信息进行定量描述。上述各种方法(高速CT除外)，均不能给对裂隙过程进行定量描述。
[0003]Kachanov等人在文章《Continuum model of medium with cracks》(Journal of the Engineering Mechanics Division，1980，106(5):1039
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1051.)中提出的裂隙张量是一个针对内部裂隙内部的统计描述。李学丰等人在文章《岩石裂隙组构的定量测定》(岩石力学与工程学报，2015，34(11):2355
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2361)中采用归一化思想定义裂隙张量，虽然该张量能够较好描述裂隙的平面分布特点，但是由于无法对三维结构进行定量描述，因此无法用于裂隙的三维的动态性的描述。
[0004]王守光等人在文章《扫描的煤岩面裂隙椭球重构与张量表征及其应用》(煤炭学报，2022，47(7):2593
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2608.)提出了一种旋转扁椭球，拟合每一个三角形面裂隙，据此实现对整个裂隙结构的椭球重构。但是，该椭球裂隙填充的方式需要使用多个椭球，因此，对于裂隙产生之后的描述的精准度不足。
[0005]再例如，公开号为CN111965696A的中国专利公开了一种基于弹性波多目标分析的动力灾害预测方法，包括步骤：S1.在作业期间，使用声发射监测装置采集并发送被测目标体内传播的弹性波信号；S2.地面综合信号处理装置接收并解析所述弹性波信号得到被测目标体内的异常地质体以及应力变化的动态反演成像，同时提取所述弹性波信号的声发射特征参数；S3.地面综合信号处理装置根据被测目标体内的异常地质体动态反演成像的变
化情况或应力变化动态反演成像的变化情况或声发射特征参数的变化情况进行灾害判识和智能预警。虽然该专利能够基于弹性波的声发射特征参数的变化情况进行灾害判断，但是只能得到被测目标体内的异常地质体的一次反演成像，进而初步掌握被测目标体内的地质赋存情况，无法对断层节理裂隙特征进行一个准确的特征描述。
[0006]如上所述，现有技术中的椭球，要么采用多个椭球来填充和描述，较为繁琐，应用不便；要么无法对断层节理裂隙特征进行描述。
[0007]本专利技术希望能够提供一种简便的椭球，仅通过单一的椭球表征断层节理裂隙特征对裂隙的三维结构信息进行定量描述。
[0008]此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本专利技术时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本专利技术不具备这些现有技术的特征，相反本专利技术已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在
技术介绍
中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

[0009]当前，还没有一种技术手段能够对固体中的结构缺陷进行定量描述。其原因在于，第一，动态CT技术的采集精度不足并且机器本体庞大，不方便携带，也不方便运输至多个现场。第二，弹性波CT法是通过地震波或超声波对固体结构进行扫描，通过波速变化测得固体内部的裂隙结构信息，探测精度和范围受波长影响，波长越小，探测精度越高，但探测的范围越小。如果仅依据弹性波CT扫描的裂隙结构特征来描述裂隙，必然受到数据采集精度的限制使得描述结果不准确。因此，如何能够摆脱对数据采集精度的限制，根据当前的设备所能够采集的数据对裂隙进行定量描述，是需要解决的技术问题。
