一种确定岩石裂纹发育程度的方法及装置

摘要

本发明提供一种确定岩石裂纹发育程度的方法及装置，能够量化各微裂隙组在轴向延伸方向和横向扩张方向上的发育程度。所述方法包括：构建岩石试样的颗粒流模型；根据构建的颗粒流模型，获得颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值；根据得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，基于微裂隙点的密度进行聚类，并根据各聚类中心的距离，对所述微裂隙集中的微裂隙点进行分组，得到多个微裂隙组；采用主成分分析法，分析各微裂隙组的轴向延伸方向和横向扩张方向，并量化各微裂隙组在轴向延伸方向和横向扩张方向上的发育程度。本发明适用于岩土试验与工程技术领域。

权利要求

1.一种确定岩石裂纹发育程度的方法，其特征在于，包括：

构建岩石试样的颗粒流模型；

根据构建的颗粒流模型，获得颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值；

根据得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，基于微裂隙点的密度进行聚类，并根据各聚类中心的距离，对所述微裂隙集中的微裂隙点进行分组，得到多个微裂隙组；

采用主成分分析法，分析各微裂隙组的轴向延伸方向和横向扩张方向，并量化各微裂隙组在轴向延伸方向和横向扩张方向上的发育程度。

2.根据权利要求1所述的确定岩石裂纹发育程度的方法，其特征在于，所述构建岩石试样的颗粒流模型包括：S11，采用颗粒和黏结构建颗粒体试样，其中，所述颗粒体试样的尺寸与进行室内岩石力学试验的岩石试样的尺寸相同；

S12，设置颗粒细观参数和黏结细观参数；

S13，根据设置的颗粒细观参数和黏结细观参数，对所述颗粒体试样进行单轴压缩虚拟加载，得到所述颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线；

S14，将得到的所述颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线与进行室内岩石力学试验的岩石试样的单轴压缩应力-应变曲线进行比较；

S15，若曲线的差异在预设的第一阈值内，则根据设置的颗粒细观参数和黏结细观参数，构建岩石试样的颗粒流模型；

S16，否则，则调整颗粒细观参数和黏结细观参数，并返回S13继续执行。

3.根据权利要求1所述的确定岩石裂纹发育程度的方法，其特征在于，所述根据构建的颗粒流模型，获得所述颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值包括：根据构建的颗粒流模型，沿长轴方向进行虚拟单轴压缩，获得所述颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值。

4.根据权利要求1所述的确定岩石裂纹发育程度的方法，其特征在于，所述根据得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，基于微裂隙点的密度进行聚类，并根据各聚类中心的距离，对所述微裂隙集中的微裂隙点进行分组，得到多个微裂隙组包括：根据所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，得到微裂隙点i与其他微裂隙点j之间的距离dij；

设聚类中心被具有较小局部密度的周围微裂隙点包围，聚类中心和其他局部密度较大的微裂隙点之间存在一定的距离，计算微裂隙点i的局部密度ρi：ρi＝∑jχ(dij-dc)；

计算微裂隙点i离其他具有较大局部密度的微裂隙点j之间的距离δi，其中，若微裂隙点i具有较大局部密度，则δi＝maxj(dij)；否则，距离δi是通过微裂隙点i和其他具有较大局部密度的微裂隙点j之间的最小距离δi确定的，δi＝minj：ρj＞ρi(dij)；

其中，若dij-dc＜0，则χ(dij-dc)＝1，否则，χ(dij-dc)＝0；dc是截断距离，dij是微裂隙点i和其他微裂隙点j之间的距离；当局部密度小于预设的第二阈值时为较小局部密度；当局部密度不小于预设的第二阈值时为较大局部密度。

5.根据权利要求1或4所述的确定岩石裂纹发育程度的方法，其特征在于，所述采用主成分分析法，分析各微裂隙组的轴向延伸方向和横向扩张方向，并量化各微裂隙组在轴向延伸方向和横向扩张方向上的发育程度包括：采用主成分分析的方法，对各微裂隙组进行分析，获得第一主成分方向、第二主成分方向、第一主成分的贡献值及第二主成分的贡献值；

其中，所述第一主成分方向表示相应的微裂隙组的轴向延伸方向，第二主成分方向表示相应的微裂隙组的横向扩张方向，第一主成分方向与第二主成分方向正交；第一主成分的贡献值表示相应的微裂隙组在轴向延伸方向上的发育程度，第二主成分的贡献值表示相应的微裂隙组在横向扩张方向上的发育程度。

6.一种确定岩石裂纹发育程度的装置，其特征在于，包括：

构建模块，用于构建岩石试样的颗粒流模型；

获取模块，用于根据构建的颗粒流模型，获得颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值；

聚类模块，用于根据得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，基于微裂隙点的密度进行聚类，并根据各聚类中心的距离，对所述微裂隙集中的微裂隙点进行分组，得到多个微裂隙组；

