邊 境，郭 君，高 鋒，張云鵬

(1.唐山簡道文化藝術交流有限公司，河北 唐山 063000；2.唐山學院土木工程學院，河北 唐山 063000; 3.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210)

巖爆是深井礦山的主要災害之一，我國金屬礦淺部資源日益減少，深井開采的金屬礦山數(shù)量會越來越多，預計未來10年內金屬礦山的開采深度將達1 000～2 000 m，隨著開采深度的增大以及地應力的升高，巖爆發(fā)生概率增大[1]。

巖石是內含節(jié)理裂隙不連續(xù)缺陷的非均質體，破壞特征差異較大，充分了解巖石的破壞特征是預防和控制巖爆發(fā)生的前提。巖石破壞是內部損傷積累成核、裂隙擴展交接至塊體切割分離的過程，通過損傷破壞過程探測、碎塊粒度分布特征和微觀裂隙擴展分析可以理解巖石破壞過程和破壞結果的本質特征。很多學者采用振鈴計數(shù)和能量計數(shù)等聲發(fā)射信號特征參數(shù)研究巖石不同加載階段的損傷活動和損傷程度，進而明確巖石的損傷破壞過程，了解巖石性質的區(qū)別與變化[2-3]。對于巖石加載破壞過程中裂隙擴展特征的研究，一些學者采用了巖石CT掃描成像的先進方法，實時記錄加載過程中損傷破壞過程，量化孔隙、裂隙的擴展演化規(guī)律，減小巖石力學性質與破壞過程分析的誤差[4-7]。近年來，部分學者將聲發(fā)射研究技術與CT掃描成像技術相結合，即可以通過聲發(fā)射信息參數(shù)和應力應變曲線對試件內部損傷活動進行宏觀分析，定位巖石內部損傷破壞源，又可以顯現(xiàn)裂隙形態(tài)變化全過程，并合理提出裂隙的表示方法，進而得到巖石破壞機制[8-9]。巖石受載破壞后的斷口特征包含巖石破壞性質的信息，很多學者采用掃描電鏡試驗的方法研究斷口微觀形貌特征，提取裂隙信息，得到巖石破壞的加載速率效應和層理效應，明確巖石微觀斷裂形式和破壞內在機制，并通過微觀裂隙的特征參數(shù)值建立細觀損傷本構模型[10-15]。另外，王浪等[16]采用偏光顯微鏡觀察破壞巖體切片的方法研究微裂隙擴展規(guī)律。趙程等[17]采用數(shù)字圖像全場應變技術，研究加載過程中巖體表面裂隙成核發(fā)育過程及裂隙擴展與巖石應變區(qū)變化的關系。Nakata等[18]在石英砂單軸壓縮單顆粒破碎試驗中深入研究顆粒破碎現(xiàn)象，總結了顆粒破碎的力學特征。

以上研究均是對巖石破壞特性的研究，缺乏對磁鐵礦石破壞特性的探討。磁鐵礦是我國金屬礦山產量最大的礦石產品，一般情況下磁鐵礦礦體規(guī)模較大，隨著采礦工藝與技術裝備的不斷進步，服務時間較長的采準工程在脈內掘進，采場或礦柱經常處于雙軸壓縮狀態(tài)。磁鐵礦石是典型的硬巖，脆性較大，進行深部采準或開采時，容易發(fā)生巖爆。運用聲發(fā)射檢測和細觀試驗的手段從能量的角度研究磁鐵礦石雙軸壓縮破壞過程與細觀特征，有助于豐富深部巖石物理力學性質的研究，指導深部開采過程中將礦石應變能轉變?yōu)橛杏媚芰?，從而保障井巷與采場安全，降低開采成本。考慮CT掃描試驗成本和巖爆碎屑對設備的傷害，通過磁鐵礦石雙軸加載試驗，采用聲發(fā)射技術來研究磁鐵礦石的損傷破壞過程。同時使用掃描電鏡和偏光鏡觀測磁鐵礦石的裂隙擴展特征，多方位探討磁鐵礦石在深部采場中的破壞過程。

