我们每天生活的地球都在发生相对运动和变化，包括高山和湖泊等。那么，您可能会问：组成地壳、地幔、地核的岩石是如何运动的呢？答案是随着时间的延长，岩石应力场、变形场、能量场不断演变。正如古希腊哲学家Heractitus的经典名言“万物皆流”，即“流变”，是该学科领域最初的哲学源泉。在Bingham的倡议下1928年流变协会的成立，标志着流变学成为一门独立的学科，流变现象短则几小时或几天、长则几年或几十年不等。上世纪50年代，国际岩土流变学先驱——陈宗基(Tan Tjong-Kie)先生学成回国，将流变学引入我国，提出了陈氏固结流变理论、陈氏屈服值、岩石扩容、蠕变和松弛等经典理论，并进行了大量实验和现场应用，为后来我国地球物理、岩土、能源安全等领域的蓬勃发展做出了重大贡献。
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图1 我国2017~2023年能源生产结构(数据来源：国家统计局)
煤炭是我国的主体能源，在能源结构中起着压舱石的作用(图1)。目前我国许多大型矿井正向深部延伸或已进入深部开采，煤岩体面临着高水平地应力和强烈的开采扰动等复杂力学环境，煤岩体力学特性的时间效应与尺度效应更加显著，使得巷道围岩长时变形破坏、蠕变型冲击地压等深井地质灾害频发(图2d~f)。尽管学术界对时间效应及非连续结构等难题[4]已进行过广泛而深入的研究，但煤岩体非协调时效变形与长期强度预测仍是悬而未决的问题。![]()
图2 高应力强扰动作用下巷道围岩时效变形破坏、结构失稳[1-2]与蠕变型冲击地压[3]
煤岩体力学性质的尺度效应、非连续结构及多物理场效应。看到这里，您可能在想：“实验室尺度跨越至工程尺度，理论可行吗？”恭喜您，思考很深入了！因为这就是岩石力学与工程领域经常探讨的话题——尺度效应。诚然，从实验室走向矿井，煤岩力学性质表现出明显的尺度效应，而且煤岩非连续结构(包括裂隙结构和矿物条带)与应力场是煤岩力学性质尺度效应和非协调变形破裂的主控因素。图3a给出了细观尺度(微米级)煤孔裂隙结构与矿物元素分布状态，图3b给出了宏观尺度(厘米级)标准圆煤柱的CT扫描重构二维切面(包含煤基质、裂隙结构与矿物条带)。煤岩体类型与尺度不同，力学性质也存在显著差异。图3c说明了工程尺度(米级)范围内，对于较小体积的煤岩，节理裂隙分布显著影响其宏观强度，各向异性明显；而对于较大体积的煤岩，结构效应减弱，宏观性质趋于各向同性。因此，表征单元体REV[5](图3d)正是贯通实验室尺度和工程尺度的桥梁。
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图3 煤岩非连续结构与力学性质的尺度效应和时间效应[6]
井下采矿活动打破了地层初始应力平衡状态，引起围岩应力场重分布，诱发矿山地质灾害，若能透明解析和推演煤岩非连续结构与多物理场效应，则灾变机制将不再是一个“黑箱”问题。实现(类)岩石材料灾变非连续结构和多物理场效应的透明解析与推演：3D打印、基于CT扫描的三维数字重构、数值模拟。透明解析与推演煤岩变形破裂过程中跨尺度非连续结构与多物理场效应，是认识煤岩灾变内禀机制的关键。为了预测煤岩体长时变形量，学者们在实验室及现场开展了大量蠕变实验(图3e)，建立了多种蠕变模型及失稳判据。由于经典蠕变模型(西原模型、Burgers模型等)无法体现加速蠕变特征，学者们通常采用两种方法建立非线性蠕变模型，再利用实验室或现场蠕变实验结果求解模型参数并用于工程实践(表1)。学术界现有的非线性蠕变模型存在成百上千种，大致可分为两类：一类是在经典蠕变模型中引入非线性元件，建立非线性蠕变模型；另一类是在蠕变模型中引入损伤力学和断裂力学等理论，描述非线性蠕变损伤破裂特性。值得指出的是：当前研究的蠕变实验与蠕变模型虽然能反映瞬时蠕变、稳定蠕变及加速蠕变现象，能揭示煤岩表面变形及裂隙演化，但是无法实现煤岩蠕变过程中内部变形和非连续结构演化的透明解析与预测。表1 两类典型非线性蠕变力学模型本构方程[6]
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综上所述，煤岩蠕变是一种非协调时效变形现象，非连续结构与应力场非均匀分布是造成该现象的主要原因，研究煤岩蠕变过程中非连续结构与应力场耦合演化规律是关键。在最新的文献[6]中，研究人员揭示了蠕变本质，阐明了非连续结构与应力引起内部变形损伤诱发蠕变这一新观点，指出非连续结构和应力是煤岩非协调蠕变的主控因素，建立了强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构与多物理场演化的精细化建模及透明解析新方法，该研究能为相关矿山灾害的发生机理、预警与防控提供理论基础。相信在不久的将来，越来越多的科研人员会努力攻克这一难题，使得井下灾害由“灰箱”变为“白箱”。
参考文献
[1] Kang Hongpu, Gao Fuqiang, Xu Gang, et al. Mechanical behaviors of coal measures and ground control technologies for China's deep coal mines – A review[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2023, 15: 37-65.
[2] 黄炳香, 张农, 靖洪文, 等. 深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论[J]. 煤炭学报, 2020, 45(03): 911-926.
[3] 姜福兴, 冯宇, A KOUAME-K-J, 等. 高地应力特厚煤层“蠕变型”冲击机理研究[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(10): 1762-1768.
[4] 鞠杨, 任张瑜, 郑江韬, 等. 岩石灾变非连续结构与多物理场效应的透明解析与透明推演[J]. 煤炭学报, 2022, 47(01): 210-232.
[5] Li Gen, Tang Chun-An. A statistical meso-damage mechanical method for modeling trans-scale progressive failure process of rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2015, 74: 133-150.
[6] 张良, 王来贵, REN Ting, 等. 强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构演化研究进展[J]. 煤田地质与勘探, 2024, 52(10): 47-59.
