中等应变率下强采矿震动作用对岩体循环损伤与劣化的数值研究

《Scientific Reports》：Numerical investigation of cyclic damage and deterioration in rock mass under strong mining tremor disturbances at intermediate strain rates

　　

摘要

强烈的采矿震动是深部地下煤矿中动态灾害的重要诱因，尤其是在近场扰动区内，它们会引发剧烈的动态扰动以及明显的周期性加载-卸载效应。然而，循环疲劳与应变率对煤岩体损伤和退化的耦合效应仍不明确。本研究通过地震波正向建模来确定采矿震动扰动的应变率范围。研究结果表明，强烈且高频的采矿震动会在近场区域引发中等应变率的扰动；较弱的震动则主要产生准静态的循环扰动，长期积累可能导致疲劳破坏。为此，研究人员开发了一种动态循环损伤接触模型（DCDCM），用于模拟中等应变率下循环加载引起的应变率增强效应及疲劳损伤。在该模型中，接触强度会根据加载速率进行调整，而疲劳恶化则通过逐步减小接触结合半径来表现。数值试验研究了在不同循环应力幅值、加载速率及持续时间条件下，材料的强度、变形、开裂、能量及损伤的发展情况。结果表明，较高的循环应力幅值和更长的作用时间会通过更快地减小接触结合半径，从而加剧疲劳损伤和强度退化。在相同的应力幅值下，较高的加载速率会由于应变率效应而降低单次循环的初始损伤，但会通过加速结合半径的减小来加剧累积性退化。相关性分析显示，循环应力幅值对机械性能退化的影响最大，其次是加载速率和循环持续时间，其中抗压强度是最敏感的指标。本研究为评估存在活跃采矿震动的采矿环境中，岩体在动态加载扰动下的累积损伤及强度退化特性提供了数值分析框架。