量化模块，用于采用主成分分析法，分析各微裂隙组的轴向延伸方向和横向扩张方向，并量化各微裂隙组在轴向延伸方向和横向扩张方向上的发育程度。

7.根据权利要求6所述的确定岩石裂纹发育程度的装置，其特征在于，所述构建模块包括：确定单元，用于采用颗粒和黏结构建颗粒体试样，其中，所述颗粒体试样的尺寸与进行室内岩石力学试验的岩石试样的尺寸相同；

设置单元，用于设置颗粒细观参数和黏结细观参数；

加载单元，用于根据设置的颗粒细观参数和黏结细观参数，对所述颗粒体试样进行单轴压缩虚拟加载，得到所述颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线；

比较单元，用于将得到的所述颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线与进行室内岩石力学试验的岩石试样的单轴压缩应力-应变曲线进行比较；

构建单元，用于若曲线的差异在预设的第一阈值内，则根据设置的颗粒细观参数和黏结细观参数，构建岩石试样的颗粒流模型；

返回单元，用于若曲线的差异不在预设的第一阈值内，则调整颗粒细观参数和黏结细观参数，并返回所述加载单元继续执行。

8.根据权利要求6所述的确定岩石裂纹发育程度的装置，其特征在于，所述获取模块，用于根据构建的颗粒流模型，沿长轴方向进行虚拟单轴压缩，获得所述颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值。

9.根据权利要求6所述的确定岩石裂纹发育程度的装置，其特征在于，所述聚类模块包括：第一计算单元，用于根据所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，得到微裂隙点i与其他微裂隙点j之间的距离dij；

第二计算单元，用于设聚类中心被具有较小局部密度的周围微裂隙点包围，并聚类中心和其他局部密度较大的微裂隙点之间存在一定的距离，计算微裂隙点i的局部密度ρi：ρi＝∑jχ(dij-dc)；

第三计算单元，用于计算微裂隙点i离其他具有较大局部密度的微裂隙点j之间的距离δi，其中，若微裂隙点i具有较大局部密度，则δi＝maxj(dij)；否则，距离δi是通过微裂隙点i和其他具有较大局部密度的微裂隙点j之间的最小距离δi确定的，δi＝minj：ρj＞ρi(dij)；

其中，若dij-dc＜0，则χ(dij-dc)＝1，否则，χ(dij-dc)＝0；dc是截断距离，dij是微裂隙点i和其他微裂隙点j之间的距离；当局部密度小于预设的第二阈值时为较小局部密度；当局部密度不小于预设的第二阈值时为较大局部密度。

10.根据权利要求6或9所述的确定岩石裂纹发育程度的装置，其特征在于，所述量化模块，用于采用主成分分析的方法，对各微裂隙组进行分析，获得第一主成分方向、第二主成分方向、第一主成分的贡献值及第二主成分的贡献值；

其中，所述第一主成分方向表示相应的微裂隙组的轴向延伸方向，第二主成分方向表示相应的微裂隙组的横向扩张方向，第一主成分方向与第二主成分方向正交；第一主成分的贡献值表示相应的微裂隙组在轴向延伸方向上的发育程度，第二主成分的贡献值表示相应的微裂隙组在横向扩张方向上的发育程度。

说明书

一种确定岩石裂纹发育程度的方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及岩土工程材料力学特性研究领域，特别是指一种确定岩石裂纹发育程度的方法及装置。

背景技术

[0002] 近年来，有较多的研究是针对预制裂隙的岩石试样进行破坏试验，探究在裂隙存在的情况下，岩石破裂过程中裂隙的发展趋势。但是由于微裂隙肉眼难以观察的，研究大多获得了岩石的力学参数和宏观裂隙的发展趋势等信息，因此对微观机理方面研究普遍不足。同时，也有相关的研究是结合数值模拟软件，特别是离散元软件进行传统实验的模拟，揭示岩石破裂过程中的细观机理。数值模拟软件作为传统实验的有力补充，可以有效地捕捉到细观微裂隙的产生发展以及最终形成宏观断裂带的过程。相关学者结合室内试验和颗粒流(Particle Flow Code，PFC)等离散元程序研究试样在单轴压缩情况下的裂隙发展趋势，但是由于PFC软件在模拟过程中将黏结破坏视作微裂隙，因此最终呈现的结果大多只能通过微裂隙的聚集来粗略判断宏观裂隙的发展趋势，而不是精确定量地描述宏观裂隙发展趋势和破裂程度。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种确定岩石裂纹发育程度的方法及装置，以解决现有技术所存在的不能精确定量地描述宏观裂隙发展趋势和破裂程度的问题。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种确定岩石裂纹发育程度的方法，包括：

