CFRP层数对轴向受压小煤柱能量损伤本构关系的影响：实验与模拟研究

为解决废弃煤柱承载能力退化引发的采空区地表沉降问题，研究人员通过单轴压缩试验和FDM-DEM耦合模拟，系统研究了CFRP层数对小煤柱力学性能和能量演化的影响。结果表明：CFRP约束显著提升小煤柱的延性，峰值应力和应变分别提高548%和733%，能量吸收效率最高提升1051%；建立的基于能量耗散的损伤本构模型为CFRP加固机理提供了理论依据，对采空区稳定性控制具有重要工程指导意义。

　　

采空区地表沉降是矿山工程中长期存在的难题，其根源在于废弃煤柱在复杂地质环境中承受上覆岩层压力的同时，还面临岩体蠕变、风化等地质作用的侵蚀。传统加固技术如锚索、注浆等虽有一定效果，但在提升煤柱长期承载力和平衡开采效率方面存在局限。近年来，轻质高强的碳纤维增强聚合物(CFRP)材料在土木工程中展现出优势，但其在煤矿加固领域的微观机理和能量演化规律尚缺乏系统研究。

中国某研究机构团队在《Polymer Testing》发表论文，通过单轴压缩试验和有限差分法(FDM)-离散元法(DEM)耦合模拟，揭示了CFRP层数对小煤柱力学性能、破坏模式和能量演化的影响规律。研究采用标准煤柱试样(直径50mm×高度100mm)进行0-1层CFRP约束实验，并扩展至0-6层的数值模拟分析，结合声发射技术和能量计算方法，建立了基于能量耗散的损伤本构模型。

2. 实验概述
通过CFRP条带拉伸试验验证材料性能，其平均抗拉强度达918.1MPa。单轴压缩试验显示：CFRP约束使煤柱应力-应变曲线呈现"下降-回升"特征，峰值应力和应变分别提升约200%和250%，破坏模式从脆性转向延性。

3. 数值模拟
采用PFC^3D-FLAC^3D耦合方法，通过节点力传递实现煤柱(离散元)与CFRP(有限差分)的相互作用。参数校准后，模拟与实验误差控制在10%以内，验证了模型的可靠性。

4. 模拟结果
随着CFRP层数增加(0-6层)：峰值应力从20.08MPa增至130.26MPa，应变从12.71‰增至105.91‰，但弹性模量呈现非单调变化。声发射分析表明：CFRP改变了破坏机制，从拉剪复合破坏逐渐转为剪切破坏，裂纹分布更集中。

5. 能量演化
能量吸收效率随CFRP层数呈指数增长，6层时达未约束试样的10.51倍。总能量和耗散能量分别提升7.3倍和8.8倍，证实CFRP能有效调控能量耗散路径。

6. 本构模型
基于广义Weibull统计和能量耗散理论，建立损伤因子D与耗散能U^d的关系式：σ=Eε·exp[(-aU^d+b(U^d)²)/(1+cU^d+d(U^d)²)]，拟合精度R²达0.999。

该研究首次从能量角度阐明了CFRP层数-煤柱损伤的定量关系，提出的本构模型为优化煤矿加固设计提供了理论工具。发现CFRP层数存在"过约束效应"——超过4层后弹性模量反而下降，这对平衡加固成本与效果具有重要工程指导价值。未来研究可结合现场监测数据，进一步验证模型在真实地质条件下的适用性。