陆相煤系泥岩微观组构及其力学特性关联性研究.doc

陆相煤系泥岩微观组构及其力学特性关联性研究Association Study on Micro Fabric and Mechanical Properties of Terrestrial Coal Series Mudstone摘 要论文在阅读国内外大量的文献的基础上，对采集到的泥质软岩开展了矿物组成、元素分析、微观结构及原岩力学测试等试验研究，运用Matlab图像处理软件对于所得微观结构图像进行图像处理分析，研究其微观组构信息（元素含量和微观结构）和常规原岩力学特性的关系，对微观结构信息进行综合量化评价，并结合力学特性进行多元线性回归分析。本文取得的研究成果具体如下：第一，基于数字图像处理的相关技术及方法，提出来煤系泥岩微观结构图像处理步骤及方法，即利用Matlab软件中图像处理工具，通过编程对微观结构图像进行了处理，采用图像裁剪对图像进行预处理，利用阈值分割和边缘检测对图像进行有效分割，最后完成对图像中微观结构信息的提取。第二，借助力学强度试验测定了陆相煤系泥岩抗压、抗拉和抗剪强度，进一步分析了微观组构与其力学特性的关系。第三，对陆相煤系泥岩的微观结构信息采用主成分分析法进行综合量化评价，建立一个相对较为合理的参数来代替各单因素评价指标对陆相煤系泥岩微观结构进行综合量化评价，并结合常规力学参数采用多元线性回归分析法建立4者间合理的数学关系式。 本论文有图34幅，表20个，参考文献75篇。关键词：陆相煤系泥岩；矿物组成；微观结构；图像处理；力学特征；微观结构参数量化IAbstractThe paper reviewed a large number of domestic and foreign literature. In this paper, terrestrial coal series mudstone is the research object. We examine the mineral composition, element content, microstructure and the original rock mechanics characteristics With image processing tool of Matlab, we analyze the obtained microstructure image. And we also study the relationship between micro fabric and mechanical properties. Mathematical statistics is adopted for determining the weight of each single-factor index of the microstructure. Finally, we get a parameter which reflects the microstructure of. terrestrial coal series mudstone. Combining with the mechanical characteristics, we establish a multiple linear regression model.Firstly, based on relevant technology and method of digital image processing, we raise steps and methods for meso-image processing of coal series mudstone. Image enhancement is used to preprocess for the images. And we use threshold segmentation of gray-scale and edge detection algorithms for image segmentation. At last, we extract the parameters of the microstructure features.Secondly, with the mechanical strength tests, we examine the compression strength, the tensile strength, and the shear strength of the terrestrial coal series mudstone. And we continually analysis the relationship between micro fabric and its mechanical properties.Thirdly, using principal component analysis study the method