花崗巖晶粒尺寸對(duì)巖爆影響的試驗(yàn)研究*

蘇國(guó)韶，陳冠言，胡小川，梅詩(shī)明，黃小華

（廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地下空間的開(kāi)發(fā)與利用也由淺部向深部轉(zhuǎn)移，巖爆地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題日益凸顯，嚴(yán)重威脅到施工人員和設(shè)備的安全。與剝落、板裂等靜態(tài)脆性破壞不同，巖爆屬于動(dòng)力破壞現(xiàn)象，發(fā)生時(shí)伴隨巖塊的高速?gòu)椛洌o工程安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。當(dāng)前巖爆的預(yù)測(cè)與防治水平難以滿足工程實(shí)踐要求，巖爆研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

巖爆機(jī)制高度復(fù)雜，源自影響因素眾多。學(xué)者們開(kāi)展了大量關(guān)于巖爆影響因素的研究，取得了豐碩成果。在荷載的影響因素方面，除開(kāi)挖卸荷后圍巖應(yīng)力集中程度對(duì)巖爆具有重要影響外，應(yīng)力集中的過(guò)程也對(duì)巖爆具有不可忽視的影響，例如：近年來(lái)的真三軸巖爆試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，卸載速率、動(dòng)力擾動(dòng)荷載的幅值和頻率對(duì)巖爆發(fā)生和烈度具有顯著影響[1-5]，巖爆發(fā)生與加載速率、中間主應(yīng)力和洞徑方向應(yīng)力梯度有關(guān)[6-8]。在巖石材料性質(zhì)的影響因素方面，大量研究成果表明，巖石具有較高的強(qiáng)度和較大的脆性是巖爆發(fā)生的基本條件[9-10]，巖石含水率對(duì)巖爆的影響較顯著[11]，而巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)巖爆往往具有控制作用[12-14]，但關(guān)于巖石晶粒性狀對(duì)巖爆的影響研究尚不多見(jiàn)。

加拿大URL 地下實(shí)驗(yàn)室中，在相似環(huán)境下，花崗巖洞段以剝落、劈裂為主，但在強(qiáng)度、脆性與花崗巖基本類似的閃長(zhǎng)花崗巖開(kāi)挖洞段，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的脆性破壞[15]，這說(shuō)明了巖石脆性破壞不僅與強(qiáng)度或脆性有關(guān)，而且可能還與巖石的礦物成分、晶粒尺寸等因素有關(guān)。關(guān)于巖石晶粒對(duì)巖石破壞影響研究：Wawersik 等[16]認(rèn)為Solenhofen 石灰?guī)r、玄武巖在單軸壓縮條件下表現(xiàn)為II 類破壞，而晶粒較粗、均勻性較差的Charcoal 灰色花崗巖則以I 類破壞為主，巖石的破壞模式與礦物晶粒尺寸有密切關(guān)系；Tang 等[17]采用RFPA 調(diào)查了晶粒強(qiáng)度非均勻性對(duì)巖石單軸條件下的峰前、峰后響應(yīng)及伴隨的聲發(fā)射活動(dòng)的影響；張翀等[18]采用二維離散元法研究了晶粒形狀對(duì)試樣剪切強(qiáng)度的影響；趙康等[10]、黃潤(rùn)秋等[19]從晶粒的結(jié)晶程度和晶粒的排列探討了它們對(duì)巖爆烈度的影響，認(rèn)為在相同的應(yīng)力條件下，結(jié)晶程度高的硬脆巖石更容易發(fā)生巖爆，具有定向排列特征的巖石比隨機(jī)分布的巖石的巖爆烈度弱。但是，關(guān)于晶粒尺寸對(duì)巖爆的影響尚未見(jiàn)報(bào)道。