[0005] 构建岩石试样的颗粒流模型；

[0006] 根据构建的颗粒流模型，获得颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值；

[0007] 根据得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，基于微裂隙点的密度进行聚类，并根据各聚类中心的距离，对所述微裂隙集中的微裂隙点进行分组，得到多个微裂隙组；

[0008] 采用主成分分析法，分析各微裂隙组的轴向延伸方向和横向扩张方向，并量化各微裂隙组在轴向延伸方向和横向扩张方向上的发育程度。

[0009] 进一步地，所述构建岩石试样的颗粒流模型包括：

[0010] S11，采用颗粒和黏结构建颗粒体试样，其中，所述颗粒体试样的尺寸与进行室内岩石力学试验的岩石试样的尺寸相同；

[0011] S12，设置颗粒细观参数和黏结细观参数；

[0012] S13，根据设置的颗粒细观参数和黏结细观参数，对所述颗粒体试样进行单轴压缩虚拟加载，得到所述颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线；

[0013] S14，将得到的所述颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线与进行室内岩石力学试验的岩石试样的单轴压缩应力-应变曲线进行比较；

[0014] S15，若曲线的差异在预设的第一阈值内，则根据设置的颗粒细观参数和黏结细观参数，构建岩石试样的颗粒流模型；

[0015] S16，否则，则调整颗粒细观参数和黏结细观参数，并返回S13继续执行。

[0016] 进一步地，所述根据构建的颗粒流模型，获得所述颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值包括：

[0017] 根据构建的颗粒流模型，沿长轴方向进行虚拟单轴压缩，获得所述颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值。

[0018] 进一步地，所述根据得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，基于微裂隙点的密度进行聚类，并根据各聚类中心的距离，对所述微裂隙集中的微裂隙点进行分组，得到多个微裂隙组包括：

[0019] 根据所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，得到微裂隙点i与其他微裂隙点j之间的距离dij；

[0020] 设聚类中心被具有较小局部密度的周围微裂隙点包围，并聚类中心和其他局部密度较大的微裂隙点之间存在一定的距离，计算微裂隙点i的局部密度ρi：

[0021] ρi＝∑jχ(dij-dc)；

[0022] 计算微裂隙点i离其他具有较大局部密度的微裂隙点j之间的距离δi，其中，若微裂隙点i具有较大局部密度，则δi＝maxj(dij)；否则，距离δi是通过微裂隙点i和其他具有较大局部密度的微裂隙点j之间的最小距离δi确定的，

[0023] 其中，若dij-dc<0，则χ(dij-dc)＝1，否则，χ(dij-dc)＝0；dc是截断距离，dij是微裂隙点i和其他微裂隙点j之间的距离；当局部密度小于预设的第二阈值时为较小局部密度；当局部密度不小于预设的第二阈值时为较大局部密度。

[0024] 进一步地，所述采用主成分分析法，分析各微裂隙组的轴向延伸方向和横向扩张方向，并量化各微裂隙组在轴向延伸方向和横向扩张方向上的发育程度包括：

[0025] 采用主成分分析的方法，对各微裂隙组进行分析，获得第一主成分方向、第二主成分方向、第一主成分的贡献值及第二主成分的贡献值；

[0026] 其中，所述第一主成分方向表示相应的微裂隙组的轴向延伸方向，第二主成分方向表示相应的微裂隙组的横向扩张方向，第一主成分方向与第二主成分方向正交；第一主成分的贡献值表示相应的微裂隙组在轴向延伸方向上的发育程度，第二主成分的贡献值表示相应的微裂隙组在横向扩张方向上的发育程度。

[0027] 本发明实施例还提供一种确定岩石裂纹发育程度的装置，其特征在于，包括：

[0028] 构建模块，用于构建岩石试样的颗粒流模型；

[0029] 获取模块，用于根据构建的颗粒流模型，获得颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值；

[0030] 聚类模块，用于根据得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，基于微裂隙点的密度进行聚类，并根据各聚类中心的距离，对所述微裂隙集中的微裂隙点进行分组，得到多个微裂隙组；

[0031] 量化模块，用于采用主成分分析法，分析各微裂隙组的轴向延伸方向和横向扩张方向，并量化各微裂隙组在轴向延伸方向和横向扩张方向上的发育程度。

[0032] 进一步地，所述构建模块包括：

[0033] 确定单元，用于采用颗粒和黏结构建颗粒体试样，其中，所述颗粒体试样的尺寸与进行室内岩石力学试验的岩石试样的尺寸相同；

[0034] 设置单元，用于设置颗粒细观参数和黏结细观参数；

[0035] 加载单元，用于根据设置的颗粒细观参数和黏结细观参数，对所述颗粒体试样进行单轴压缩虚拟加载，得到所述颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线；