of comprehensive quantitative evaluation of the microstructure information. A relatively reasonable composite quantification parameter that reflects the other single-factor is established.Combined with the conventional mechanical parameters, we establish a reasonable mathematical relationship by multiple linear regression. At the end, we can look into the microstructure parameters by the conventional mechanical characteristic parameters.There are 34 figures and 20 tables as well as 75 references in the paper.Keywords:Terrestrial coal series mudstone; Mineral composition; Microstructure; Digital image processing; Mechanical characteristics; Quantitative microstructure parametersII目 录摘要I目录III图清单VII表清单IX变量注释表XI1 绪论11.1 选题背景及意义11.2 国内外研究现状21.3 研究内容及方法72 泥岩组构及其沉积环境判别102.1 泥岩基本特征102.2 泥岩物质成分分析102.3 沉积环境判别162.4 泥岩微观结构特征192.5 本章小结273 基于Matlab提取图像微观结构参量283.1 微结构定量研究方法283.2 SEM图像微观信息提取方法293.3 陆相煤系泥岩微观参数提取结果363.4 本章小结464 陆相泥岩强度特性试验研究474.1 简述474.2 实验条件及方法474.3 陆相泥岩强度特性试验研究504.4 本章小结555 组构与其力学参数的研究575.1 组构与其力学参数的关系575.2 微观结构综合量化参数的确定665.3 综合量化参数与常规力学参数定量关系研究685.4 本章小结716 结论与展望736.1 结论736.2 展望74参考文献75作者简历79学位论文原创性声明80学位论文数据集81VContentsAbstractIIContentsVList of FiguresVIIList of TablesIXList of VariablesXI1 Introduction11.1 Background and Significance 11.2 Present Domestic and International Research Status21.3 Research Contents and Methods72 Mudstone fabric and its sedimentary environment102.1 Basic characteristics of mudstone102.2 Analysis of mudstone material composition102.3 Discriminant of sedimentary environment162.4 Microstructure characteristics of mudstone192.5 Chapter Summary273 Extraction from Microstructure Image Based on Matlab283.1 Research Methods of Quantitative Microstructure283.2 Micro Information Extraction Method of SEM Image293.3 Micro Parameter Extraction on Coal Series Mudstone363.4 Chapter Summary474 Strength characteristics of terrestrial coal series mudstone474.1 Brief474.2 Experimental Conditions and Methods474.3 Experimental Study on the Strength Characteristics of Terrestrial Coal Series Mudstone504.4 Chapter Summary555 Study on Microstructure and Mechanical Parameters575.1 