岩石破裂团簇力学行为学术报告-走进山科能源与矿业工程学院

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尊敬的各位领导，老师和同学们，上午好。我叫薛东杰，是03级毕业的力学届的一位小学生，今天十分荣幸也很激动能在母校有机会汇报一下近期的工作，在此首先感谢赵同彬院长的支持和国际煤炭科学技术王婉洁主任的工作。我今天汇报的题目是岩石破裂团簇力学行为。

这里面的团簇力学行为是一个新词或新术语，是课题组近期展示在国际上的最新成果，期望再后面的十几分钟时间里能给各位老师和同学讲述一个圆满的故事。

我的汇报主要分为三个部分：动机-创新性和新思想。

山东科技大学是我本科母校，中国矿业大学（北京）是我的研究生母校，他们起源于不同的历史时期和不同的地点，最近我一直在思考，矿业界的老大哥和煤老二历史上有没有关联（link），对比双方历史沿革，在祖国大地上都经历着非凡的变迁，山科主要活动于山东安徽一带，矿大则活动在西部地区，难得两次交叉点，山科去了青岛，矿大去了天津，但都属于不同的历史时期，空间上最近的一次当属徐州-泰安之距。

时间和空间上很难找到两所高校之间的桥梁，我们来看一下著名校友带给我们的思考，科学届宋振骐科学院院士、顾大钊和魏悦广工程院院士，政界尚勇副部长，商界袁征zoom的创始人，他们都在山科和矿大学习过、成长过，我意识到原来连接新时代两所高校之间桥梁的是人才。在今天大数据时代，连接变得尤为重要。

2020年注定是不平凡的一年，在疫情仍未退却的情形下，在力学系成长20年的见证下，今天的见面显得尤为珍贵。以未来观的视角审看今天，有些路我们和西方已经渐行渐远，他们给我们指的路是否依然正确，我们是否应该提供中国方案。

记得疫情之初，中医中药辩证治疗和西医抗病毒治疗在国内也发生了争执，事实证明中医方案是有效的，中国智慧在发生着巨大的作用，我们能源行业是否也可以提供中国方案和智慧考验着我们每一位科学工作者。

我们来比对一下今年的各种医学、社会学现象和岩石破坏力学行为，相信2020年的关键词之一是巨变-突变-激增-暴跌，医学上新冠病毒带给我们的是恐惧是炎症因子风暴、这是十一黄金周青岛报复性反弹人流聚集，那我们来观察一下岩石三轴破坏时，对应的声发射信号激增，体应变剧增。

还有全球的股票市场暴跌，再来看我们破裂区支承压力的突降，即存在应力降落现象。无论是生物医学的，还是社会学经济学的还是我们岩石力学的，这种突变行为都意味着变化率发展剧烈变化，其内在本质是什么呢？根据我们的观察，破坏的本质是裂隙网络几何的拓扑连通，其在数学上意味着处处连续，处处不可导的情形。

这很自然让我想到了分形中的魏尔斯特拉斯曲线，它是由德国现代分析之父：魏尔斯特拉斯构造的，他居然经历了1815年嘉庆皇帝到1897年光绪皇帝5任皇帝，可见当时的历史状况并不乐观。

根据上述描述，这里我们可得到两个最重要的概念，1拓扑连接，如何在AE-MSN-CT等岩石或地质大数据中进行连接；2非线性几何，这种错综复杂的连接网络或者裂隙网络如何进行描述，需要引入非线性几何理论，如分形、逾渗和重正化群理论。

第二部分，我们讲一下岩石力学破坏中的关联行为突变的案例，大家在室内做单、三轴试验或者在工程现场作监测的时候是不是经常辅助一些声光电等监测手段。举一个例子，我们在进行岩爆倾向性评价时常用的是单轴抗压强度等应力指标，而在工程现场监测的时候确实AE+MS等联合声测手段，是我们的力学定义指标局限性还是什么原因导致其无法在现场得到很好的应用，而是局限在报告里。这里面有一个核心的问题，那就是岩石破坏现象的复杂性不仅体现在力学上，而且体现在其他因素上，如何建立基于骨架力学行为描述和基于裂隙网络拓展拓扑描述统一是当务之急。我曾有幸当面问过几个著名第岩石力学专家和声学专家一个问题：应力波是否可以产生声音，并未获得理想的答案。这使我意识到，这个问题远比想象中的复杂。这种关联问题的解决不仅需要新原理也需要新算法。

深空探测中，我们利用雷达可对卫星进行定位，利用陀螺仪等元件可对卫星进行姿态矫正。而深地探测中，我们如何又能定位裂隙发育的位置，同时描述裂隙的形态，我们现有的传感器已经可以解决定位的问题，但类似陀螺仪进行形态描述的算法并没有。

事实上，声波里孕育着丰富的信息，蝙蝠，海豚，潜水艇利用主动回声不仅可定位还可进行物体形态描述；声波CT，发收端也可一定程度上实现裂隙岩体缺陷的描述；最近卡内基梅隆大学（CMU）还发明了听音识物机器人，德国科学家改进声波算法可利用声波精确识别植物的种类，基于多普勒效应还可以实现基于声波的人机交互场景。

更为神奇的是，英国布里斯托尔大学还进行了隔空移物实验，提出了全息声波概念，其声镊技术更是诺贝尔奖级别的突出成就，更有甚者利用监测薯片等物体振动就可以还原周围声音进行窃密。