1 雙軸加載試驗

1.1 試驗材料與儀器

采集冀東地區(qū)沉積變質型磁鐵礦，平均品位為30%，單軸抗壓強度為168.8 MPa，挑選質地均勻的礦石樣品加工成150 mm×150 mm×75 mm的試件，加載面平行的誤差小于0.02 mm。使用RLW-3000液壓伺服控制試驗機對磁鐵礦石試件雙軸加載，豎直方向和水平方向的加載端與承載端間距均為150 mm，使用美國物理聲學公司生產的Disp聲發(fā)射系統(tǒng)測試試件內部損傷活動，聲發(fā)射探頭與試件之間涂抹凡士林保證良好接觸，試件安裝如圖1所示。

圖1 磁鐵礦石雙軸加載與聲發(fā)射監(jiān)測Fig.1 Biaxial loading and acoustic emission monitoring of magnetite ore

1.2 試驗過程

首先對試件施加不大于5 kN的預載荷，然后采用位移控制方式同時施加豎直應力與水平應力，加載速率均為0.15 mm/min，最大水平應力設計為10、15、20 MPa，每種最大水平應力采用4塊試件，水平應力達到設計值時停止加載，繼續(xù)加載豎直應力直至試件發(fā)生崩裂性破壞。試驗過程中使用壓力機微機控制系統(tǒng)記錄豎直方向和水平方向的力與位移，通過計算得到雙軸加載的應力應變關系(見圖2)。使用聲發(fā)射系統(tǒng)記錄試件損傷破壞過程中的振鈴計數(shù)和能量計數(shù)，振鈴計數(shù)反映了損傷活動頻率，能量計數(shù)反映了損傷程度的大小，通過應力應變曲線、聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量計數(shù)的時程曲線描述試件破壞過程。

圖2 應力應變關系Fig.2 Relationship of stress and strain

試驗結束后，收集磁鐵礦石碎塊，將不同尺寸的碎塊切割制作成10 mm×10 mm方形試樣進行電鏡掃描，觀察分析碎塊斷面的細觀特征；制作0.02 mm顯微鏡薄片進行偏光顯微鏡觀測試驗，分析礦石內部的裂隙擴展特征。

2 磁鐵礦石破壞聲發(fā)射演化過程

根據(jù)豎直方向應力應變曲線的斜率(切線彈性模量)的變化，將磁鐵礦石雙軸加載過程劃分為裂隙壓縮階段、彈性變形階段、短暫塑性變形階段和峰后破壞階段。根據(jù)聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量數(shù)據(jù)，繪制聲發(fā)射時程曲線，與應力應變曲線組成損傷破壞過程分析圖。限于篇幅，每組試驗給出一個試件的分析圖(見圖3)。

注：B1-2、B2-2、B3-2的水平應力分別為10、15、20 MPa圖3 聲發(fā)射時程與應力應變Fig.3 Acoustic emission time history and stress-strain

1)當水平應力為10 MPa時，加載開始時有一定數(shù)量的聲發(fā)射出現(xiàn)，壓縮階段和彈性階段單位時間內振鈴計數(shù)很少，聲發(fā)射能量很低，曲線幾乎不波動，說明試件內部損傷很少；彈性階段后期聲發(fā)射計數(shù)突然增大，能量較高，說明此時試件內部出現(xiàn)明顯損傷，隨后聲發(fā)射處于平靜狀態(tài)；豎直方向應力達到峰值時，振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量再次升高并處于相對穩(wěn)定的水平，試件臨近崩裂時，聲發(fā)射計數(shù)與聲發(fā)射能量急劇上升，應力應變曲線急劇下降；可見，水平應力為10 MPa時聲發(fā)射活動為主振型，試件在達到峰值應力之前基本上處于應變能積聚狀態(tài)，試件變形，損傷程度很小，達到峰值應力時應變能達到單元體積表面能，內部裂隙快速擴展，應變能快速釋放，大量裂隙瞬時貫通使塊體分離，剩余能量使塊體飛濺。