Relationship between Microstructure and Mechanical Parameter575.2 Determination of Comprehensive Micro Parameters665.3 Study on the Relationship between Comprehensive Parameters and Mechanical Parameters685.4 Chapter Summary716 Conclusions and Prospect736.1 Conclusions736.2 Prospect74Reference75Author Resume79Declaration of Thesis Originality80Thesis Data Collection81图清单图序号图名称页码图1-1技术路线图9Figure 1-1Technology roadmap9图2-1D8 ADVANCE型X射线衍射仪11Figure 2-1D8 ADVANCE X-ray diffractometer11图2-2干燥箱12Figure 2-2Blast oven12图2-3试样的研磨及筛选12Figure 2-3Grinding and Selecting sample12图2-4煤系泥岩衍射图谱15Figure 2-4Coal seriers mudstone diffraction patterns15图2-5X射线荧光光谱仪17Figure 2-5X-ray Fluorescence17图2-6压片机17Figure 2-6Tabletting machine17图2-7FEI QuantaTM 250扫描电子显微镜21Figure 2-7FEI QuantaTM 250 scanning electron microscope21图2-8园子沟矿泥岩微观结构特征（1#）23Figure 2-8Microstructure features of Yuanzigou coal mine mudstone (Sample 1#)23图2-9曹村矿泥岩微观结构特征（2#）24Figure 2-9Microstructure features of Caocun coal mine mudstone (Sample 2#)24图2-10姚桥矿泥岩微观结构特征（3#）25Figure 2-10Microstructure features of Yaoqiao coal mine mudstone (Sample 3#)25图2-11桃园矿泥岩微观结构特征（4#）26Figure 2-11Microstructure features of Taoyuan coal mine mudstone (Sample 4#)26图2-12 桃园矿泥岩微观结构特征（5#）27Figure 2-12Microstructure features of Taoyuan coal mine mudstone (Sample 5#)27图3-1Matlab处理微观结构图像的技术路线图30Figure 3-1Technology Roadmap of processing microstructure image by Matlab30图3-2RGB图像转换为灰度图像33Figure 3-2Converting from RGB image to gray image33图3-3灰度图像的灰度直方图33Figure 3-3Graylevel histogram of grayscale image33图3-4阈值选择对图像二值化的影响35Figure 3-4Influence of threshold selection on binary image35图3-5阈值与孔隙率之间的关系35Figure 3-5Relationship between threshold value and porosity35图3-6陆相煤系泥岩微观结构颗粒分形特征41Figure 3-6The particle fractal characteristics of microstructure in terrestrial coal series mudstone41图3-7SEM图像的定向玫瑰花图43Figure 3-7The direction rose diagram of the SEM iamge43图4-1ZS-100型岩石钻孔机48Figure 4-1ZS-100 type rock drilling machine48图4-2自动岩石切割机48Figure 4-2Automatic rock cutting machine48图4-3双端面磨石机48Figure 4-3Double stone machine48图4-4MTS815.03试验机49Figure 4-4MTS815.03 Tester49图4-5煤系泥岩试件抗压强度试验50Figure 