趙 康，趙紅宇，賈群燕

(江西理工大學建筑與測繪工程學院,江西 贛州 341000)

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巖爆巖石斷裂的微觀結構形貌分析及巖爆機理*

趙 康，趙紅宇，賈群燕

(江西理工大學建筑與測繪工程學院,江西 贛州 341000)

利用掃描電鏡(SEM)對巖爆巖石斷口微觀形貌特征進行研究分析，從微觀角度探索巖爆產(chǎn)生的機理。通過對平頂山十二礦巖爆現(xiàn)場取樣對其斷口形貌特征與地應力和巖石成分之間關系進行研究。巷道圍巖劈裂巖塊斷口形貌多呈臺階狀，劈裂面與地應力最大主應力方向平行，巖石斷口屬拉張斷裂，劈裂紋的產(chǎn)生主要是脆性斷裂；巖爆拋射出的巖塊斷口形貌非常復雜，裂面與切應力(最大主應力)方向平行或相交，不同平面內的微裂紋通過與巖爆裂紋間的微裂紋或受撕裂作用形成臺階，表面不平整，屬于拉張或剪切型斷裂。巖石細觀成分對巖爆的影響也較大，結晶程度高、結構致密的硬脆巖石更易發(fā)生巖爆。

爆炸力學;微觀形貌;掃描電鏡;巖爆;巖石斷口;地應力;巖石成分

巖爆，也稱沖擊地壓，常出現(xiàn)在深埋地下工程硬脆巖體高地應力區(qū)域施工的過程中，堅硬圍巖因開挖擾動導致應力的轉移與集中，當集中應力超過巷道圍巖的破壞強度時，聚積在巷道巖體內部儲存的彈性應變能突然釋放，致使巷道圍巖產(chǎn)生爆裂性松脫、剝落、彈射或拋擲，甚至發(fā)生礦震，嚴重威脅礦山安全生產(chǎn)，常造成重大人員傷亡和生產(chǎn)設備的損壞事故[1-3]。對于巖爆產(chǎn)生的機理，雖然很多學者進行了大量研究，但目前仍沒有定論[4-5]。巖爆斷裂微觀結構形貌分析，在一定程度上真實反映了巖爆形成時巖石材料內部損傷演化過程中的受力情況和結構破環(huán)特征, 客觀地揭示了斷裂過程的本質特性。掃描電鏡(SEM)自從1965年被發(fā)明以來，在各行業(yè)應用廣泛，尤其是在研究材料的微觀結構方面發(fā)揮了巨大作用[6-8]。近幾十年來，一些學者將掃描電鏡應用到研究巖石斷口的微觀幾何圖像，以此來探索巖爆形成的過程，分析巖爆斷口的微觀形貌特征與斷裂力學性質，揭示巖爆微裂紋的萌生、擴展、貫通等動態(tài)破裂機理，建立巖石斷裂微觀結構形態(tài)與巖爆過程的內部關系[9-11]。

由于巖爆現(xiàn)場導致的巖石較破碎或取樣較難，所以關于巖爆現(xiàn)場巖樣的相關研究不多，為了進一步探索巖爆機理，本文中針對平頂山十二礦高應力區(qū)域巖爆現(xiàn)場取樣，采用掃描電鏡對其巖石斷口微觀結構形貌進行分析，結合該礦地應力和巖石自身物理力學性質探索平頂山十二礦巖爆產(chǎn)生的機理。

1 巖爆巖石斷口電鏡實驗

十二礦位于平頂山東部，礦區(qū)地質主要受一系列的北西-南東向褶皺平行排列的復式褶皺構造形態(tài)影響，同時兼有前聶背斜、焦贊向斜、郭莊背斜、任莊向斜等構造形態(tài)。目前該礦山開采深度超過1 km，屬于深埋礦山，在該礦三水平皮帶下山施工過程中，巷道圍巖經(jīng)常發(fā)生巖爆，發(fā)出巨大聲響，并拋出巖石，給施工造成巨大影響。圍巖主要是砂巖，經(jīng)室內實驗，其單軸抗壓強度為206.6 MPa，彈性模量為34.6 GPa，普氏系數(shù)為20.6，屬高強度硬脆巖石。為了該礦山的安全生產(chǎn)，作者對該礦-600 m進風巷道三水平皮帶下山施工過程中巖爆巖石取樣，并對其斷口進行掃描電鏡(SEM)觀察，擬從微觀角度研究斷口微觀結構形貌，對巖爆機理進行解釋和探討。