2)當水平應力為15 MPa時，在壓縮階段前期，聲發(fā)射活動較為顯著，并具備一定的能量，說明雙軸同時加載條件下裂隙壓縮的同時有新裂隙生成；壓縮階段后期和彈性階段前期，單位時間內振鈴計數(shù)較少，能量較低，聲發(fā)射活動基本平靜，試件主要積聚應變能；彈性階段后期振鈴計數(shù)和能量出現(xiàn)間斷式上升，說明試件內部出現(xiàn)顯著損傷；彈性階段臨近結束時振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量急劇升高，振鈴計數(shù)上升至9 489，聲發(fā)射能量為46 836 aJ，此時為試件完全破壞的前振，隨后應力應變曲線出現(xiàn)折斷，說明試件內部有宏觀裂隙出現(xiàn)，應變能積聚和耗散同時進行；之后振鈴計數(shù)和能量計數(shù)降低到相對穩(wěn)定的低值范圍，振鈴計數(shù)低于3 000，聲發(fā)射能量低于5 874 aJ，試件內部裂隙繼續(xù)擴展；豎直方向應力達到峰值應力時，振鈴計數(shù)和能量再次急劇升高，振鈴計數(shù)回升至8 471，聲發(fā)射能量增長為35 740 aJ，此時應變能快速釋放，裂隙快速貫通形成宏觀裂隙切割試件，試件發(fā)生崩裂性破壞，應力應變曲線急劇下降；可見，水平應力為15 MPa時聲發(fā)射活動類型為前振主振型。

3)當水平應力為20 MPa時，在壓縮階段聲發(fā)射活動性和能量明顯高于水平應力為15 MPa時的情況，在20 MPa水平應力作用下壓縮階段試件內部損傷次數(shù)更多，損傷程度更大，在壓縮階段結束時振鈴計數(shù)突然增大且能量較高，說明較多裂隙擴展；彈性階段前期聲發(fā)射活動比較平靜，彈性階段后期振鈴計數(shù)和能量出現(xiàn)間斷性多次急劇增長，說明內部裂隙間斷進行較大規(guī)模擴展；試件進入塑性階段后聲發(fā)射活動不劇烈，臨近峰值應力時聲發(fā)射活動較為平靜，試件到達峰值應力時振鈴計數(shù)和能量快速升高到最大值，聲發(fā)射活動性最強，應變能快速釋放，內部裂隙交接貫穿形成宏觀裂隙切割磁鐵礦石，試件發(fā)生崩裂性破壞，應力應變曲線快速下降?？梢?，水平應力為20 MPa時聲發(fā)射活動為群振型，試件徹底破壞前應變能持續(xù)積累,間斷性大量耗散，試件內部斷續(xù)發(fā)生較大程度損傷。

根據(jù)試驗分析，隨著水平應力的增大，聲發(fā)射活動類型依次呈現(xiàn)主振型、前振主振型和群振型，聲發(fā)射活動性愈加劇烈，聲發(fā)射能量逐漸變大，試件內部損傷活動性和損傷強度變大；磁鐵礦石試件豎直方向應力接近最大值時，聲發(fā)射表現(xiàn)出一定程度的穩(wěn)定，達到峰值應力時聲發(fā)射活動性達到最強，應變能快速釋放，裂隙交接貫通，試件發(fā)生崩裂破壞。將振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量時程與應力應變相結合，可以分析磁鐵礦石雙軸加載損傷破壞的具體過程和應變能積累、耗散與釋放過程。