4-5The compressive strength test of coal series mudstone samples50图4-6煤系泥岩试件抗拉强度试验52Figure 4-6The tnesile test of coal series mudstone samples52图4-7煤系泥岩试件抗剪强度试验54Figure 4-7The shear test of coal series mudstone samples54图5-1SiO2含量与陆相泥岩力学参数的关系58Figure 5-1Relationship between SiO2 content and mechanical parameters58图5-2烧失量与陆相泥岩力学参数的关系图59Figure 5-2Relationship between ignition loss and mechanical parameters59图5-3孔隙率与陆相泥岩力学参数的关系图60Figure 5-3Relationship between porosity and mechanical parameters60图5-4形状系数与陆相泥岩力学参数的关系图61Figure 5-4Relationship between shape factor and mechanical parameters61图5-5颗粒分布分维与陆相泥岩力学参数的关系图62Figure 5-5Relationship between fractal dimension and mechanical parameters62图5-6概率熵与陆相泥岩力学参数的关系图63Figure 5-6Relationship between probability entropy and mechanical parameters63图5-7欧拉数与陆相泥岩力学参数的关系图64Figure 5-7Relationship between euler number and mechanical parameters64VII表清单表序号表名称页码表2-1泥岩样品X射线荧光光谱分析主量及微量元素含量-117Table2-1X-ray fluorescence analysis of major and trace element content17表2-1泥岩样品X射线荧光光谱分析主量及微量元素含量-218Table2-1X-ray fluorescence analysis of major and trace element content18表2-2锶钡分布与分配19Table2-2The distribution of strontium and barium19表2-3FEI QuantaTM 250扫描电子显微镜主要性能指标21Table2-3Main performance indicators of FEI QuantaTM 250 scanning electron microscope21表3-1不同分辨率和放大倍数的转换因子32Table 3-1Conversion factors of different resolution and magnification32表3-2灰度图像手动选取阈值36Table 3-2Manually selecting threshold of gray image36表3-3基本结构参数的提取37Table 3-3Extraction of basic structure parameters37表3-4基本粒径参数的提取39Table 3-4Extraction of basic aperture parameters39表3-5粒径划分界限与像素的对应关系40Table 3-5Corresponding relation between boundary length and pixels of particle size grading40表3-6陆相煤系泥岩颗粒分布分维结果40Table 3-6The fractal dimension of particle in terrestrial coal series mudstone40表3-7泥岩样品微观结构定向概率44Table 3-7Microstructure orientation probability of mudstone samples44表3-8微观结构排列的概率熵44Table 3-8Probability entropy of the microstructure image44表3-9微观图像形状系数和欧拉数46Table 3-9The shape factor and euler number of the microscopic image46表4-1陆相煤系泥岩抗压强度试验结果51Table 4-1The compressive strength test results