Влияние формы дефекта на поведение при ползучести и развитие разрушений в угольной породе с использованием улучшенной модели

Скрытые слабые места в подземных породах

Глубоко под землей порода вокруг туннелей и угольных выработок медленно деформируется под огромным давлением. Небольшие дефекты, такие как отверстия и трещины, могут казаться несущественными, но за годы они способны разрастись и привести к обрушениям или разрушению проездов. В данном исследовании изучается, как простая форма пустоты в угленосной породе влияет на то, как порода медленно ползёт, трещинится и в конечном счёте разрушается — вопрос, имеющий значение для долгосрочной безопасности шахт, хранилищ и других подземных сооружений.

Почему форма отверстия имеет значение

Инженерам давно известно, что дефекты ослабляют породу, но большинство исследований рассматривало породу либо как безупречную, либо как повреждённую в общем, обобщённом виде. На практике уголь и окружающие породы содержат разнообразные полости, образованные естественными процессами или выработкой: от остроугольных щелей до гладких округлых полостей. Авторы пришли к выводу, что такие формы по‑разному концентрируют напряжения и направляют рост трещин со временем, особенно под медленной, постоянной нагрузкой, известной как ползучесть. Чтобы детально отследить это поведение, они сочетали лабораторные данные с продвинутыми компьютерными моделями, которые фиксируют, как мелкие связи между зернами породы разрушаются и сдвигаются по мере деформации.

Построение улучшённой цифровой модели породы

Вместо моделирования породы как однородного блока исследователи представили угольную породу как сборку мелких частиц, скреплённых между собой. Они использовали модель «параллельной связи» для имитации того, как зерна породы передают силы и сопротивляются изгибу, а затем совместили её с вязкоупругой моделью Кельвина–Войта — по сути пружинами и демпферами, отражающими зависимую от времени деформацию при ползучести. Эти элементы были настроены методом проб и ошибок до тех пор, пока кривые деформации по времени в модели не совпали с реальными бимодальными (biaxial) тестами ползучести образцов угля. После калибровки модель воспроизводила не только деформацию при ступенчатой нагрузке, но и локализацию и время появления трещин, а также то, как они объединяются в крупные разрывы.

Испытание разных полостей

После создания цифрового материала команда сделала шесть виртуальных образцов угля: один без дефектов и пять с полостями почти одинаковой площади, но разной формы — прямоугольной, трапециевидной, в виде перевёрнутой буквы U, квадратной и круглой. Каждый образец имел ширину 50 мм и высоту 100 мм; нагрузки прикладывались ступенчато до 15 МПа, в то время как симуляции фиксировали напряжения, деформирование и количество возникающих трещин. Все дефекты ослабляли породу по сравнению с целым образцом, но в разной степени. Прямоугольные отверстия вызывали наибольшее снижение прочности до разрушения, тогда как квадратные отверстия приводили к наибольшему уменьшению деформативности до разрушения. Полости в форме перевёрнутого U сильнее всего снижали эффективную жёсткость при разрушении. Образцы с наиболее широкими полостями, например прямоугольные и перевёрнутые U, оказались наиболее сжимаемыми, что подчёркивает: при равной площади отверстия ширина существенно определяет, насколько легко порода сжимается и разрушается.

Схемы напряжений и пути трещинообразования

Симуляции также показали, как формируются поля напряжений и как распространяются трещины вокруг каждого типа полости. В образцах с прямоугольными, трапециевидными, перевёрнутыми U и квадратными отверстиями зоны высокого напряжения не начинались у краёв полости. Вместо этого они сначала появлялись в окружающей породе и затем росли в направлении полости, в конечном счёте связываясь с ней и создавая сложные латеральные полосы высокого напряжения. Трещины, как правило, зарождались в этих внешних зонах, распространялись к полости, затем тянулись к границам образца и снова внутрь, формируя смешанные сети разрушений типа растяжение–сдвиг. Напротив, круглая полость дала симметричную картину напряжений: зоны высокого напряжения развивались прямо по противоположным сторонам отверстия. Трещины затем огибали полость более равномерно, образуя глобальную сдвиговую полосу, прорезающую весь образец.

Что это значит для подземной безопасности

Для неспециалистов главный вывод таков: не все отверстия в породе одинаковы. Даже одинаковые по площади полости с острыми углами и широкими плоскими сторонами — как прямоугольные и перевёрнутые U — концентрируют напряжения таким образом, что это способствует раннему локализованному сдвиговому разрушению и высокой сжимаемости. Более гладкие, округлые полости распределяют напряжения равномернее и склонны разрушаться в более глобальном сдвиговом режиме при больших нагрузках. Показав, как геометрия дефекта управляет прочностью при ползучести, потерей жёсткости и эволюцией трещин, исследование даёт практические рекомендации по проектированию более безопасных угольных столбов, проездов и других подземных опор: избегать создания широких, остроугольных отверстий и рассматривать существующие полости как зоны повышенного риска долговременной деформации и разрушения.

Цитирование: Zhao, T., Cao, Y., Wang, T. et al. Influence of defect shape on the creep behavior and damage evolution of coal rock using an improved model. Sci Rep 16, 5781 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35589-0

Ключевые слова: ползучесть угольной породы, геометрия дефекта, подземная устойчивость, эволюция трещин, численное моделирование горных пород