3 磁鐵礦石破壞微觀機制

3.1 不同尺寸碎塊斷面形貌分析

為研究磁鐵礦石雙軸壓縮破壞的微觀特征，開展碎塊斷面的電鏡掃描試驗(SEM)。選擇典型試件B2-2的不同尺寸碎塊，碎塊的特征尺寸分別為75 mm和37.5 mm；選擇起伏程度較小的斷裂面，近似矩形切割，制作成尺寸為1 cm×1 cm的電鏡掃描試樣。SEM掃描試驗目的在于：①對比分析不同粒度碎塊的微觀破壞區(qū)別；②分析磁鐵礦微觀破壞機制。

1)75 mm碎塊斷面微觀結構特征。75 mm碎塊內部結構凹凸不平，晶粒間連接緊密，磁鐵礦顆粒表面相對平整，脈石礦物呈棱角分明的嶙峋狀，表面附著片狀碎屑(見圖4a)。部分區(qū)域出現(xiàn)平行的臺階狀層理，層理與水平面夾角45°，層理表面有片狀碎屑附著或粘連(見圖4b)。試件內部有通過磁鐵礦晶體的穿晶裂隙和晶體內閉合裂隙出現(xiàn)，部分裂隙斷面平整無碎屑，近似直線穿晶交接或曲折沿晶擴展(見圖4c)。多數(shù)裂隙內存在大量微碎屑顆粒，部分微顆粒仍連接在礦物上(見圖4d)。礦物表面和裂隙內部的碎屑性質與其附著的礦物性質相同，75 mm碎塊內部主要出現(xiàn)剪切破壞，同時存在局部區(qū)域的拉伸破壞。

圖4 75 mm碎塊內部破壞微觀特征Fig.4 Micro characteristics of 75 mm breakage fragment inner

2)37.5 mm碎塊斷面微觀結構特征。碎塊內部礦物表面整體較平整，礦物表面有硅質片狀剝離現(xiàn)象，局部晶體凹凸區(qū)域附著較多的圓柱狀碎屑，在磁鐵礦顆粒內部產生曲折的微裂隙，部分鐵礦石顆粒表面有滑移擦痕(見圖5a～圖5b)；碎塊內部出現(xiàn)劈裂張拉裂紋，沿著磁鐵礦晶體邊界擴展，裂紋內壁平整不夾雜碎屑(見圖5c)；值得注意的是，碎塊內部出現(xiàn)了垂直相交的裂紋，磁鐵礦顆粒被裂隙分割成4部分，且與脈石礦物脫落分離(見圖5d)。這種現(xiàn)象發(fā)生的原因是：磁鐵礦顆粒形狀不規(guī)則，與脈石礦物的交界面不平整，受原生裂隙的影響，在雙軸加載條件下顆粒尖端產生壓應力和拉應力集中，應變能密度大，張拉裂紋形成和原生裂紋擴展時應變能快速釋放，使磁鐵礦顆粒受到切割，脫離脈石礦物，出現(xiàn)呈拉伸斷裂的斷口面。37.5 mm碎塊內部破壞主要為拉伸破壞，伴隨程度較輕的晶體間摩擦滑移，由于應力集中產生的破壞現(xiàn)象顯著。

圖5 37.5 mm碎塊內部破壞微觀特征Fig.5 Micro characteristics of 37.5 mm breakage fragment inner

磁鐵礦雙軸加載破碎不同粒度碎塊表現(xiàn)的微觀破壞機制不同，大塊礦石出現(xiàn)剪切滑移破壞，拉伸破壞具有局域性；小塊礦石內部主要產生張拉斷裂，剪切摩擦不顯著。這也說明試件內部不同區(qū)域的破壞機制是不一樣的，應采用不同尺寸的碎塊斷面共同反應巖石試件破壞機制。試件的水平壓應力為15 MPa時，從微觀上看試件破碎機制為內部拉剪復合破壞。