[0010]针对现有技术之不足，本专利技术提供了一种断层节理裂隙特征的空间定量描述系统，包括至少一个坐标采集组件和至少一个处理器，所述坐标采集组件与所述处理器以有线和/或无线的方式建立连接关系，所述坐标采集组件至少采集断层节理裂隙的空间坐标数据并发送至所述处理器；所述处理器被配置为：基于所述空间坐标数据确定断层节理裂隙特征；基于所述空间坐标数据构建能够覆盖裂隙的空间分布范围的椭球基本方程；基于所述椭球基本方程构建三维的椭球；基于所述椭球基本方程的空间几何参数描述所述断层节理裂隙特征。
[0011]本专利技术对于采集的空间坐标数据进行了椭球的拟合，然后根据拟合的椭球的空间几何参数对裂隙的物理特征进行准确描述。即，本专利技术通过三维椭球的拟合手段的方式，即使根据当前的裂隙的空间坐标数据的精准度一般，也能够根据椭球的空间几何参数进行比较准确的定量描述。本专利技术的定量描述结果不受空间坐标数据的精准度的限制。
[0012]优选地，描述所述断层节理裂隙特征的方式至少包括：基于所述椭球的第三主轴参数描述断层和/或破碎带的与宽度相关的几何特征；基于所述椭球的主平面的面积和/或法向描述所述断层节理裂隙的空间特征。例如，基于所述椭球基本方程的主平面的面积描述所述断层节理裂隙的空间大小；和/或基于所述椭球的主平面的法向描述所述断层节理裂隙的空间方位。针对现有技术的缺陷，本专利技术的系统基于弹性波的裂隙空间坐标数据构建了椭球基本方程，本专利技术基于单一的椭球的空间几何参数，能够准确地描述断层节理裂隙特征，例如描述断层的空间延伸状态、断层带宽度、裂隙的张开度、空间大小等等。本专利技术
甚至能够通过椭球与裂隙矢量的空间分布范围的平均覆盖率来判断椭球拟合效果的优劣，从而选择拟合效果好的椭球来精准描述断层节理裂隙特征。本专利技术的椭球的空间几何参数和裂隙的物理特征是相关的，通过对椭球的空间几何参数来描述裂隙的几何特征和空间特征，计算简单，标准统一。
[0013]优选地，基于所述空间坐标数据构建能够覆盖裂隙的空间分布范围的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种断层节理裂隙特征的空间定量描述系统，包括至少一个坐标采集组件和至少一个处理器，其特征在于，所述坐标采集组件与所述处理器以有线和/或无线的方式建立连接关系，所述坐标采集组件至少采集断层节理裂隙的空间坐标数据并发送至所述处理器；所述处理器被配置为：基于所述空间坐标数据确定断层节理裂隙特征；基于所述空间坐标数据构建能够覆盖裂隙的空间分布范围的椭球基本方程；基于所述椭球基本方程构建三维的椭球；基于椭球的空间几何参数描述所述断层节理裂隙特征。2.根据权利要求1所述的断层节理裂隙特征的空间定量描述系统，其特征在于，描述所述断层节理裂隙特征的方式至少包括：基于所述椭球的第三主轴参数描述断层和/或破碎带的与宽度相关的几何特征；基于所述椭球的主平面的面积和/或法向描述所述断层节理裂隙的空间特征。3.根据权利要求1或2所述的断层节理裂隙特征的空间定量描述系统，其特征在于，基于所述空间坐标数据构建能够裂隙的空间分布范围的椭球基本方程的方式至少包括：基于所述空间坐标数据的数据量确定所述椭球基本方程的系数的拟合方式；基于所述椭球基本方程的系数确定椭球的空间几何参数。4.根据权利要求1～3任一项所述的断层节理裂隙特征的空间定量描述系统，其特征在于，基于所述空间坐标数据的数据量确定所述椭球基本方程的系数的拟合方式的步骤至少包括：在所接收的空间坐标数据的数据量不少于数据阈值的情况下，直接拟合所述椭球基本方程的系数；在所接收的空间坐标数据的数据量少于数据阈值的情况下，在所述椭球的主平面以随机补点的方式来拟合所述椭球基本方程的系数。5.根据权利要求1～4任一项所述的断层节理裂隙特征的空间定量描述系统，其特征在于，在所述椭球的主平面以随机补点的方式来拟合所述椭球基本方程的系数的步骤至少包括：基于所述椭球的最大裂隙矢量方...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓绪彪，杨振法，李幻，潘纪顺，王新月，敬晨辉，马加欣，侯燕杰，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：