of terrestrial coal series mudstone51表4-2陆相煤系泥岩抗拉强度试验结果53Table 4-2Tensile strength test results of terrestrial coal series mudstone53表4-3陆相煤系泥岩抗剪强度试验结果55Table 4-3The shear strength test results of terrestrial coal series mudstone55表5-1微观结构参数表66Table 5- 1The table of microstructure parameter66表5-2主成分提取表67Table 5-2Principal component extraction table67表5-3单因素得分表68Table 5-3The score table of single factor68表5-4综合量化参数与常规力学参数关系表69Table 5-4Therelational table between comprehensive quantitative parameter and conventional mechanical parameters69表5-5实测计算值与回归预测值差值71Table 5-5Difference between calculated and regression results71XI变量注释表p进汞施加压力r毛细孔半径汞的表面张力系数浸润角微米单位下的长度Lx像素意义下的长度C长度转换因子n孔隙度e表观孔隙比D分布分维值各向异性率Hm概率熵K形状系数E欧拉数单轴抗压强度岩石最大破坏载荷岩石抗剪破坏力C黏聚力内摩擦角R岩样微观结构综合量化参数2 泥岩组构及其沉积环境判别1 绪论1 Introduction1.1 选题背景及意义(Background and Significance )岩石是自然界的产物，它是在各种不同随机因素作用下经历了漫长而又复杂的地质构造运动后形成的地球介质，是组成地壳和地幔的主要物质。多数岩石是由一种或几种造岩矿物按一定的方式组合而成的天然聚集体，它们大多具有一定的结构、化学成分和矿物成分，很少见到单矿物组成的岩石12。随着人类工业文明的不断发展，人类对于身边岩石的认识和利用也在不断地深入和发展，虽取得了显著的成果，但也付出了沉痛的代价。例如：近年来不断发生的煤矿事故和岩石边坡的滑塌，其大多是由于岩石的失稳破坏造成的，这也给整个社会造成了恶劣的影响，进一步表明了人类认识岩石力学性质的迫切性。目前，工程实践上为了研究岩石强度和变形特性及岩石发生破裂的发展过程，广泛使用实验室力学参数34的测定方法，即从地层中取得一定长度的岩心，利用岩石力学测试系统对圆柱形岩石试件进行单轴或三轴压缩试验，通过应力-应变关系曲线直观的表示岩石的变形特征，而这种方式也是现阶段测定岩石力学性质的最为有效的方法，但是由于以前的勘探资料没有相关的力学参数，如果要搞清某一地层岩层的力学参数，必须重新进行勘探钻孔，然后进行取芯，最后送到实验室进行力学参数的确定，这不仅需要大量的人力物力，也浪费了许多宝贵的时间，严重影响到了整个工程的经济效益。如何能够简单不过这也对我们目前许多的岩石力学研究者提出了新的挑战，并推进岩石力学的研究到一个新的高度。当前，岩石力学是研究岩石与岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境的力场的反应的力学分支。从岩石角度来讲，它是一门复杂而又有迹可循的学科，首先岩石是有多种矿物颗粒、孔隙和胶结物组成的混合体，经过亿万年的地质变动和复杂多变的构造运用，使其内部产生了大量随机分布的微裂隙、微孔洞、节理、断层等，因此岩石既不是一种理想的连续介质（存在宏、细、微观的不连续性），又不是严格意义上的离散介质（结晶材料）。从力学角度来看，岩石力学就是要解决岩石的变形、强度和破坏的力学性质和力学效应问题。在岩石力学研究的过程中重要的参数指标为岩层的抗拉强度、抗压强度、弹性模量、泊松比容重等，所以如何有效的测定岩层的力学参数对现阶段岩石力学的研究具有重要的意义5。在当前的岩石力学研究中，人们早就注意到岩石的成分以及结构对岩石力学性质的影响，并对之进行了积极研究，且取得了很有意义的定性认识6，例如：石英含量越高，岩石的强度也就越大；细颗粒岩石比粗颗粒岩石的强度高；随着孔隙率的增加，抗压强度随之减少等。众所周知，相同的岩性，不同的沉积环境、不同的地质年代、不同的埋藏深度、不同的构造条件、不同的沉积气候，这些因素容易导致岩石微观组构及其力学性质大为不同，本文从泥岩微观组构入手，分析其微观组构（SiO2含量、烧失量、孔隙率、形状系数、概率熵、分布分维值以及胶结状况）与抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度之间关系，建立微观结构综合量化评价参数，并利用多元线性回归建立该参数与其常规力学参数间的模型。