本文中，利用真三軸巖爆試驗(yàn)系統(tǒng)，以單軸抗壓強(qiáng)度相似的細(xì)中晶粒閃長(zhǎng)花崗巖和中粗晶粒花崗巖兩種硬脆性巖石作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)含預(yù)制圓形通孔立方體試樣加載，模擬圓形隧洞的巖爆過(guò)程，并采用微型攝像機(jī)及聲發(fā)射傳感器記錄巖爆過(guò)程，由此探討硬脆性巖石晶粒尺寸對(duì)巖爆的影響，這對(duì)于豐富巖爆的認(rèn)識(shí)具有重要意義。

1 巖爆試驗(yàn)

1.1 試樣制備

選用取自廣東肇慶市和廣西梧州市的兩種花崗巖作為巖材，其基本物理力學(xué)參數(shù)、礦物成分以及晶粒直徑見(jiàn)表1，兩種花崗巖均屬于顯晶質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖1）。

表1 花崗巖基本物理、力學(xué)參數(shù)與礦物成分Table 1 Basic physical and mechanical parameters and mineral composition

圖1 花崗巖偏光顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 Polarized micrograph of granite

對(duì)石英晶粒進(jìn)行直徑測(cè)量，廣東肇慶市的花崗巖晶粒直徑在0.6～5.0 mm 之間分布，按粗粒（晶粒直徑＞5 mm）、中粒（5 mm≥晶粒直徑＞2 mm）、細(xì)粒（晶粒直徑≤2 mm）的晶粒尺寸劃分標(biāo)準(zhǔn)[20]，屬于細(xì)中晶粒花崗巖；廣西梧州的晶粒直徑在2～22 mm 之間均有分布，屬于中粗晶粒花崗巖。為模擬圓形截面隧洞，將石材加工成含直徑為50 mm 貫穿圓形孔洞的150 mm×150 mm×150 mm 立方體試件（圖2）。

圖2 花崗巖試件Fig.2 Granite specimens

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)采用廣西大學(xué)的真三軸巖爆試驗(yàn)系統(tǒng)（圖3），系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)（圖4）與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖5），聲發(fā)射傳感器工作頻率為125～750 kHz、采樣率取1 MHz，試驗(yàn)中將6 個(gè)聲發(fā)射傳感器分別布置于試件沿軸向（X向）的兩個(gè)自由面，每個(gè)面布置3 個(gè)傳感器，具體布置見(jiàn)圖4。為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖爆全過(guò)程，開(kāi)發(fā)了巖爆試驗(yàn)實(shí)時(shí)視頻觀測(cè)系統(tǒng)，包括錄像機(jī)和視頻監(jiān)視器，監(jiān)視器可以實(shí)時(shí)觀測(cè)試件內(nèi)部破壞狀況，錄像機(jī)的采樣率為30 s?1。

圖3 真三軸巖爆試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 True triaxial rockburst testing system

圖4 加載裝置與視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.4 Loading devices and observation system

圖5 聲發(fā)射采集系統(tǒng)和傳感器Fig.5 AE acquisition system and sensors

1.3 試驗(yàn)方案

隧洞開(kāi)挖后，圍巖環(huán)向應(yīng)力將逐漸升高，當(dāng)環(huán)向應(yīng)力高于巖石峰值強(qiáng)度時(shí)，圍巖將可能發(fā)生巖爆。工程實(shí)踐也表明，巖爆通常發(fā)生在開(kāi)挖后1～3 d 內(nèi)[21]，說(shuō)明環(huán)向應(yīng)力的逐漸集中是導(dǎo)致巖爆發(fā)生的主要因素之一，因此，可通過(guò)Z方向的不斷加載，模擬環(huán)向應(yīng)力不斷升高的過(guò)程[22]。本試驗(yàn)采用負(fù)荷控制，加載速率為0.05 MPa/s。具體加載應(yīng)力路徑為(見(jiàn)圖6)：σY和σZ同時(shí)開(kāi)始加載至10 MPa；σY保持不變，繼續(xù)以0.05 MPa/s 加載σZ至試件左右兩側(cè)出現(xiàn)明顯的帶狀V 形破壞坑后停止加載。

