基于聲發(fā)射的不同粒徑花崗巖細觀破裂機理研究

秦子森QIN Zi-sen；郭宦富GUO Huan-fu

（①招金礦業(yè)股份有限公司蠶莊金礦，招遠 265400；②東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，沈陽 110819）

1 緒論

巖石內(nèi)部區(qū)域在內(nèi)力、外力和溫度的影響下有裂紋形成（擴展）或產(chǎn)生塑性變形時，應(yīng)變能迅速釋放所產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波，稱為聲發(fā)射[1]。

Gilbert[2]于1970 年提出矩張量這一概念，矩張量反演理論可被應(yīng)用于巖石聲發(fā)射數(shù)據(jù)的分析中，用于揭示巖石的微觀破裂機制[3]。Shang 等人（2018）發(fā)現(xiàn)，在直剪條件下，隨著正應(yīng)力的增加，斷裂機制從拉伸變?yōu)榧羟衃4]。Petru?álek 等人發(fā)現(xiàn)對于單軸壓縮條件下Westerly 花崗巖，剪切型微裂縫的比例約為29%[5]。Chang 和Lee[6]開展了花崗巖和大理巖的三軸壓縮聲發(fā)射試驗，發(fā)現(xiàn)剪切破壞是巖石三軸壓縮條件下微觀破裂的主要機制。

綜上所述，巖石聲發(fā)射矩張量理論及其應(yīng)用增強了人們對巖石破壞機理的認識，但研究對象主要集中于巖性、加載條件等對破壞機理的影響，很少涉及礦物顆粒尺寸的影響。因此，本文結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，以不同礦物顆粒尺寸花崗巖為研究對象，探究其在直剪條件下的細觀破裂機理，分析其與礦物顆粒尺寸間的關(guān)系。

2 巖石破裂機理量化方法

通過矩張量反演方法[4]可基于聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)計算破裂源的力矩張量，其破裂面的法向量n 及其運動方向l 可分別用下式求得：

式中，M1，M2，M3（M1＞M2＞M3）為矩張量的特征值，e1及e3為矩張量特征值（M1及M3）對應(yīng)的特征向量。

由于無法單純通過矩張量反演的方法確定哪個向量是破裂面的法線方向，所以需要結(jié)合破裂面上的主應(yīng)力狀態(tài)來確定，但并不影響張拉角的計算。張拉角可通過下式計算[7]：

其物理意義是張拉角γ 為運動方向向量及其在破裂面上投影向量的夾角。通過確定裂紋的張拉角γ 即可判斷其破裂類型。破裂機理及其對應(yīng)的張拉角如表1 所示。

表1 破裂機理及其對應(yīng)的張拉角

3 聲發(fā)射試驗介紹

3.1 巖性及試件加工

本試驗分別選取三種不同礦物顆粒尺寸的50×50×100mm 長方體花崗巖作為試驗巖樣：hj-1-11、hj-2-12、hj-3-10，平均礦物顆粒尺寸分別為：500.4μm、612.3μm、1559.4μm。為敘述方便，使用“細粒、中粒、粗?！眮韰^(qū)分礦物顆粒尺寸之間的不同。

3.2 試驗設(shè)備及試驗方案

試驗使用2000kN 微機控制電液伺服巖石直剪儀及PCI-Ⅱ聲發(fā)射儀。加載速度0.05mm/min，法向荷載10kN。10 個聲發(fā)射傳感器布置及加載方式如圖1 所示。

圖1 直剪切聲發(fā)射試驗探頭布置

4 直剪條件下不同粒徑花崗巖的微破裂機理

4.1 細粒花崗巖破裂機制

如圖2 為細?；◢弾r直剪破壞過程中微破裂機制的時空演化過程，其中，小球代表聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)定位到的微破裂，小球顏色代表破裂類型。

圖2 細?；◢弾rhj-1-11 細觀破裂演化隨應(yīng)力水平變化圖

加載初期，微裂紋主要出現(xiàn)于左側(cè)中部，隨著剪應(yīng)力增加，微裂紋逐漸向巖石試件中部擴展，并在巖石破壞前幾乎貫穿整個試件。微裂紋主要分布于宏觀裂紋附近，說明通過微裂紋的時空分布可以推測宏觀裂紋的形成與擴展過程。

細?；◢弾r破裂過程中各種破裂機制的微裂紋數(shù)量占比如圖3 所示，按照從高到低的占比順序來排序依次為：剪切型、壓剪型、拉剪型、壓型、拉型。其中，剪切型占比高達64.1%。

圖3 細粒礦物尺寸花崗巖破裂類型統(tǒng)計

4.2 中?；◢弾r破裂機制

如圖4 所示，中粒花崗巖微裂紋的時空演化過程與細?；◢弾r相似，但在相同應(yīng)力水平下，微破裂的擴展范圍更大，破壞前微破裂的貫通程度也更高。

圖4 中?；◢弾rhj-2-12 細觀破裂演化隨應(yīng)力水平變化圖

中?；◢弾r破裂過程中各種破裂機制的微裂紋數(shù)量占比如圖5 所示，其各種破裂機制由高到低的裂紋占比排序與到細?；◢弾r一致。其中，剪切型占比高達66.80%。

圖5 中粒礦物尺寸花崗巖破裂類型統(tǒng)計

4.3 粗?；◢弾r破裂機制

如圖6 所示，粗?；◢弾r微裂紋的時空演化過程與細、中?；◢弾r仍舊比較相似。在相同應(yīng)力水平下，微破裂的擴展范圍在三種粒徑的巖石中最大，并且破壞前微破裂的貫通程度也最高。

圖6 粗?；◢弾rhj-3-10 細觀破裂演化隨應(yīng)力水平變化圖

中粒花崗巖破裂過程中各種破裂機制的微裂紋數(shù)量占比如圖7 所示，按照從高到低的占比順序來排序依次為：剪切型、壓剪型、拉剪型、拉型、壓型。其中，剪切型占比高達71.5%。

圖7 粗粒礦物尺寸花崗巖破裂類型統(tǒng)計

4.4 粒徑對花崗巖破裂機制的影響

不同礦物顆粒尺寸的花崗巖破裂機制如圖8 所示。隨著粒徑的增大，剪切型占比逐漸升高，而其他類型的破裂機制卻存在逐漸降低的趨勢，說明粒徑較大的花崗巖在直剪作用下更易產(chǎn)生剪切型裂紋。推測原因為在正應(yīng)力的作用下潛在破裂面無法發(fā)生較大分離位移，較大礦物顆粒趨向于被直接剪斷，較小礦物顆粒則趨向于發(fā)生沿顆粒分界面的錯動和分離，在破裂機制中引入部分非剪切成分。

圖8 不同礦物顆粒尺寸的花崗巖破裂類型

5 結(jié)論

本文借助聲發(fā)射監(jiān)測手段開展試驗，研究了不同礦物顆?；◢弾r在直剪試驗條件下的細觀破裂機理，討論其與礦物顆粒尺寸間的關(guān)系。主要結(jié)論如下：①相同應(yīng)力水平下，隨著花崗巖粒徑的增加，微破裂的擴展范圍及宏觀破壞前微破裂的貫通程度均有增加趨勢。②不同粒徑花崗巖的微觀破裂機制均以剪切型為主，隨著粒徑的增大，剪切型占比逐漸升高，而其他類型的破裂機制逐漸降低。