巖爆巖石斷裂的微觀結(jié)構(gòu)形貌分析及巖爆機(jī)理*

趙 康，趙紅宇，賈群燕

(江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

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巖爆巖石斷裂的微觀結(jié)構(gòu)形貌分析及巖爆機(jī)理*

趙 康，趙紅宇，賈群燕

(江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

利用掃描電鏡(SEM)對(duì)巖爆巖石斷口微觀形貌特征進(jìn)行研究分析，從微觀角度探索巖爆產(chǎn)生的機(jī)理。通過(guò)對(duì)平頂山十二礦巖爆現(xiàn)場(chǎng)取樣對(duì)其斷口形貌特征與地應(yīng)力和巖石成分之間關(guān)系進(jìn)行研究。巷道圍巖劈裂巖塊斷口形貌多呈臺(tái)階狀，劈裂面與地應(yīng)力最大主應(yīng)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(fù)雜，裂面與切應(yīng)力(最大主應(yīng)力)方向平行或相交，不同平面內(nèi)的微裂紋通過(guò)與巖爆裂紋間的微裂紋或受撕裂作用形成臺(tái)階，表面不平整，屬于拉張或剪切型斷裂。巖石細(xì)觀成分對(duì)巖爆的影響也較大，結(jié)晶程度高、結(jié)構(gòu)致密的硬脆巖石更易發(fā)生巖爆。

爆炸力學(xué);微觀形貌;掃描電鏡;巖爆;巖石斷口;地應(yīng)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(yīng)力區(qū)域施工的過(guò)程中，堅(jiān)硬圍巖因開(kāi)挖擾動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力的轉(zhuǎn)移與集中，當(dāng)集中應(yīng)力超過(guò)巷道圍巖的破壞強(qiáng)度時(shí)，聚積在巷道巖體內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性應(yīng)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(yán)重威脅礦山安全生產(chǎn)，常造成重大人員傷亡和生產(chǎn)設(shè)備的損壞事故[1-3]。對(duì)于巖爆產(chǎn)生的機(jī)理，雖然很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，但目前仍沒(méi)有定論[4-5]。巖爆斷裂微觀結(jié)構(gòu)形貌分析，在一定程度上真實(shí)反映了巖爆形成時(shí)巖石材料內(nèi)部損傷演化過(guò)程中的受力情況和結(jié)構(gòu)破環(huán)特征, 客觀地揭示了斷裂過(guò)程的本質(zhì)特性。掃描電鏡(SEM)自從1965年被發(fā)明以來(lái)，在各行業(yè)應(yīng)用廣泛，尤其是在研究材料的微觀結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮了巨大作用[6-8]。近幾十年來(lái)，一些學(xué)者將掃描電鏡應(yīng)用到研究巖石斷口的微觀幾何圖像，以此來(lái)探索巖爆形成的過(guò)程，分析巖爆斷口的微觀形貌特征與斷裂力學(xué)性質(zhì)，揭示巖爆微裂紋的萌生、擴(kuò)展、貫通等動(dòng)態(tài)破裂機(jī)理，建立巖石斷裂微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)與巖爆過(guò)程的內(nèi)部關(guān)系[9-11]。

由于巖爆現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)致的巖石較破碎或取樣較難，所以關(guān)于巖爆現(xiàn)場(chǎng)巖樣的相關(guān)研究不多，為了進(jìn)一步探索巖爆機(jī)理，本文中針對(duì)平頂山十二礦高應(yīng)力區(qū)域巖爆現(xiàn)場(chǎng)取樣，采用掃描電鏡對(duì)其巖石斷口微觀結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行分析，結(jié)合該礦地應(yīng)力和巖石自身物理力學(xué)性質(zhì)探索平頂山十二礦巖爆產(chǎn)生的機(jī)理。

1 巖爆巖石斷口電鏡實(shí)驗(yàn)