1.1 實驗取樣

為了便于比較分析，試樣選取巖爆區(qū)域不同部位的2個試樣：

(1)巖爆附近圍巖巷道邊幫劈裂巖塊, 巖性為砂巖(巖樣1)；

(2)巖爆拋射出的巖塊，巖性為砂巖(巖樣2)。

1.2 試樣制備及實驗設備

試樣斷口背面打磨平整，厚度4 mm，斷口面積為1 cm2, 將試樣用導電膠粘于樣品臺上, 進行真空鍍膜, 噴涂金膜后進行電鏡觀察。實驗采用S-3400型掃描電子顯微鏡對巖爆巖石斷裂微觀結構形貌進行觀察。

2 實驗結果分析

2.1 巖爆斷口微觀形貌特征

巖石斷口的微觀形貌總體可分為剪裂和拉斷2大類[12-14]：剪裂斷口微觀形貌花樣包括平行滑移線狀花樣、條紋花樣、線狀排列小顆粒狀花樣等 8 種。拉斷斷口微觀形貌包括臺階狀花樣、河流狀花樣、舌狀花樣、根狀花樣等9種。

本次研究采用掃描電鏡(SEM)在巖爆巖石斷口進行了微觀掃描，根據(jù)不同放大倍數(shù)下的砂巖斷口花樣代表性的顯微照片，分析巖爆不同部位2 種砂巖的微觀破壞形貌特征、微觀破裂形式和微觀破壞力學機理。

砂巖由多種礦物組成，各礦物晶體之間含有大量裂隙，裂紋大多源于眾多晶體顆粒的邊界或晶體顆粒與膠結物的交界處，在晶界處裂紋很少，主要原因是顆粒的強度遠大于膠結強度，巖爆發(fā)生后受應力波及材料內部結構的影響，巖石斷口形貌較復雜，呈臺階狀、河流狀、霧區(qū)狀等。在巖爆強大的彈性能作用下，導致晶體顆粒與膠結物的交界處最先起裂，應力波傳播時遇到晶界、晶體時產(chǎn)生反射，這樣應力波反復疊加交錯，使裂紋擴展迅速且裂紋形貌復雜。其斷裂機理總體可歸結為拉張和剪切破壞2種。砂巖內部晶體顆粒起初處于隨機分布的無序狀，隨著應力波導致膠結物的起裂，強大的巖爆應力波瞬間使起裂紋擴展，當應力波傳播到晶粒內，在晶粒內產(chǎn)生裂紋或裂紋擴展貫通晶粒，大量裂紋在不同晶面上產(chǎn)生交合、貫通而產(chǎn)生裂縫，裂縫在巖爆彈性能作用下撕裂、錯動相交成臺階狀；晶面上不同平面內的微裂紋與巖爆的微裂紋受應力波撕裂作用形成臺階(見圖1，巖樣1)，撕裂是由晶體連接部分在巖爆強大彈性能迅速釋放時產(chǎn)生的剪、拉應力造成的，臺階表面凸凹交錯、形貌復雜，這與砂巖自身的各向異性、非均質、非線性關系密切。砂巖自身的弱面或層狀的發(fā)育結構，在巖爆應力波的沖擊下，極易在這些區(qū)域產(chǎn)生初始裂紋，這些裂紋的擴展形成層狀或者板狀(見圖2，巖樣1)。

圖1 臺階狀斷口微觀形貌Fig.1 Micromorphological cross section of a step-like crack

圖2 板狀斷口微觀形貌Fig.2 Micromorphological cross section of a plate-like crack

砂巖中一些晶粒被其他顆?；蚰z結物包圍，礦山局部區(qū)域高應力集中使這些顆粒的周邊最先形成微裂紋，然后逐漸擴展至顆粒內部，當顆粒被微裂紋在內部完全貫通時，顆粒徹底失去承載能力突然斷裂(當大量顆粒在同一時間段內突然斷裂，形成很強大的彈性能突然釋放，造成部分巖塊脫離母體向自由面而彈射出來，形成巖爆)，形成粗糙的霧區(qū)(見圖3，巖樣2)。若砂巖內部的膠結物較多時，在強大巖爆應力波沖擊下，極易產(chǎn)生沿晶斷裂，斷裂面較平整(見圖4，巖樣2)，此時地應力的最大主應力平行于斷口。

