【摘 要】
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本文在随机生成不同裂隙分维值的裂隙网络基础上,采用地下水渗流数值模拟技术,根据含水层随机补排特点,研究分数高斯噪声（fGn）和分形布朗运动（fBm）两种时间分形侧向边界流量随机过程下,岩溶裂隙介质含水层的水位波动分形特点,建立裂隙网络分维值与水位波动分维值之间关系。最后选取淮南煤田潘谢矿区太灰上段水位数据,分析其时间分形特征,并结合断裂分维值验证模拟分析的结论,揭示岩溶裂隙网络介质水位波动时间分形
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本文在随机生成不同裂隙分维值的裂隙网络基础上,采用地下水渗流数值模拟技术,根据含水层随机补排特点,研究分数高斯噪声（fGn）和分形布朗运动（fBm）两种时间分形侧向边界流量随机过程下,岩溶裂隙介质含水层的水位波动分形特点,建立裂隙网络分维值与水位波动分维值之间关系。最后选取淮南煤田潘谢矿区太灰上段水位数据,分析其时间分形特征,并结合断裂分维值验证模拟分析的结论,揭示岩溶裂隙网络介质水位波动时间分形与空间分形之间的联系。全文取得主要成果如下:（1）基于蒙特卡洛原理,利用MATLAB平台开发出了平面二维及三维裂隙网络的随机生成技术程序,同时编制出了裂隙网络切面分维值盒维数求取程序。应用AutoCAD软件将蒙特卡罗生成的裂隙网络导入FLAC3D生成数值模型,为裂隙含水层数值计算提供了模型基础。（2）fGn补排源边界流量下,含水层水位波动在距离补排源较近处的断面才具备分形波动特点;而fBm补排源边界流量下,只有在裂隙较发育的含水层中才能出现分形水位波动特点。两种边界流量下,随着监测断面距边界的越远,由于含水层的过滤阻尼作用,水位波动时间序列的尺度性指数β值变大,表明分形特点减弱,确定性增强,水位波动逐渐变为原始水位背景值。同时,随着裂隙网络复杂程度加大,也就是裂隙网络分维值增大,同一监测断面的水位波动数据的尺度性指数β值减小,监测断面距离随机补排边界越远处也具有分形波动特点。另外,时间序列水位波动分维值随裂隙网络的分维值增大而增大。（3）裂隙网络的复杂性及含水层的渗透性并不改变其阻尼特性,只是改变其作用强度;含水层渗透性越强,水位波动幅度越低,时间序列越平稳,同时水位波动的分形特点也越显著。由于导水陷落柱的水源补给,其水位波动时间序列总体上高于无陷落柱时的水位;同时期水位波动时间序列的时间尺度系数β比无陷落柱大,可能是由于含水层存在陷落柱,系统对低频组分的削减减弱,使水位在低频下相关性增强。（4）潘谢矿区太原组灰岩上段C3I组灰岩水位变化主要受区内A组煤开采疏放灰岩水的影响,导致其水位大幅下降,下降的幅度大小与钻孔所处的断裂构造存在着较大关联。矿区C3I组灰岩长观孔水位波动的功率谱图在高频处为高斯白噪声,在低频处为fBm,是非平稳波动的时间序列,可得出各钻孔水位波动数据分维值D在1.08～1.57之间,其中潘三矿东部、丁集矿北部和谢桥矿北部水位波动分维值较小。（5）采用盒维数法计算出矿区断裂分维值并据此对构造发育程度进行了分区,得出矿区构造发育以中等和复杂为主,构造简单区零星分布,主要在潘三矿东部、顾桥矿东南部、张集矿的西北部以及谢桥矿的北部等。对比钻孔水位波动分维值与其所处的断裂分维值,二者变化趋势基本一致,线性相关关系较好,在构造简单区水位波动的分维值也较小,这与第四章数值模拟成果,即时间序列水位波动分维值随裂隙网络的分维值增大而增大,取得了很好的一致,进一步证实了数值模拟成果的有效性。（6）实例分析表明,潘谢矿区长观孔水位波动时间序列在低频处（主波动幅度）时间尺度性指数β在1～3之间,呈现fBm分形波动特点,进一步可推算钻孔附近存在径流带。同时钻孔分维值越大（β值越小）可反映出构造裂隙越发育,岩体渗透性越强等重要结论,可为煤矿水害防治指明地下水富集靶区。图[66]表[14]参[113]
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