十二礦位于平頂山東部，礦區(qū)地質(zhì)主要受一系列的北西-南東向褶皺平行排列的復(fù)式褶皺構(gòu)造形態(tài)影響，同時(shí)兼有前聶背斜、焦贊向斜、郭莊背斜、任莊向斜等構(gòu)造形態(tài)。目前該礦山開(kāi)采深度超過(guò)1 km，屬于深埋礦山，在該礦三水平皮帶下山施工過(guò)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(nèi)實(shí)驗(yàn)，其單軸抗壓強(qiáng)度為206.6 MPa，彈性模量為34.6 GPa，普氏系數(shù)為20.6，屬高強(qiáng)度硬脆巖石。為了該礦山的安全生產(chǎn)，作者對(duì)該礦-600 m進(jìn)風(fēng)巷道三水平皮帶下山施工過(guò)程中巖爆巖石取樣，并對(duì)其斷口進(jìn)行掃描電鏡(SEM)觀察，擬從微觀角度研究斷口微觀結(jié)構(gòu)形貌，對(duì)巖爆機(jī)理進(jìn)行解釋和探討。

1.1 實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)設(shè)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(dǎo)電膠粘于樣品臺(tái)上, 進(jìn)行真空鍍膜, 噴涂金膜后進(jìn)行電鏡觀察。實(shí)驗(yàn)采用S-3400型掃描電子顯微鏡對(duì)巖爆巖石斷裂微觀結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(tái)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(jìn)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(xué)機(jī)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(jié)物的交界處，在晶界處裂紋很少，主要原因是顆粒的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于膠結(jié)強(qiáng)度，巖爆發(fā)生后受應(yīng)力波及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，巖石斷口形貌較復(fù)雜，呈臺(tái)階狀、河流狀、霧區(qū)狀等。在巖爆強(qiáng)大的彈性能作用下，導(dǎo)致晶體顆粒與膠結(jié)物的交界處最先起裂，應(yīng)力波傳播時(shí)遇到晶界、晶體時(shí)產(chǎn)生反射，這樣應(yīng)力波反復(fù)疊加交錯(cuò)，使裂紋擴(kuò)展迅速且裂紋形貌復(fù)雜。其斷裂機(jī)理總體可歸結(jié)為拉張和剪切破壞2種。砂巖內(nèi)部晶體顆粒起初處于隨機(jī)分布的無(wú)序狀，隨著應(yīng)力波導(dǎo)致膠結(jié)物的起裂，強(qiáng)大的巖爆應(yīng)力波瞬間使起裂紋擴(kuò)展，當(dāng)應(yīng)力波傳播到晶粒內(nèi)，在晶粒內(nèi)產(chǎn)生裂紋或裂紋擴(kuò)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(cuò)動(dòng)相交成臺(tái)階狀；晶面上不同平面內(nèi)的微裂紋與巖爆的微裂紋受應(yīng)力波撕裂作用形成臺(tái)階(見(jiàn)圖1，巖樣1)，撕裂是由晶體連接部分在巖爆強(qiáng)大彈性能迅速釋放時(shí)產(chǎn)生的剪、拉應(yīng)力造成的，臺(tái)階表面凸凹交錯(cuò)、形貌復(fù)雜，這與砂巖自身的各向異性、非均質(zhì)、非線性關(guān)系密切。砂巖自身的弱面或?qū)訝畹陌l(fā)育結(jié)構(gòu)，在巖爆應(yīng)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(kuò)展形成層狀或者板狀(見(jiàn)圖2，巖樣1)。

圖1 臺(tái)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(jié)物包圍，礦山局部區(qū)域高應(yīng)力集中使這些顆粒的周邊最先形成微裂紋，然后逐漸擴(kuò)展至顆粒內(nèi)部，當(dāng)顆粒被微裂紋在內(nèi)部完全貫通時(shí)，顆粒徹底失去承載能力突然斷裂(當(dāng)大量顆粒在同一時(shí)間段內(nèi)突然斷裂，形成很強(qiáng)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(lái)，形成巖爆)，形成粗糙的霧區(qū)(見(jiàn)圖3，巖樣2)。若砂巖內(nèi)部的膠結(jié)物較多時(shí)，在強(qiáng)大巖爆應(yīng)力波沖擊下，極易產(chǎn)生沿晶斷裂，斷裂面較平整(見(jiàn)圖4，巖樣2)，此時(shí)地應(yīng)力的最大主應(yīng)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(yīng)力與巖爆關(guān)系