[0036] 比较单元，用于将得到的所述颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线与进行室内岩石力学试验的岩石试样的单轴压缩应力-应变曲线进行比较；

[0037] 构建单元，用于若曲线的差异在预设的第一阈值内，则根据设置的颗粒细观参数和黏结细观参数，构建岩石试样的颗粒流模型；

[0038] 返回单元，用于若曲线的差异不在预设的第一阈值内，则调整颗粒细观参数和黏结细观参数，并返回所述加载单元继续执行。

[0039] 进一步地，所述获取模块，用于根据构建的颗粒流模型，沿长轴方向进行虚拟单轴压缩，获得所述颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值。

[0040] 进一步地，所述聚类模块包括：

[0041] 第一计算单元，用于根据所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，得到微裂隙点i与其他微裂隙点j之间的距离dij；

[0042] 第二计算单元，用于设聚类中心被具有较小局部密度的周围微裂隙点包围，并聚类中心和其他局部密度较大的微裂隙点之间存在一定的距离，计算微裂隙点i的局部密度ρi：

[0043] ρi＝∑jχ(dij-dc)；

[0044] 第三计算单元，用于计算微裂隙点i离其他具有较大局部密度的微裂隙点j之间的距离δi，其中，若微裂隙点i具有较大局部密度，则δi＝maxj(dij)；否则，距离δi是通过微裂隙点i和其他具有较大局部密度的微裂隙点j之间的最小距离δi确定的，

[0045] 其中，若dij-dc<0，则χ(dij-dc)＝1，否则，χ(dij-dc)＝0；dc是截断距离，dij是微裂隙点i和其他微裂隙点j之间的距离；当局部密度小于预设的第二阈值时为较小局部密度；当局部密度不小于预设的第二阈值时为较大局部密度。

[0046] 进一步地，所述量化模块，用于采用主成分分析的方法，对各微裂隙组进行分析，获得第一主成分方向、第二主成分方向、第一主成分的贡献值及第二主成分的贡献值；

[0047] 其中，所述第一主成分方向表示相应的微裂隙组的轴向延伸方向，第二主成分方向表示相应的微裂隙组的横向扩张方向，第一主成分方向与第二主成分方向正交；第一主成分的贡献值表示相应的微裂隙组在轴向延伸方向上的发育程度，第二主成分的贡献值表示相应的微裂隙组在横向扩张方向上的发育程度。

[0048] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：

[0049] 上述方案中，通过构建的颗粒流模型，获得颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值；根据得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，基于微裂隙点的密度进行聚类，并根据各聚类中心的距离，对所述微裂隙集中的微裂隙点进行分组，得到多个微裂隙组；采用主成分分析法，分析各微裂隙组的轴向延伸方向和横向扩张方向，并量化各微裂隙组在轴向延伸方向和横向扩张方向上的发育程度。

附图说明

[0050] 图1为本发明实施例提供的确定岩石裂纹发育程度的方法的流程示意图；

[0051] 图2为本发明实施例提供的数据分析流程示意图；

[0052] 图3为本发明实施例提供的岩石试样尺寸示意图；

[0053] 图4为本发明实施例提供的岩石试样与颗粒体试样单轴加载下的应力-应变曲线示意图；

[0054] 图5为本发明实施例提供的颗粒体模型破坏形式示意图；

[0055] 图6为本发明实施例提供的颗粒体模型微裂隙集分组结果示意图；

[0056] 图7为本发明实施例提供的主成分分析原理示意图；

[0057] 图8为本发明实施例提供的聚类分析与主成分分析结果示意图；

[0058] 图9为本发明实施例提供的确定岩石裂纹发育程度的装置的结构示意图。

具体实施方式

[0059] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

[0060] 本发明针对现有的不能精确定量地描述宏观裂隙发展趋势和破裂程度的问题，提供一种确定岩石裂纹发育程度的方法及装置。

[0061] 实施例一

[0062] 参看图1所示，本发明实施例提供的一种确定岩石裂纹发育程度的方法，包括：

[0063] S101，构建岩石试样的颗粒流模型；

[0064] S102，根据构建的颗粒流模型，获得颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值；

[0065] S103，根据得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，基于微裂隙点的密度进行聚类，并根据各聚类中心的距离，对所述微裂隙集中的微裂隙点进行分组，得到多个微裂隙组；

[0066] S104，采用主成分分析法，分析各微裂隙组的轴向延伸方向和横向扩张方向，并量化各微裂隙组在轴向延伸方向和横向扩张方向上的发育程度。

[0067] 本发明实施例所述的确定岩石裂纹发育程度的方法，通过构建的颗粒流模型，获得颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值；根据得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，基于微裂隙点的密度进行聚类，并根据各聚类中心的距离，对所述微裂隙集中的微裂隙点进行分组，得到多个微裂隙组；采用主成分分析法，分析各微裂隙组的轴向延伸方向和横向扩张方向，并量化各微裂隙组在轴向延伸方向和横向扩张方向上的发育程度。