圖3 霧區(qū)狀斷口微觀形貌Fig.3 Micromorphological cross section of a mist zone-like crack

圖4 沿晶斷裂斷口微觀形貌Fig.4 Micromorphological cross section of a crack’s intergranular fracture

2.2 地應力與巖爆關系

平頂山十二礦-600 m進風巷道三水平皮帶下山所處位置接近李口向斜軸部，巖層走向118°，傾角大致在0°～5°。經(jīng)現(xiàn)場地應力測量(表1)，地應力較大，最大主應力與最小主應力差值也較大。根據(jù)實測皮帶下山與最大主應力的夾角約為19°，這有益于皮帶下山巷道圍巖后期的穩(wěn)定性，但給開采初期的巷道掘進帶來了安全隱患，最大主應力方位角與李口向斜樞紐近似90°，表明該區(qū)域地應力以構造應力為主。最大主應力造成工作面左幫的應力集中，這是造成工作面左幫多次發(fā)生巖爆的主要原因。

(1)巖爆區(qū)附近劈裂巖塊斷口形貌特征多呈臺階狀(見圖1)和板狀(見圖2)，根據(jù)劈裂巖塊在圍巖中的方位可知，臺階劈裂面大致平行巷道走向，這與地應力最大主應力方向平行。從圖1可以看出，左上部為沿晶拉花，其他部位為穿晶拉花，是拉張斷裂，主要是在巷道切向應力(最大主應力)作用下擠壓張裂。上述斷口形貌特征表明，劈裂紋的產(chǎn)生主要是脆性斷裂。

(2)巖爆拋射出的巖塊斷口形貌特征為霧區(qū)狀(見圖3)和沿晶斷裂(見圖4)。巷道圍巖橫斷面上，巖爆斷面臺階狀形貌較復雜，由于巖爆拋出的碎石無法準確地確定其在原巖的具體位置和所處方向，但是根據(jù)圍巖巖爆斷口和拋出巖石的斷面形狀之間的吻合度，大致可以判斷出破裂面與最大主應力之間的關系：有的裂面與巷道走向及切應力(最大主應力)方向大致平行，有的裂面與切應力(最大主應力)成約30°，其斷面有的區(qū)域為沿晶拉花，有的為穿晶拉花，屬于拉張和剪切型斷口。有的巖塊呈板狀，多被拉成碎片；有的巖塊呈透鏡狀、透鏡棱塊狀及鱗片狀，多受剪切所致。

表1 地應力實測結果

2.3 巖石微觀成分與巖爆關系

巖石一般是由多種礦物組成的比較穩(wěn)定的固態(tài)集合體，礦物自身有一定的物理化學特性，不同的礦物因其化學成分和分子結構不同，其化學鍵也各不相同，導致礦物本身的力學特性也各異，在承受外力過程中儲存彈性變形能和變形破壞突然釋放彈性能的能力也不同。

巖石材料的微觀結構決定了其宏觀的力學特性，礦物成分的差異也會對材料破壞特征產(chǎn)生較大的影響，因此，在前述不同的2塊砂巖中，選取破裂面對其細觀成分進行分析。

由圖5～6、表2～3(表中w、a分別表示質量分數(shù)、原子分數(shù))對比可知，砂巖2礦物成分含C、O、Si、Cr、Fe、Ni共6種化學成分，顆粒均勻、致密、結晶程度好，彈性模量大，其剛度和抗變形的能力也大，強度高，在承受荷載時，這些礦物組成受力骨架，能夠積蓄大量的彈性應變能；而砂巖1巖樣礦物成分除含有上述6種化學成分外，還含有其他成分，礦物成分多，顆粒粒徑大小、形態(tài)、組構各異，膠結物較多，結晶程度低，彈性模量小，受力時變形大，發(fā)生塑性變形耗散的能量也大，強度也相對較低。所以砂巖2相比砂巖2彈性模量大、強度高，發(fā)生脆性破壞的能力增強，在承受載荷的過程中儲存彈性應變能能力增強，產(chǎn)生塑性變形消耗的能量小，所以巖石變形破壞后釋放的剩余應變能增大，發(fā)生巖爆的可能性增強。因此，在外界應力集中程度相同的情況下，巖爆極易發(fā)生在結晶程度高、結構致密、均勻的硬脆性巖石中。