平頂山十二礦-600 m進(jìn)風(fēng)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(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量(表1)，地應(yīng)力較大，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差值也較大。根據(jù)實(shí)測(cè)皮帶下山與最大主應(yīng)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(kāi)采初期的巷道掘進(jìn)帶來(lái)了安全隱患，最大主應(yīng)力方位角與李口向斜樞紐近似90°，表明該區(qū)域地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主。最大主應(yīng)力造成工作面左幫的應(yīng)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(tái)階狀(見(jiàn)圖1)和板狀(見(jiàn)圖2)，根據(jù)劈裂巖塊在圍巖中的方位可知，臺(tái)階劈裂面大致平行巷道走向，這與地應(yīng)力最大主應(yīng)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(yīng)力(最大主應(yīng)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(jiàn)圖3)和沿晶斷裂(見(jiàn)圖4)。巷道圍巖橫斷面上，巖爆斷面臺(tái)階狀形貌較復(fù)雜，由于巖爆拋出的碎石無(wú)法準(zhǔn)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(yīng)力之間的關(guān)系：有的裂面與巷道走向及切應(yīng)力(最大主應(yīng)力)方向大致平行，有的裂面與切應(yīng)力(最大主應(yīng)力)成約30°，其斷面有的區(qū)域?yàn)檠鼐Юǎ械臑榇┚Ю?，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(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果

2.3 巖石微觀成分與巖爆關(guān)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(xué)特性，不同的礦物因其化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu)不同，其化學(xué)鍵也各不相同，導(dǎo)致礦物本身的力學(xué)特性也各異，在承受外力過(guò)程中儲(chǔ)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(jié)構(gòu)決定了其宏觀的力學(xué)特性，礦物成分的差異也會(huì)對(duì)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(duì)其細(xì)觀成分進(jìn)行分析。

由圖5～6、表2～3(表中w、a分別表示質(zhì)量分?jǐn)?shù)、原子分?jǐn)?shù))對(duì)比可知，砂巖2礦物成分含C、O、Si、Cr、Fe、Ni共6種化學(xué)成分，顆粒均勻、致密、結(jié)晶程度好，彈性模量大，其剛度和抗變形的能力也大，強(qiáng)度高，在承受荷載時(shí)，這些礦物組成受力骨架，能夠積蓄大量的彈性應(yīng)變能；而砂巖1巖樣礦物成分除含有上述6種化學(xué)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(gòu)各異，膠結(jié)物較多，結(jié)晶程度低，彈性模量小，受力時(shí)變形大，發(fā)生塑性變形耗散的能量也大，強(qiáng)度也相對(duì)較低。所以砂巖2相比砂巖2彈性模量大、強(qiáng)度高，發(fā)生脆性破壞的能力增強(qiáng)，在承受載荷的過(guò)程中儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能能力增強(qiáng)，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(yīng)變能增大，發(fā)生巖爆的可能性增強(qiáng)。因此，在外界應(yīng)力集中程度相同的情況下，巖爆極易發(fā)生在結(jié)晶程度高、結(jié)構(gòu)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(jié) 論

通過(guò)掃描電鏡對(duì)平頂山十二礦巖爆機(jī)理進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

(1)巷道圍巖劈裂巖塊斷口形貌特征大多呈臺(tái)階狀，劈裂面與地應(yīng)力最大主應(yīng)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(yīng)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(fù)雜，有的裂面與巷道走向及切應(yīng)力(最大主應(yīng)力)方向大致平行，有的裂面與切應(yīng)力(最大主應(yīng)力)成約30°，其斷面有的區(qū)域?yàn)檠鼐Ю?，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(duì)過(guò)平頂山十二礦巖爆機(jī)理的分析，可為該礦今后采取有效措施預(yù)防巖爆的發(fā)生提供依據(jù)。

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

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(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51304083)；教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目基金(413045)； 江西省自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(20142BAB216020)；江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(20132BBG70106)； 江西理工大學(xué)重點(diǎn)課題(NSFJ2014-K02)

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

O389;TU452 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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