1.2 国内外研究现状(Present Domestic and International Research Status)泥岩按工程分类属于软质岩石，在地层中常夹在坚硬岩层之间，其所含成分非常复杂，其主要组成部分包括高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石以及混层粘土等粘土矿物，它的主要结构组成为泥质结构和泥质胶结，这些因素导致其力学强度低，物理指标差。泥岩的基本力学参数有单轴抗压强度、软化系数、抗剪强度、弹性模量、泊松比、膨胀力和膨胀率等，这些参数常因地区和层位不同而不同。泥岩通常由细颗粒构成、孔隙度大且不同层位孔隙有差异，且泥岩具有抗压强度小、抗拉强度小、软化系数大、抗剪强度小、吸水膨胀和失水收缩、易崩解等特征，因此泥岩段在整个岩体工程中是最容易引起变形破坏的部位，也是工程的要害点7。从分布上看，泥岩在我国分布广泛，矿物成分和物理力学参数差异也大，具有重大研究意义。近年来有不少专家积极研究微观组构与岩石力学之间的联系，希望能够找到二者之间的关系，目前取得不少可喜的成果。本文希望能够在前人研究基础之上，力求寻找陆相煤系泥岩微观组构,建立微观结构综合量化评价参数，并以该参数为因变量建立其与各力学特性之间的模型。1.2.1 沉积学研究现状沉积学是从沉积岩石学基础上发展起来的。沃德尔（H.A.Wadell）1932年认为“沉积岩石学”主要是针对沉积岩的薄片研究，提出“沉积学”是研究沉积物的学科，从那以后，沉积学就作为一门研究沉积物的物质成分、结构构造、分类及其形成作用，以及沉积环境和分布规律的重要学科8。研究对象为沉积物和沉积作用，包括研究未曾石化和已经石化的天然沉积物及自然环境中沉积作用的过程和机理9。沉积学作为地质科学的一个分支，它与流体力学和地层古生物学密切相关，与物理学、化学、海洋学、气象学、水文学、土壤学、建筑学也有重要联系。沉积学的发展从初始研究阶段,经过了专业化阶段直到形成现代沉积学，大致经历了100多年。概括说来，现代沉积学具有以下几个特点10-14：(1)从局部的地区性研究发展到全球性研究；(2)正沿着纵向深入，横向交叉渗透的两个方向发展，一些起点高、难度大、科学意义明显的热点研究方向及分支学科正在形成；(3)研究转变为广泛的社会领域的研究，沉积学的任务不仅是了解地球历史中沉积作用的过程演化，而且和当代人类活动的三大基本问题人口、资源、环境密切相关。长期以来，地球科学通过恢复和重建地球的发展演化历史来指导人类寻找矿产、能源和地下水，从而满足人类社会进步的需求。随着社会经济的发展,人口、资源、环境等全球性问题，直接威胁着人类生存和社会进步。这也为地质学的发展提出了很好的机遇，而沉积学作为地质学的主要基础学科之一，也面临着重大的发展机会，未来其研究重点和前沿将紧紧围绕资源、环境、灾害和全球变化四个主题展开，更重要的、新的分支学科将飞速发展。1.2.2 泥岩岩石力学性质研究现状泥岩的力学性质主要表现为单轴抗压强度和单轴抗拉强度低，按工程分类属于软质岩石。当泥岩矿物成分中含有大量的亲水矿物（主要以蒙脱石为主）时，泥岩在一定的渗透压力或水动力条件下将会产生物理、化学和力学作用，这些变化将导致工程岩体发生变形破坏。总结起来，泥岩由粘土矿物和非粘土矿物组成，其中粘土矿物主要包括蒙脱石、高岭石、绿泥石和混层矿物；非粘土矿物主要以碎屑矿物和胶结物为主，胶结物通常主要包括碳酸钙和赤铁矿。目前，针对泥岩工程力学性质的研究主要包括以下几个方面：矿物成分，特别是关键的膨胀性粘土矿物成分；岩体微观结构；流变特性及非线性大变形；工程岩体力学理论等。（1）矿物成分对力学特性影响人们很早就注意到岩石的成分对岩石力学性质的影响，早在上世纪 50 年代，国外就开始针对软岩矿物成分与物理力学关系进行研究。日本学者须腾俊男15研究软岩中蒙脱石的力学膨胀作用，而我国学者陈宗基16也提出了软岩扩容的膨胀效应问题。他把膨胀划分为：碎胀（扩容引起的体积膨胀），物理化学作用产生的自由膨胀；弹性变形恢复引起的流变膨胀。刘艳辉等17使用岩性分析、X光衍射实验及定量分析、物理力学性质试验方法，分析了岩层间夹层厚度、分布位置、粒度成分、不溶物含量、岩石膨胀性之间的关系。李洪志，彭涛，何满潮18-20，温春莲21，陈新万、周翠英22等研究了不同矿物含量与含水率对岩石力学性质的影响。Johansson等23指出矿物成分、微裂隙、孔隙度、颗粒大小、颗粒形状和面理发育程度是影响岩石力学性质的最重要因素，分析和总结了不同矿物的性质，以及它们对岩石力学性质的影响。车平等24对海相粉砂质泥岩的微观结构、矿物成分、化学成分、遇水软化特性进行了试验研究，分析了泥岩浸水前后单轴抗压强度、波速、孔隙率、孔隙表面积、化学成分的变化，并认为岩石微裂隙的产生和岩石的不均一性密切相关。Lindqvist 等25研究了岩石材料的矿物成分，颗粒大小、形状、分布，孔隙度，以及微裂纹等内部性质对岩石物理性质和力学性质的影响。