表2 巖樣1元素成分分析

表3 巖樣2元素成分分析

圖5 巖樣1巖石材料的掃描電鏡和EDS圖譜Fig.5 SEM and EDS spectrums of No. 1 rock material

圖6 巖樣2巖石材料的掃描電鏡和EDS圖譜Fig.6 SEM and EDS spectrums of No. 2 rock material

3 結 論

通過掃描電鏡對平頂山十二礦巖爆機理進行了分析，得出如下結論：

(1)巷道圍巖劈裂巖塊斷口形貌特征大多呈臺階狀，劈裂面與地應力最大主應力方向平行。巖石斷口微觀形貌特征表明是拉張斷裂，主要是在巷道切向應力作用下擠壓張裂。劈裂紋的產(chǎn)生以脆性斷裂為主。

(2)巖爆拋射出的巖塊斷口形貌較復雜，有的裂面與巷道走向及切應力(最大主應力)方向大致平行，有的裂面與切應力(最大主應力)成約30°，其斷面有的區(qū)域為沿晶拉花，有的為穿晶拉花，屬于拉張和剪切型斷口。呈板狀的巖塊，多被拉成碎片；呈透鏡狀、透鏡棱塊狀及鱗片狀的巖塊，多受剪切所致。

(3)對過平頂山十二礦巖爆機理的分析，可為該礦今后采取有效措施預防巖爆的發(fā)生提供依據(jù)。

感謝河南理工大學蘇承東教授、劉建輝碩士，東北石油大學夏法鋒教授在地應力測量及電鏡掃描中給予的幫助。

[1] 蘇承東,李化敏.深埋高應力區(qū)巷道沖擊地壓預測與防治方法研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(增刊2):3840-3846. Su Cheng-dong, Li Hua-min. Study on forecast and prevention methods for rockburst of deep roadway with high geostrss[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008,27(suppl 2)：3840-3846.

[2] 蔡美峰,王金安,王雙紅.玲瓏金礦深部開采巖體能量分析與沖擊地壓綜合預測[J].巖石力學與工程學報,2001,20(1):38-42. Cai Mei-feng, Wang Jin-an, Wang Shuang-hong. Analysis of energy distribution and prediction of rockburst during deep mining excavation in Linglong Gold Mine[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2001,20(1):38-42.

[3] 張曉君.高應力硬巖卸荷巖爆模式及損傷演化分析[J].巖土力學,2012,33(12):3554-3560. Zhang Xiao-jun. Pattern and damage evolution of unloading rockburst for high-stress hard rock[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012,33(12):3554-3560.

[4] 黃鋒,徐則民.用動光彈方法研究隧道巖爆的爆破擾動機理[J].爆炸與沖擊,2009,29(6):632-636. Huang Feng, Xu Ze-min. On blasting perturbation mechanism of rock burst in tunnel by dynamic photo-elasticity[J]. Explosion and Shock Waves, 2009,29(6):632-636.

[5] 陳國慶,李天斌,何勇華,等.深埋硬巖隧道卸荷熱-力效應及巖爆趨勢分析[J].巖石力學與工程學報,2013,32(8):1554-1563. Chen Guo-qing, Li Tian-bin, He Yong-hua, et al. Thermo-mechanical coupling and rockburst tendency analysis of deep hard rock tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013,32(8):1554-1563.

[6] Priest S D, Hudson J A. Discontinuity of spacing in rocks[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1976,13(5):135-148.

[7] 馮濤,謝學斌,潘長良,等.巖爆巖石斷裂機理的電鏡分析[J].中南工業(yè)大學學報:自然科學版,1999,31(1):14-17. Feng Tao, Xie Xue-bin, Pan Chang-liang, et al. Fracture menchanism analysis for burst rock with electron scanning microscope[J]. Journal of Central South University of Technology: Natural Science, 1999,31(1):14-17.