[0068] 在前述确定岩石裂纹发育程度的方法的具体实施方式中，进一步地，所述构建岩石试样的颗粒流模型(S101)包括：

[0069] S11，采用颗粒和黏结构建颗粒体试样，其中，所述颗粒体试样的尺寸与进行室内岩石力学试验的岩石试样的尺寸相同；

[0070] S12，设置颗粒细观参数和黏结细观参数；

[0071] S13，根据设置的颗粒细观参数和黏结细观参数，对所述颗粒体试样进行单轴压缩虚拟加载，得到所述颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线；

[0072] S14，将得到的所述颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线与进行室内岩石力学试验的岩石试样的单轴压缩应力-应变曲线进行比较；

[0073] S15，若曲线的差异在预设的第一阈值内，则根据设置的颗粒细观参数和黏结细观参数，构建岩石试样的颗粒流模型；

[0074] S16，否则，则调整颗粒细观参数和黏结细观参数，并返回S13继续执行。

[0075] 在前述确定岩石裂纹发育程度的方法的具体实施方式中，进一步地，如图2所示，所述根据构建的颗粒流模型，获得所述颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值(S103)包括：

[0076] 根据构建的颗粒流模型，沿长轴方向进行虚拟单轴压缩，获得所述颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值。

[0077] 本实施例中，所述微裂隙集为，所述微裂隙点的坐标值为二维坐标值，所述微裂隙点的坐标值可以表示为X轴坐标和Y轴坐标。

[0078] 本实施例中，在S103中，采用的聚类方法不同于常见的k-means聚类法和层次聚类方法等经典聚类方法。在S103中，采用的聚类方法是基于数据点的密度进行聚类，同时考虑各聚类中心的距离，实现数据点的分组，得到多个微裂隙组；其中，所述数据点为微裂隙集中微裂隙点的坐标值，也就是说，在数据分析过程中，微裂隙点的坐标值被视为数据点。

[0079] 本实施例中，根据S102得到的所述微裂隙集，可以将微裂隙点的X轴坐标和Y轴坐标导入到MATLAB，采用基于数据点的密度的聚类分析方法，按照微裂隙点的聚集程度以及各聚类中心的距离，实现微裂隙集中微裂隙点的分组。

[0080] 本实施例中，采用基于数据点的密度的聚类分析方法对颗粒流模型中的微裂隙点进行分类的过程中，最大的困难是采用一种合适度量，将邻近的微裂隙点划分为一个点集。但是，颗粒流模型微裂隙点通常较多，对于包含颗粒数量接近两万的颗粒流模型，微裂隙点的数量会多达上千，若是采用人工逐点分类，则会产生巨大的工作量，并且分类的指标也是难以确定的，对于同时临近两个点集的微裂隙点，难以将其划归为某一类。

[0081] 本实施例中，可针对点集的密度确定该点集的聚类中心，从而将联合其周围的相关点作为一个单独的族。在这个基础上，便可以将离散的点按照点集的密度和距离划分为一类。这种聚类方式主要是应用于图像处理领域，该算法噪点的处理和点集的分类正适用于微裂隙集的分类，尤其是当数据点数量较大情况下，该算法具有一定的鲁棒性。该方法提供了微裂隙集中微裂隙点聚类的一个思路和方向，并且聚类结果可以作为主成分分析的数据源。首先将颗粒流模型中产生所有微裂隙点(微裂隙集)作为一个点集，将该点集中所有点之间的距离作为输入量，并执行以下步骤：

[0082] 假设聚类中心被具有较小局部密度的周围微裂隙点/数据点包围，且聚类中心和其他局部密度较大的点之间存在一定的距离；针对每一个数据点i计算两个参数，分别是局部密度ρi和离其他具有较大局部密度的微裂隙点之间的距离δi。局部密度的计算公式表示为：

[0083] ρi＝∑jχ(dij-dc)

[0084] 其中，若dij-dc<0，则χ(dij-dc)＝1，否则，χ(dij-dc)＝0；dc是截断距离，dij是两数据点之间的距离；这个算法只对不同数据点之间ρi的相对大小有关，因此对于较大数据组，分析结果相对于dc的选择是鲁棒的。

[0085] 计算微裂隙点i离其他具有较大局部密度的微裂隙点j之间的距离δi，其中，若微裂隙点i具有较大局部密度，则δi＝maxj(dij)；否则，距离δi是通过微裂隙点i和其他具有较大局部密度的微裂隙点j之间的最小距离δi确定的， 因此，聚类中心被认为是δi较大的点，其中，当局部密度小于预设的第二阈值时为较小局部密度；当局部密度不小于预设的第二阈值时为较大局部密度。