这些现象说明我们对我们耳朵的信任还不够充分，导致其长期处于弱势地位；而在我国古代，地听等实用器材、谛听等图腾都包含了人们对声音里丰富信息进行甄别的美好的愿望。

我们再把场景切换到深地探测挑战中来，以动力灾害为例，岩爆、煤与瓦斯突出、冲击地压和滑坡等现象描述性定义不尽相同，其共性特征和共性科学问题并未达成共识。以地应力为例，同样的巷道紧紧在此处发生了岩爆，类似的滑坡仅仅此处滑坡发生移动，以地应力等力学条件为准绳不足以回答这些问题。我们知道，地球上有很多天然深洞，深度足够深应力也足够大，按照现有的模型，蠕变数亿年深洞型不可能存在；按照岩爆的判别条件多多少少概率上也不足以形成这样的深洞。因此工程上我们总是在寻求问题的差异性，而科学上我们总是在寻找问题的普适性。这里针对动力灾害的本质，我们认为，其首先是变质量动力学问题，用静态平衡方程寻求答案是不现实的；其还是连续体-非连续体的临界转换问题；又是裂隙网络系统的拓扑连接问题。这些问题单纯依靠静力学或者动力学都难以把问题说清楚，而是要依靠静力学到动力学转换的临界力学才有希望得到科学回答。

这里举几个例子说明一下，第一个非连续支承压力分布问题，我们知道很多软岩巷道分区存在破裂带，而仅100年以来，我们在进行理论求解时从不考虑破裂区非连续的影响，从不考虑峰后破坏应力降的影响。我们重新进行建模，在材料力学问题的基础上引入结构问题，从而获得了可考虑峰后力学行为的包括应力降的理论解，这个成果一经发表，也是获得了国际上很多学者的围观，目前独立IP统计已经接近4000次。

再有，破坏的概念是相对完整岩石固体的，而针对裂隙这可认为是一种连续的裂隙几何的拓扑连通，因此破坏不应局限为一种状态而更多体现一种过程，本质上是一种拓扑几何相变行为。

还有就是室内经典力学实验多是加载获得材料力学行为，而开挖对应的采动行为事实上是卸荷行为。相比室内材料加载，现场开挖地质类材料表现为3个特征，原始状态有应力无变形；开挖以体积膨胀为主；脆延转换应该为相反的行为。

这种寻找关联的例子比较多，如近场动力学考虑了动静结合，将理论力学和材料力学结合，实现了了拉格朗日方程和本构方程的统一。相场理论引入0-1的序参量非常有效地解决了裂隙分叉拓展问题。还有损伤力学跨尺到断裂力学主要也是破坏过程的不同几何阶段。

因此未来挑战的机会在于：传统分割式知识领域的新连接，这就需要新理论和新算法，新理论解决临界力学行为的描述的准确性问题；新算法解决工程落地问题。这里我们也对一些岩石力学和渗流力学中的临界现象进行了梳理，就是要学会在夹缝中生存和酝酿生机。

我们材料力学中和损伤力学中单元体和RVE尺寸的确定一直是个迷，就连数值计算中单元体尺寸如何划定也紧紧只能从收敛角度进行回答。室内样品尺度究竟如何选取才能说明工程问题，地质类材料是否存在理论单轴抗压强度。这些问题的回答都需要考虑尺寸效应和逾渗效应等，尺寸效应的上限和下限并未给出具体解答。

我们在利用分形寻求普适性时解决了一些问题，但是在描述临界行为时，分形逾渗更贴切真实答案。Mandelbrot告诉我们，一切还是要回归自然的本质去观察。

受此启发，我们注意到天然岩石本质上就是矿物颗粒天然聚集而成，裂隙也是表现为聚集状态，这里的聚集就引申为团簇概念。

但我们需要的是力学和几何双重意义的团簇，因此裂隙网络和颗粒骨架的竞争必须恰当地体现在团簇单元中。对于三峡大坝、港珠澳大桥、青藏铁路建设等超大型工程，无论是在蚂蚁眼里、大象眼里还是恐龙眼里工程都足够大，反之我们室内取样品，以煤样为例，是取完整岩芯还是非完整岩芯，是取含裂隙还是不含，那我们应该有一个科学的视角，这个视角应该是普适性的而非因人而易，这里我们定义为临界视角。

我们在临界视角下建立团簇模型或许可以解决裂隙的形态识别问题，传统AE数据展示是这样的，考虑到关联后，以Single link模型为例，对于地震或者微破裂，可以筛选出一些 信号进行重新连接识别。但仍然无法揭开力学和声学关联的窗户纸。

这里我们创新性地基于逾渗理论建立了临界视角下的内含裂隙网络和颗粒骨架竞争行为的团簇单元，为团簇结构的创立奠定了基础。

我们开发了一系列核心算法，包括团簇指示器、最大团簇标定、团簇临界性确定等可唯一性地获得团簇结构的演化过程。

其实现了三大效果，一是可利用AE等声波信号模拟岩石从力学行为。二是可利用声波信号预判破裂方位。三是，基于声波信号可定量获得岩石破裂扩容行为。

未来，在地震预测、水力压裂体积评价和地质灾害建模中具有广泛的应用前景。

最后特别感谢能源与矿业工程学院各位老师的帮助和JCST期刊同仁的工作。这是这次报道的二维码，相关论文和资料可扫描二维码获得。