缺陷形状对应力松弛行为与损伤演化的影响：一种改进模型在煤岩中的应用

地下岩体中的隐蔽薄弱点

在深部地下，贯穿隧道和煤矿周围的岩体在巨大压力下会缓慢变形。孔洞和裂缝等微小缺陷看似无关紧要，但多年累积后可能扩展并引发严重的塌方或巷道失稳。本文研究了嵌入含煤岩体中孔洞的简单形状如何改变岩体的蠕变、裂纹生成及最终失效方式——这一问题关系到矿山、储存洞室及其他地下结构的长期安全。

为何孔洞形状至关重要

工程师早已知道缺陷会削弱岩体，但大多数研究把岩体当作无缺陷或以通用的方式处理受损情形。实际上，煤层及围岩包含多种由自然过程或开挖产生的空洞，从尖角的狭槽到光滑圆润的开口不一而足。作者意识到，这些形状会以不同方式聚焦应力并引导裂纹随时间扩展，尤其在缓慢稳定加载（即蠕变）条件下尤为明显。为精细捕捉这种行为，他们将实验室数据与先进数值模拟相结合，追踪岩颗粒之间微小键体在变形过程中如何破裂与滑移。

构建更好的数字岩体

研究者没有把岩体建模为均质块体，而是用一组相互粘结的小颗粒来表示煤岩。他们采用“并行粘结”框架来模拟岩粒之间传递力和抵抗弯曲的行为，随后将其与Kelvin–Voigt黏弹性模型耦合——本质上用弹簧和阻尼器来代表与时间相关的蠕变变形。通过反复调试这些元件，直到模拟得到的应变-时间曲线与实际双轴蠕变试验的结果匹配。校准完成后，模型不仅能再现分级加载下的变形过程，还能预测裂纹何时何地出现以及如何连结成主要断裂。

对不同空洞的比较试验

在数字材料就位后，团队构建了六种虚拟煤样：一种完整样本和五种具有几乎相同面积但不同形状的空洞——矩形、梯形、倒U形、方形和圆形。每个试样宽度为50 mm，高度为100 mm，在分级加载至15 MPa的过程中模拟记录了应力、应变和新生裂纹数量。所有含缺陷样本相比完整样本都表现出弱化，但程度不一。矩形孔使破坏强度下降最大，而方形孔导致破坏前可达应变降幅最大。倒U形孔对破坏时的有效刚度影响最强。具有较宽空洞的样本，如矩形和倒U形，表现出更大的可压缩性，强调在相同面积条件下，空洞宽度强烈控制岩体被挤压和损伤的难易程度。

应力分布与裂纹路径

模拟还揭示了各类空洞周围应力场的形成和裂纹的传播路径。在带有矩形、梯形、倒U形和方形孔的样本中，应力高区并非从空洞边缘起始，而是首先出现在周围岩体中，然后向空洞方向生长，最终与空洞连结并形成复杂的横向高应力带。裂纹倾向于在这些外部高应力区起始，向空洞延伸，再伸至试样边界并再回向内部，形成混合的拉伸—剪切破裂网络。相比之下，圆形空洞产生对称的应力格局，高应力区直接在孔的相对两侧发展，裂纹更均匀地绕孔蔓延，最终形成贯穿整个试样的整体剪切带。

对地下安全的启示

对非专业读者而言，核心信息是并非所有岩体中的孔洞都等同。即便尺寸相同，具有尖角和宽平侧面的空洞（如矩形和倒U形）会以促进早期局部剪切失效和高可压缩性的方式聚焦应力。更圆滑的开口能更均匀地分布应力，往往在更高荷载下以整体剪切模式失效。通过展示缺陷几何如何控制蠕变强度、刚度损失和裂纹演化，该研究为设计更安全的煤柱、巷道及其他深部矿山支护提供了实用建议：尽量避免形成宽而带尖角的开口，并将现有此类空洞视为长期变形与失效的高风险区。

引用: 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

关键词: 煤岩蠕变, 缺陷几何, 地下稳定性, 裂纹演化, 数值岩石建模