深部矿山阶段性岩石蠕变的内-外分类及其对灾难性失效预测的启示

在高原位应力下的深部地下环境中，岩体常表现出阶段性蠕变行为，由外部扰动与内部重组织之间的复杂相互作用驱动。这些蠕变阶段的成因及其与潜在灾难性失效的关联仍知之甚少。本文提出一种新颖的内-外(endo-exo)框架，用于分析深部矿山中的阶段性岩石蠕变，捕捉外源性触发因素（如爆破与开挖）与内源性过程（如岩体内部的损伤与愈合）之间的相互作用。潜在的物理机制涉及由破裂与滑动引发的局部触发岩块运动的级联。我们识别出四种基本的阶段性动力学类型，按扰动来源（内源性或外源性）和临界程度（亚临界或临界）进行分类。四种类型均表现出具有不同指数的幂律松弛：1+$\theta$（外源性亚临界）、1-$\theta$（外源性临界）、1-2$\theta$（内源性临界）和0（内源性亚临界），均由单一参数0 < $\theta$ < 1控制。我们的理论预测通过南非一座铂矿的全面数据集进行了检验，其中采场在连续采矿作业中表现出阶段性闭合行为。所有记录的蠕变阶段均可由我们的分类解释，$\theta \approx 0.35\pm0.1$，为理论提供了强有力的验证。该$\theta$值被解释为由异常应力扩散驱动的首次穿越过程，由分数布朗运动或莱维型过程表示。最后，我们提供了关于内-外相互作用以及系统从阶段性蠕变向灾难性失效转变的新见解，对预测大规模面板垮塌具有重要启示。