近日，黑龙江科技大学肖福坤教授、刘刚副教授，博士研究生谢锴、单磊在对岩石加载变形特征及细观机理的研究中取得重要突破，研究成果以“Research on rock crack contact model considering linked substances based on particle flow method”为题发表于国际矿业工程权威期刊International Journal of Mining Science and Technology（中科院一区TOP期刊，影响因子11.7）。
肖福坤教授研究团队致力于研究煤矿安全生产、灾害治理及应急救援。团队在研究过程中发现，煤岩材料的微裂纹结构会导致煤岩材料的变形呈非线性的演变规律。而煤岩材料变形规律直接影响钻孔卸压时煤岩体的塌孔速率、塌孔程度和能量演变规律，以及在煤岩颗粒堆积体中构建救援通道时顶管阻力的增长速率。因此，为在保障煤矿工程安全开展和应急救援通道快速构建的同时，提高煤岩体能量的转移效果和垮落体中的顶管速率，就需通过研究和理解煤岩材料中微裂纹的结构特征和作用机制，进而掌握煤岩材料的一般变形规律和内在机理。
图1煤样单轴加载的应力应变特征
图2 裂纹的SEM影像
图3 岩石裂纹中连结物质的简化概念
研究团队系统梳理了岩石中微裂纹力学作用机制的研究资料，对比分析了煤、岩微裂纹的扫描电镜影像，发现了连结物质在岩石微裂纹中普遍存在的特征。文章结合连结物质分布特征，重点分析并推导了岩石微裂纹中连结物质对裂纹面作用力的等效计算方法，并提出了一种新的接触模型：通过将随机分布的连结物质等效为连结面、将裂纹面等效为等宽概念面的方式，获得了考虑裂纹中连结物质的裂纹接触模型。
研究团队还通过双颗粒力——位移试验系统地分析裂纹面闭合影响下的接触力——位移规律以及连结物质的拉伸和剪切破坏规律、通过单裂纹模型和随机裂纹模型系统地分析了裂纹对岩石模型加卸载应力——应变路径的影响。同时，结合岩石结构特征、岩石力学特征和含连结物质裂纹接触模型特征，给出了裂纹接触模型的参数确定方法。
通过上述研究，一方面验证了含连结物质裂纹接触模型能有效模拟岩石的完整力学性质，另一方面为需要考虑岩石低应力状态下变形特征的工程模拟提供了理论模型和参考案例。同时，团队提出，岩石微裂纹的数值模拟研究应集中在三个方向：裂纹面的形态还原、裂纹变形和破坏的精细化模拟、细观力学机制和数值模拟计算方法的结合。
图4含连结物质裂纹接触模型设计图
图5 含连结物质裂纹接触模型行为和流变成分
图6 单轴加载数值模拟结果
图7 煤样离散元数值模型单轴加载模拟结果
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2025.02.007
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