[8] 譚以安.巖爆巖石斷口掃描電鏡分析及巖爆漸進破壞過程[J].電子顯微報,1989,8(2):41-47. Tan Yi-an. Analysis of fractured face of rock burst with scanning electron microscope and its progressive failure process[J]. Journal of Chinese Electron Microscopy Society, 1989,8(2):41- 47.

[9] 黃達,譚清,黃潤秋.高應力卸荷條件下大理巖破裂面細微觀形態(tài)特征及其與卸荷巖體強度的相關性研究[J].巖土力學,2012,33(增刊2):7-15. Huang Da, Tan Qing, Huang Run-qiu. Study of micro-mesoscopic characteristics of marble fracture surface and correlation with unloading rock mass strength under high stress and unloading[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012,33(suppl 2):7-15.

[10] 朱珍德,張勇,徐衛(wèi)亞,等.高圍壓高水壓條件下大理巖斷口微觀機制分析與試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(1):44-51. Zhu Zhen-de, Zhang Yong, Xu Wei-ya, et al. Experimental studies and microcosmic mechanics analysis on marble rupture under high confining pressure and high hydraulic pressure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005,24(1):44-51.

[11] 楊仁樹,王雁冰,薛華俊,等.切縫藥包爆破巖石爆生裂紋斷面的SEM試驗[J].中國礦業(yè)大學學報,2013,42(3):337-341. Yang Ren-shu, Wang Yan-bing, Xue Hua-jun, et al. SEM experiment of rock crack cross section morphology after explosion fracturing with slotted cartridge[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2013,42(3):337-341.

[12] 李先煒,蘭勇瑞,鄒浚興.巖石斷口分析[J].中國礦業(yè)大學學報,1983(1):15-21. Li Xian-wei, Lan Yong-rui, Zou Jun-xing. A study of rock fractures[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 1983(1):15-21.

[13] 鄭達,巨能攀.千枚巖巖石微觀破裂機理與斷裂特征研究[J].工程地質學報,2011,19(3):316-322. Zheng Da, Ju Neng-pan. Scanning electronic microscope tests for rock micro-rupture mechanism and fracture characteristic of phyllite[J]. Journal of Engineering Geology, 2011,19(3):316-322.

[14] 左建平.溫度-應力共同作用下砂巖破壞的微觀機制與強度特征[D].北京:中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,2006:75-94.

(責任編輯 曾月蓉)

An analysis of rockburst fracture micromorphology and study of its mechanism

Zhao Kang, Zhao Hong-yu, Jia Qun-yan

(SchoolofArchitecturalandSurveying&MappingEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,Jiangxi,China)

The micromorphological characteristics of rock failure surface by rockburst are analyzed and studied with the scanning electron microscope to explore the rockburst mechanism. The relation between rock failure surface morphology with stress and rock constituent is studied with rock samples from the rockburst site of the 12th Pingdingshan Mine. The results show the rock failure surface of surrounding rock of roadway presents a step-like shape, and the split surface is parallel to the orientation of the maximum principal stress of in-situ stress; the rock failure surface belongs to a draw-stretch fracture, where the crack is brittle. The rock failure surface morphology with rockburst casting is very complicated, and the broken face is parallel to or intersected with the direction of the shear stress (maximum principal stress). The microcrack on different planes form steps with those among rockburst cracks or under tearing effect, with uneven surfaces, which can be defined as stretch-draw or shearing fracture. Rock micro-components have a greater effect on rockburst, and the rockburst occurs more likely for the compact and brittle rock with a high crystalline degree.

mechanics of explosion; micromorphology; scanning electron microscope; rockburst; rock failure surface; in-situ stress; rock composition

10.11883/1001-1455(2015)06-0913-06

2014-04-17；

2014-06-11

國家自然科學基金項目(51304083)；教育部科學技術研究重大項目基金(413045)； 江西省自然科學青年基金項目(20142BAB216020)；江西省科技支撐計劃項目(20132BBG70106)； 江西理工大學重點課題(NSFJ2014-K02)

趙 康(1980— )，男，博士,副教授,zhaok_666666@163.com。

O389;TU452 國標學科代碼： 13035

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