[0086] 本实施例中，将该点集(微裂隙集)中所有点之间的距离作为输入量，通过上述算法求取多个聚类中心，通过聚类中心将周围临近的离散点划归为一类。在这里，主要通过调节截断距离和聚类中心的数量来获得较为符合裂隙发展规律的微裂隙分组结果。为获取准确精细的聚类结果，可以选定多个聚类中心，获得较多的微裂隙组，同时将远离聚类中心的微裂隙点视为离散点而避免干扰计算结果。在分析宏观裂纹发展趋势的条件下，将多个较小的微裂隙组划分为一个较大的微裂隙组，这样可以排除一些离散微裂隙的干扰，获得较为准确的主成分分析结果。

[0087] 本实施例中，依据S103的微裂隙分组结果，采用主成分分析法，对各微裂隙组进行分析，获得各微裂隙组的轴向延伸方向和横向扩张方向，以及各微裂隙组在这两个方向上的发育程度。

[0088] 本实施例中，为了更好地理解本发明，先对主成分分析法的主要步骤进行说明：

[0089] A11，求解变量之间的协方差矩阵∑：

[0090]

[0091] A12，求解协方差矩阵∑的特征值与特征向量，求得特征值分别为λ1,λ2,…,λp，同时特征值对应的特征向量为：

[0092] ui＝(u1i,u2i,…,upi)',i＝1,2,…P

[0093] 特征向量形成的正交阵为：

[0094] y1＝u11x1+u21x2+…+up1xp

[0095] y2＝u12x1+u22x2+…+up2xp

[0096] ……

[0097] yp＝u1px1+u2px2+…+uppxp

[0098] 这样可以得到如下的主成分，分别以y1,y2,…,yp表示

[0099] y＝U′x，x＝(x1,x2,…,xp)'，x表示变量；

[0100] 写成矩阵形式为

[0101]

[0102] 其中，第一主成分为：

[0103] y1＝u11x1+…+up1xp

[0104] 第一主成分所能表达的信息是众多主成分中最多的，表达信息占总信息量的比例为 该比值越大说明第一主成分所包含的信息越多，越能表达总体的特征。通常情况下选定特征值最大的两个或三个主成分便已经能基本表达总体特征了。

[0105] 本实施例中，由于所述微裂隙点的坐标值为二维坐标值(X轴坐标和Y轴坐标)，因此变量只有两个，采用主成分分析法，对各微裂隙组进行分析，确定出两个主成分便已经能表达该微裂隙集的方位特征了。

[0106] 本实施例中，对微裂隙集进行聚类分析和主成分分析后，获得了第一主成分方向和第二主成分方向，以及两个主成分方向上的贡献值；其中，第一主成分方向表示相应的微裂隙组的轴向延伸方向，第二主成分方向表示相应的微裂隙组的横向扩张方向，第一主成分方向与第二主成分方向正交；第一主成分的贡献值表示相应的微裂隙组在轴向延伸方向上的发育程度，第二主成分的贡献值表示相应的微裂隙组在横向扩张方向上的发育程度。在第二主成分的贡献值较小的情况下，可将微裂隙组视为裂纹，随着贡献值的逐渐增大，微裂隙组的扩张程度也在逐步增加，最终当第二主成分的贡献值达到一定程度时，微裂隙组可以视作破裂区。

[0107] 本实施例中，为了更好地理解本实施例，对本实施例提供的所述确定岩石裂纹发育程度的方法进行详细说明，所述岩石试样以双孔类岩石试样为例，所述确定岩石裂纹发育程度的方法的具体步骤可以包括：