卢运虎等26使用室内试验方法研究了钻井液浸泡下深部泥岩的强度弱化情况，分析取芯夹角、岩石强度、围压大小、弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力之间的变化关系，探讨了水的作用、裂缝萌生、裂缝扩展及其泥岩强度之间的关系。孟召平、彭苏萍等27研究了煤系泥岩组分特征对其岩石力学性质的影响，建立了泥岩的力学性质与其化学成分之间的定性定量关系。Wong28等研究了初始微裂隙密度和微观组分颗粒分布对大理岩单轴抗压强度的影响。朱宝存、唐书恒、张佳赞等29研究了决定煤岩力学性质的主要控制因素，如孔隙特征、含水率等。（2）微观结构对物理力学特性影响软岩的微结构与岩体的各向异性总是密切相关，特别是煤系泥质软岩由于地质成因和地质再造导致岩体各向构造和成分的显著不同，增加了岩体的各向异性程度。现在些岩石力学工作者已注意到各向异性效应的微观机理研究。王幼麟30等研究表明沉积类岩石具有明显的各向异性，当应力作用时，会产生局部附加应力。裂隙岩体的各向异性和裂隙方位的非对称性会导致变形和破坏过程中裂隙的分歧，而且裂隙作为水力通道，孔隙作为储水空间，它们对水岩耦合作用有着显著影响。Li等31总结了已有的多孔介质材料单轴强度与孔隙度的关系式，在此基础上进行了演绎和推广，得出了相对比较普适的关于单轴强度和孔隙度的关系式，并将此公式应用到岩石、陶瓷与混凝土等材料。王树义、闫海明等32分析地质构造对沉积岩地层构造裂隙起主导控制作用。吴恩江、韩宝平等33研究了水岩作用微观信息特征及对孔隙演化的影响，通过对大量岩块系统分析，建立了水岩作用下的孔隙结构演变模式。Ersoy 等34认为组构特征决定着岩石的力学性质，并采用现代图像分析系统对岩石的组构特征进行了定量的研究，将组构特征对岩石力学性质的影响归纳为组构系数对岩石力学性质的影响。傅雪海、秦勇等35根据对煤岩体宏观与显微裂隙的系统统计与观测，计算了孔隙的分形维数和面密度维数，分析了煤变质程度与裂隙发育程度的关系。胡昕、洪宝宁等3637运用多元线性回归分析法对微结构量化参数和无侧限抗压强度进行关联性分析，筛选出对红砂岩无侧限抗压强度有显著影响的微结构要素，认为红砂岩的单轴抗压强度主要与密实程度、微孔洞等缺陷的分布情况及矿物颗粒之间的联结状态有关。潘留生38利用扫描电镜获取泥岩微观结构图像，认为泥岩面积和短轴长度之间具有很好的相关性，圆形度和等效直径之间具有较好的相关性。张丹、陈安强、苏友波、段红平、刘刚才等39利用扫描电镜对云南紫色泥岩的微观结构进行观测，研究认为泥岩颗粒分维数越小则大粒径的颗粒则越多，孔隙的联通性越好，孔隙比较均匀，易使泥岩风化崩解。（3）软岩流变与非线性大变形力学特点研究流变性是指岩石的应力应变关系与时间因素有关的性质，岩石的流变性包括蠕变、应力松弛和弹性后效40。在岩体的力学特征和力学响应方面，岩体的本质为不连续的各向异性流变体。陈宗基41根据长江葛洲坝坝基泥化夹层的研究，利用松弛试验，提出确定长期强度的本构方程。郭志42针对软岩存在状态的易变性和围岩压力与时间效应分析，认为软岩强度用流变强度极限比较合理，并给出了流变强度极限和取值区间。刘高43提出了结构性流变的观点，结构面依应力状态而发生与时间相关的力学响应，致使工程岩体表现出显著的流变。范秋雁44通过研究蠕变与弹塑性变形之间的相互关系及围岩流变的机理，将一个复杂的粘弹塑性问题转化为简单的弹塑性问题来近似求解。（4）岩体力学数值分析研究工程岩体力学理论研究连续介质理论是以连续介质假设为基础，借助于固体力学、材料力学来认识岩石稳定性问题。其主要分为两大类：解析解和数值解。解析解的理论解法，本质上是建立岩体力学模型，采用数学方法对岩体弱面等缺陷进行处理，“只要能估算出层面和节理的平均影响程度，就可以用连续介质理论以足够的精度解决岩石力学问题”45。块体理论：真正考虑到岩体结构面的影响，并将之运用到岩体力学计算中的是 R.E.Goodman 等(1968)提出了无厚度接触单元(即Goodman 节理单元)。其特点是直接以岩体中节理的分布形态和力学特征为基础，进行应力、应变和稳定性计算。基于有限差分，同时考虑了界面单元，Itasca 咨询集团公司开发了软件 FLAC(Fast Lagranian Analysis in Continua)连续介质快速拉格朗日分析法46。P.A.Cundall(1971)提出的刚性块离散单元法，它将具有不连续变形性质的节理岩体视为被结构面分割成的各自独立的岩块，岩块沿结构面可无限制地变形，岩块本身为刚性块体47。Cundall(1986)进一步完成了块体自身可变形的离散元法，Itasca 咨询集团公司利用此结果并与边界元法耦合，开发出大型商业软件UDEC 和 3DEC，是目前对节理化岩体进行数值计算有效的方法，该方法较好地反映了岩体变形的实质，在岩体工程得到广泛应用。基于拓扑学原理，以赤平极射投影和矢量运算为工具，石根华创立了关键块体理论48。随后在关健块体理论基础上，石根华进一步提出不连续块体变形理论4950，以模拟复杂加载条件下离散块体系统的非连续大变形行为。