目的

　　天然岩体具有力学特性非均匀和随机裂隙展布特征，在数值分析中科学模拟岩体的非均质、随机裂隙展布特征是岩体工程变形、强度及稳定性分析的关键。

方法

　　本文将岩体视作由非均质岩块和随机裂隙组成，利用Weibull分布模拟岩块力学特性参数如弹性模量等的非均匀性；假设裂隙几何形状参数如形心、迹长、隙宽、倾角分别服从均匀分布、负指数分布、正态分布等，裂隙的密度服从泊松分布，进而建立的非均质、随机裂隙岩体虚拟模型。利用Monte-Carlo随机模拟技术，在Matlab6.0下开发了相应的虚拟岩体生成程序HRFRGM。在岩体力学试验和工程地质调查基础上, 利用 HRFRGM能生成与实际岩体工程特性相近的虚拟岩体。将非均质岩块视作弹塑性材料，基于弹塑性变形理论和瓦斯渗流理论，建立了基质岩块的变形-渗流耦合模型；利用Desai单元模拟展布裂隙的变形特征，建立了裂隙变形和瓦斯流动耦合模型，进而建立了非均质、随机裂隙岩体变形和瓦斯流动耦合数学模型，并开发了相应的数值计算程序HRFRGM-Coupling Analysis。数值算例分析了某瓦斯抽放井的瓦斯抽放过程。首先，基于现场调查确定了工程煤岩体裂隙几何形状参数的统计分布规律和统计参数，通过室内力学试验确定了煤岩块弹性模量和强度参数的Weibull统计参数，然后利用HRFRGM生成工程虚拟煤岩体，利用HRFRGM-Coupling Analysis 进行瓦斯抽放模拟。

结果

　　对生成的非均质、随机裂隙煤岩体的单元力学参数值和随机裂隙网络进行统计分析, 结果表明, 生成的煤岩体的力学参数及随机裂隙网络符合预期, 这表明本文提出的非均质、随机裂隙岩体模拟方法合理. 对非均质、随机裂隙煤岩体内的瓦斯抽放过程进行模拟，获得了瓦斯抽放过程中煤岩体的应力、位移和瓦斯压分布，从计算结果可以看出：（1）随机裂隙的存在能缩短瓦斯渗流路径, 加速瓦斯抽放; （2）裂隙是否与抽放井连通对抽放效果具有显著影响 , 连通裂隙的影响要比非连通裂隙的影响大得多, 因此在评价抽放井产气速度时应考虑裂隙的分布密度；（3）煤岩的非均质力学特性导致了抽放过程中局部区域发生了破坏 , 这些区域的透气性显著增强 , 进而影响瓦斯压的分布规律 , 使得其不再呈现对称性, 这与工程观测数据和理论定性分析的结果相符。

结论

　　本文利用 Monte-Carlo随机模拟技术模拟基质岩块的非均质力学特性, 生成岩体内的随机裂隙网络, 建立了非均质、随机裂隙展布岩体生成模型 , 并开发了相应的程序 HRFRGM. 利用HRFRGM不仅能较好地模拟岩体的非均质、随机裂隙展布特性，而且能自动转化为有限元模型，进行数值分析。在HRFRGM基础上，建立了非均质、随机裂隙展布煤岩体变形和瓦斯流动耦合数学模型，并开发了相应的数值计算程序HRFRGM-Coupling Analysis，利用该程序能较好地反映岩体非均质、随机裂隙展布对瓦斯抽放过程的影响。