[0108] (1)对岩石试样进行室内岩石力学试验，获取进行室内岩石力学试验的岩石试样的应力-应变曲线，从而为建立颗粒流模型和匹配相应的细观参数提供实验基础。

[0109] (2)构建岩石试样的颗粒流模型：首先构建颗粒体，以表征岩石试样。颗粒体由颗粒和黏结构成，黏结类似于两颗粒间附着的胶凝物质。在颗粒体中，描述颗粒的细观参数有：球密度ρ、最小颗粒半径Rmin、最大与最小粒径比Rmax/Rmin、接触杨氏模量Ec、摩擦因数μ、接触法向和切向刚度比kn/ks；采用的接触模型为位移软化接触模型，位移软化接触模型细观参数为摩擦系数sof_fric、剪切强度sof_fsmax、抗拉强度sof_ftmax、压缩刚度sof_knc、拉伸刚度sof_knt、剪切刚度sof_ks、残余摩擦系数sof_rfric、极限塑性位移sof_uplim；描述黏结的细观参数有：平行黏结半径系数λ、黏结杨氏模量 黏结法向与切向刚度比黏结法向强度平均值 黏结法向强度标准差 黏结切向强度平均值黏结切向强度标准差 采用颗粒和黏结构建颗粒体试样，颗粒体试样的尺寸与进行室内岩石力学试验的岩石试样保持一致，如图3所示，进行室内岩石力学试验的岩石试样的岩桥长度1可以为60mm，进行室内岩石力学试验的岩石试样的圆孔直径2可以为8mm，进行室内岩石力学试验的岩石试样的岩桥倾角3可以为90°。赋予颗粒体试样假定的颗粒和黏结细观参数，并对其进行单轴压缩虚拟加载，获取所述颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线。
将获取到的所述颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线，与进行室内岩石力学试验的岩石试样的单轴压缩应力-应变曲线进行比较。通过不断调整颗粒体细观参数(颗粒细观参数和黏结细观参数)，如图4所示，将获得的所述颗粒体试样的单轴压缩的应力-应变曲线与进行室内岩石力学试验的岩石试样的单轴压缩应力-应变曲线进行比较，当获得的所述颗粒体试样的单轴压缩的应力-应变曲线与进行室内岩石力学试验的岩石试样的单轴压缩应力-应变曲线较为吻合一致时，此时颗粒体细观参数可作为最终微观参数，根据所述最终微观参数构建岩石试样的颗粒流模型，本实施例中，吻合是指所述颗粒体试样的单轴压缩的应力-应变曲线与进行室内岩石力学试验的岩石试样的单轴压缩应力-应变曲线的差异在预设的第一阈值内。

[0110] 经过反复调试，采用表1和表2所述的颗粒体细观参数，进行单轴虚拟压缩加载，模拟得到了颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线，该曲线与进行室内岩石力学试验的岩石试样的单轴压缩应力-应变曲线较为吻合一致，由此可以认为所确定的颗粒体细观参数是合理的。

[0111] 表1颗粒体细观参数

[0112]

[0113] 表2位移软化接触模型细观参数

[0114]摩擦系数 剪切强度/Pa 抗拉强度/Pa 压缩刚度/GPa
0 55.40 0.17 16.38
残余摩擦系数 极限塑性位移 剪切刚度/GPa 拉伸刚度/GPa
0 14×10-6 7 15

[0115] (3)对构建的颗粒流模型进行单轴压缩试验。如图5所示为颗粒体模型破坏形式，其中，4、5和6为微裂隙集，7和8为圆孔，在颗粒流模型被破坏后，通过颗粒流软件(Particle Flow Code，PFC)自带的FISH命令，导出每个微裂隙点的位置坐标(坐标值)。通过颗粒流模型中的微裂隙点坐标值生成包含微裂隙点彼此之间距离的文件，该文件包括每一个微裂隙点与其他微裂隙点之间的距离。在这一步中，可以采用的方式是自编写MATLAB函数文件通过读取微裂隙点坐标值，再通过多次循环计算获得的距离数据，并将这些距离数据导出为距离文件。

[0116] (4)通过聚类算法进行聚类分析，确定截断距离和聚类中心：

[0117] 如图6所示，本次聚类共划定了8个微裂隙组，9-16为聚类分析获得的微裂隙组的编号，但是也可以看出，序号为9，10和11微裂隙组可以划分为一个较大的微裂隙组，而序号为12，13和14微裂隙组可以划分为另外一个较大的微裂隙组，在合并微裂隙组的基础上共可以获得三个较大的微裂隙组，将微裂隙组重新分配序号为1、2和3。而15号微裂隙组由于离散性较大，因此不进行主成分分析。

[0118] (5)将(4)中获得的三个微裂隙组进行主成分分析，如图7所示为主成分分析原理示意图，17为第一主成分方向，18为第二主成分方向，19为数据点/微裂隙点，分别获取三个微裂隙组(如图8所示，20为序号为1的微裂隙组，21为序号为2的微裂隙组，22为序号为3的微裂隙组)第一主成分和第二主成分相关信息，3个裂隙组可以以不同颜色区分，各微裂隙组主成分方向和贡献值见表3。由于第一主成分方向与第二主成分方向正交，因此在表3中就不再赘述第二主成分斜率与倾角。第一主成分方向表示相应的微裂隙组的轴向延伸方向，第二主成分方向表示相应的微裂隙组的横向扩张方向，特别地，第二主成分贡献值表征了相应的微裂隙组的扩张程度，该值越大，表示该微裂隙组扩张程度越高。

[0119] 表3主成分分析结果

[0120]