这些块体理论，从根本上克服了连续介质力学的缺陷。岩体力学数值计算方法的数值解，是以有限单元法、边界元法、离散元法等数值计算方法为理论基础，而编撰的计算软件，如 ADINA、UDEC、FLAC 等，可以求解较为复杂的岩体工程问题。但是由于对岩体的各种结构面、弱面的等效处理并未能真实反映出岩体的客观复杂性和力学行为本质，以及无法准确得到岩体力学参数，使人们怀疑计算机模拟是否可靠，因此，大大限制了计算机分析技术的发展。1.2.3 图像处理技术研究现状扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）技术已广泛运用到岩土体的微观结构研究。在对这些岩土体进行微观结构分析中获取了大量的SEM照片，不同比例尺的SEM照片反映了不同结构层次上粘土颗粒集合体的空间分布与联结的形貌特征。如何准确提取SEM照片包含的定量化结构信息已成为当前较为关注的问题。南京大学的施斌、李生林等515253在莫斯科大学研制的 Videolab 图像分析系统的基础上，研究了我国海相软粘土的结构定向性和有序性的定量表述方法，并对其结构特征进行了定量评价，获得了孔隙性、形态、颗粒定向性和各向异性率及结构概率熵等定量指标，并且基于图像处理的基本原理，提出了粘土微观结构简易定量分析的方法。地质所吴义祥54研制了土体结构图像的定量分析系统，阐述了粘土结构状态参数：结构熵、结构单位的平均粒径、平均形状参数的变化规律，分析了结构变化与粘土特殊物理力学性质之间的关系。王宝军、施斌、刘志斌和蔡奕等55利用地理信息系统软件计算土体中颗粒形态分形维数的方法，论证了黏性土微观结构的分形特征，并分析了分形维数与土体微观结构类型间的关系。唐朝生等56研究了阈值大小、分析区域大小、扫描点位置、放大倍率等因素对土体微观结构定量研究的影响，探讨了各因素的影响机理。王婧57采用南京大学地球物理科学系开发的微结构处理程序PCAS软件研究了珠海软土固结性质的微观试验部分，对土样微结构的几何参数与孔隙结构进行了有效的定量化计算，并迅速求出软土试样的孔隙率。朱珍德、梁文平、蒋志坚等58利用Matlab软件对图片进行处理，并从中提取微裂隙的长度、方位角、宽度、面积和周长等细观信息。利用统计学理论对获取到的微裂隙细观信息进行统计分析，得到各参数的统计规律，进一步运用 Monte Carlo 理论模拟符合以上统计规律的岩石细观结构体。根据几何损伤理论计算得到岩石的本构模型，理论模拟结果与实验结果较为吻合。Tovey 等5960研制细粒土的 SEM 图像处理系统方面取得了非常大的进展，通过图像分析可取得孔隙、颗粒大小、形态等定量参数，并且在土体结构定向性参数得获取上效果明显。通过上述国内外研究现状的分析可以看出，关于土体的SEM图像处理技术的定量化研究目前已取得了较为丰硕的成果，但是对于泥岩等工程地质软岩的研究开展的非常少。随着我国经济的持续快速发展，能源需求量越来越大，煤炭产量逐年大幅攀升61。由于浅部资源逐渐减少和匮乏，煤炭开采逐步转向深部，而且从北到南一系列第三纪褐煤田的不断开发，使得地下巷道有相当一部分布置于泥质软岩中，因此深入研究泥质软岩的物质组成、结构及其力学特性等具有重大意义，目前需要开展以下几个方面的工作：（1）对于细分到不同地区的泥岩的比较研究目前相对来说较少，不同成岩环境所形成的泥岩，其组成和力学性质也各不相同，因此对其开展详细研究是非常有意义的。（2）目前图像处理技术在土体的研究方面应用已经较为成熟，但是在研究泥岩这类的沉积岩方面运用的相对较少，其运用是否合理准确尚有待考证。（3）将泥质软岩的微观结构和其宏观力学指标联系在一起进行考虑，建立微观结构和宏观力学指标两者之间的数学模型。1.3 研究内容及方法（Research Contents and Methods）1.3.1 研究内容（1）煤系泥岩沉积环境判别对所采集的泥岩进行X射线荧光光谱分析，测其元素含量，根据元素地球化学标志判断泥岩的沉积环境，然后利用D8 ADVANCE型X射线衍射仪对取得的泥岩试样进行典型组分分析，恢复沉积古气候条件。（2）煤系泥岩微观结构差异性研究利用扫描电镜试验（SEM）对取得的泥岩试样进行微观结构分析，获得煤系泥岩微观结构参数，具体为：孔隙率，形状系数、概率熵、分布分维值以及胶结状况等。（3）煤系泥岩的力学性质测试利用SANS电液伺服岩石力学试验系统对煤系泥岩进行岩石力学性质测试，测得主要力学参数，具体为：单轴抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度等。（4）微观组构与力学性质之间关联性研究通过泥岩标件试样的上述试验分析其微观组构（SiO2含量、烧失量、孔隙率、形状系数、概率熵、分布分维值以及胶结状况）与抗压强度、抗剪强度之间关系，建立微观结构综合量化评价参数，并利用多元线性回归建立该参数与其常规力学参数间的模型。1.3.2 研究方法及技术路线本次论文主要借助于美国SANS电液伺服岩石力学试验系统、X射