3.2 磁鐵礦石內部裂隙擴展特征

試件受載發(fā)生損傷破壞時，裂隙擴展首先沿原有裂隙或晶粒軟弱接觸面發(fā)生，但原有裂隙和軟弱接觸面方向各異、分布離散且不連續(xù)，因此裂隙還要擊穿晶體顆粒才能貫通形成宏觀裂隙，從而切割試件使塊體分離。

為分析試件內部裂隙擴展的本質特征，根據(jù)取樣標準，使用75、63、53、37.5、25 mm的砂石篩分碎塊，以篩網尺寸為碎塊特征尺寸，使用不同尺寸碎塊切制5～6個薄片，在地質偏光顯微鏡下觀察裂隙擴展形態(tài)，分析內部裂隙擴展的規(guī)律。

1)磁鐵礦石雙軸壓縮破壞時，一部分裂隙從塑性礦物邊界的頂角起裂，優(yōu)先沿晶體顆粒接觸面、節(jié)理、裂縫擴展，然后曲折延伸擊穿晶體顆粒(見圖6a)；一部分裂隙從原生裂隙擴展開始起裂，首先擊穿晶體顆粒然后延伸，遇到弱面時延伸方向發(fā)生變化(見圖6b～圖6c)。

圖6 裂隙起裂與擴展Fig.6 Fissure initiation and expansion

2)裂隙擴展過程中距離較近的主裂隙交叉形成X型共軛裂隙，距離較遠的主裂隙有延伸相交的趨勢，延伸交角小于45°，X型共軛裂隙交點一般為原生裂隙或塑性礦物所在位置，距離較遠的主裂隙又會被縱向裂隙垂直相交或切斷(見圖7a～圖7b)；裂隙遇到原生裂隙時擴展方向變化較小，在不同顆粒接觸面的頂點位置擴展方向變化較大，表現(xiàn)出分支復合的特征(見圖7c)。礦石內部軟弱結構面分布、低強度礦物的嵌布特征是決定裂隙擴展形態(tài)的主要因素。

圖7 裂隙交叉、延伸與分支復合Fig.7 Fissure cross, extension and branching compounding

3)磁鐵礦石內部裂隙擴展具有分叉特性(見圖8a)；裂隙的擴展同時具有方向性，即裂隙的延伸方向總是指向不同礦物顆粒的交接處、解理、裂理、軟弱結構帶或低硬度礦物，并在這些位置發(fā)生轉向或匯集(見圖8b～圖8c)。相對于高硬度礦物和強度較高的接觸面，低硬度礦物或弱面積累的應變能較低，而裂隙擴展是能量耗散與釋放的過程，裂隙會從能量高的區(qū)域向能量低的區(qū)域擴展。

圖8 裂隙分叉與擴展Fig.8 Fissure bifurcating and propagation

4 結論

1)將應力應變曲線、聲發(fā)射振鈴計數(shù)和能量時程曲線相結合，可以清晰的分析磁鐵礦石內部損傷破壞過程和應變能積聚、耗散與釋放過程。水平應力為10、15、20 MPa時，聲發(fā)射活動類型依次為主振型、前振主振型和群振型，振鈴計數(shù)和能量數(shù)值明顯依次增大，試件內部損傷活動密度和損傷程度越來越大。

2)試件內部不同區(qū)域的破壞機制不同，在崩裂破壞后的碎塊中，大尺寸碎塊內部主要發(fā)生剪切破壞，小尺寸碎塊內部主要發(fā)生張拉斷裂，磁鐵礦石雙軸壓縮破壞形式為拉伸剪切復合破壞。

3)磁鐵礦石內部生成裂隙的方式包括從低硬度礦物邊界萌生和從原生裂隙位置擴展，裂隙的生成方式不同，其擴展路徑也會不同。裂隙擴展過程中具有X型共軛交叉、延伸交叉、分支復合和分叉特征，裂隙的擴展總指向結構強度較弱的部位，礦石內部軟弱結構面分布、低強度礦物的嵌布特征是決定裂隙擴展形態(tài)的主要因素。