[0121] 实施例二

[0122] 本发明还提供一种确定岩石裂纹发育程度的装置的具体实施方式，由于本发明提供的确定岩石裂纹发育程度的装置与前述确定岩石裂纹发育程度的方法的具体实施方式相对应，该确定岩石裂纹发育程度的装置可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述确定岩石裂纹发育程度的方法具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的确定岩石裂纹发育程度的装置的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。

[0123] 如图9所示，本发明实施例还提供一种确定岩石裂纹发育程度的装置，包括：

[0124] 构建模块23，用于构建岩石试样的颗粒流模型；

[0125] 获取模块24，用于根据构建的颗粒流模型，获得颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值；

[0126] 聚类模块25，用于根据得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，基于微裂隙点的密度进行聚类，并根据各聚类中心的距离，对所述微裂隙集中的微裂隙点进行分组，得到多个微裂隙组；

[0127] 量化模块26，用于采用主成分分析法，分析各微裂隙组的轴向延伸方向和横向扩张方向，并量化各微裂隙组在轴向延伸方向和横向扩张方向上的发育程度。

[0128] 本发明实施例所述的确定岩石裂纹发育程度的装置，通过构建的颗粒流模型，获得颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值；根据得到的所述微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，基于微裂隙点的密度进行聚类，并根据各聚类中心的距离，对所述微裂隙集中的微裂隙点进行分组，得到多个微裂隙组；采用主成分分析法，分析各微裂隙组的轴向延伸方向和横向扩张方向，并量化各微裂隙组在轴向延伸方向和横向扩张方向上的发育程度。

[0129] 在前述确定岩石裂纹发育程度的装置的具体实施方式中，进一步地，所述构建模块包括：

[0130] 确定单元，用于采用颗粒和黏结构建颗粒体试样，其中，所述颗粒体试样的尺寸与进行室内岩石力学试验的岩石试样的尺寸相同；

[0131] 设置单元，用于设置颗粒细观参数和黏结细观参数；

[0132] 加载单元，用于根据设置的颗粒细观参数和黏结细观参数，对所述颗粒体试样进行单轴压缩虚拟加载，得到所述颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线；

[0133] 比较单元，用于将得到的所述颗粒体试样的单轴压缩应力-应变曲线与进行室内岩石力学试验的岩石试样的单轴压缩应力-应变曲线进行比较；

[0134] 构建单元，用于若曲线的差异在预设的第一阈值内，则根据设置的颗粒细观参数和黏结细观参数，构建岩石试样的颗粒流模型；

[0135] 返回单元，用于若曲线的差异不在预设的第一阈值内，则调整颗粒细观参数和黏结细观参数，并返回所述加载单元继续执行。

[0136] 在前述确定岩石裂纹发育程度的装置的具体实施方式中，进一步地，所述获取模块，用于根据构建的颗粒流模型，沿长轴方向进行虚拟单轴压缩，获得所述颗粒流模型破坏过程中的微裂隙集及所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值。

[0137] 在前述确定岩石裂纹发育程度的装置的具体实施方式中，进一步地，所述聚类模块包括：

[0138] 第一计算单元，用于根据所述微裂隙集中每个微裂隙点的坐标值，得到微裂隙点i与其他微裂隙点j之间的距离dij；

[0139] 第二计算单元，用于设聚类中心被具有较小局部密度的周围微裂隙点包围，并聚类中心和其他局部密度较大的微裂隙点之间存在一定的距离，计算微裂隙点i的局部密度ρi：

[0140] ρi＝∑jχ(dij-dc)；

[0141] 第三计算单元，用于计算微裂隙点i离其他具有较大局部密度的微裂隙点j之间的距离δi，其中，若微裂隙点i具有较大局部密度，则δi＝maxj(dij)；否则，距离δi是通过微裂隙点i和其他具有较大局部密度的微裂隙点j之间的最小距离δi确定的，

[0142] 其中，若dij-dc<0，则χ(dij-dc)＝1，否则，χ(dij-dc)＝0；dc是截断距离，dij是微裂隙点i和其他微裂隙点j之间的距离；当局部密度小于预设的第二阈值时为较小局部密度；当局部密度不小于预设的第二阈值时为较大局部密度。

[0143] 在前述确定岩石裂纹发育程度的装置的具体实施方式中，进一步地，所述量化模块，用于采用主成分分析的方法，对各微裂隙组进行分析，获得第一主成分方向、第二主成分方向、第一主成分的贡献值及第二主成分的贡献值；

[0144] 其中，所述第一主成分方向表示相应的微裂隙组的轴向延伸方向，第二主成分方向表示相应的微裂隙组的横向扩张方向，第一主成分方向与第二主成分方向正交；第一主成分的贡献值表示相应的微裂隙组在轴向延伸方向上的发育程度，第二主成分的贡献值表示相应的微裂隙组在横向扩张方向上的发育程度。

[0145] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。