圖6 加載路徑Fig.6 Loading path

2 試驗(yàn)結(jié)果

利用細(xì)中晶粒(A1、A2)和中粗晶粒(B1、B2)花崗巖分別進(jìn)行了重復(fù)性試驗(yàn)，而且A1、A2 的試驗(yàn)結(jié)果較一致，B1、B2 的試驗(yàn)結(jié)果也較一致，本文中僅各自選取一塊試件(A1 和B1)進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果的分析。

細(xì)中晶粒花崗巖試件(A1)的破壞過(guò)程見(jiàn)圖7。當(dāng)σZ加載至113.45 MPa 時(shí)，右側(cè)邊墻發(fā)生小顆粒彈射，見(jiàn)圖7(a)；隨后5 s (σZ=113.72 MPa)，左側(cè)洞壁發(fā)生小顆粒彈射，見(jiàn)圖7(b)；當(dāng)σZ加載至122.10 MPa 時(shí)，穩(wěn)定的劈裂、屈曲破壞在右側(cè)開(kāi)始產(chǎn)生，并沿洞壁向里發(fā)育，碎屑沿洞壁滑下，見(jiàn)圖7(c)；當(dāng)σZ增大至129.98 MPa 時(shí)，隧洞左側(cè)圍巖向外鼓脹、彎曲，形成一條宏觀鼓脹帶，見(jiàn)圖7(d)；當(dāng)σZ增大至132.08 MPa 后，鼓脹帶的巖板折斷、滑落至洞底，見(jiàn)圖7(e)；當(dāng)σZ增大到133.21 MPa 時(shí)，隧洞左右兩側(cè)的破裂帶幾乎貫穿整個(gè)洞壁，見(jiàn)圖7(f)；隨后，兩側(cè)洞壁板裂屈曲破壞程度不斷增大，破裂帶面積和深度進(jìn)一步增大，有部分未折斷的巖板懸留在破壞坑上下側(cè)，見(jiàn)圖7(g)～(h)，巖樣的最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖7(h)。

圖7 細(xì)中晶粒花崗巖試件(A1)的破壞過(guò)程Fig.7 Failure process of the fine to medium-grained granite specimen (A1)

中粗晶粒花崗巖試件(B1)的破壞過(guò)程見(jiàn)圖8。當(dāng)σZ加載至88.08 MPa 后，左右兩側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)顆粒彈射，見(jiàn)圖8(a)～(c)；σZ加載至104.19 MPa 后，右側(cè)發(fā)生塊片彈射，并在σZ增大至104.93 MPa 時(shí)，隧洞右側(cè)發(fā)生局部巖爆#1，大量碎屑快速?gòu)棾觯植繋r爆位置與隧洞右側(cè)最初的破壞區(qū)之間存在未破壞區(qū)域，見(jiàn)圖8(d)～(f)；σZ增大至106.52 MPa 時(shí)，左側(cè)洞壁中部再次發(fā)生局部巖爆#2，大量塊片彈射至洞底，見(jiàn)圖8(g)；σZ增大至112.46 MPa 時(shí)，隧洞右側(cè)發(fā)生猛烈的局部巖爆#3，右側(cè)分散的破壞區(qū)域連接起來(lái)形成條帶狀巖爆坑，見(jiàn)圖8(h)；隨后，在2 317.32 和2 344.32 s 時(shí)分別發(fā)生了局部巖爆#4 和局部巖爆#5，此時(shí)隧洞兩側(cè)都形成了明顯的條帶狀巖爆坑，見(jiàn)圖8(i)～(j)；σZ增大至120 MPa 后，隧洞兩側(cè)發(fā)生劇烈?guī)r爆，大量碎屑快速?gòu)棾觯蹓m充滿整個(gè)隧洞，見(jiàn)圖8(k)；隧洞兩側(cè)巖爆坑已貫穿整個(gè)試件，為防止試件發(fā)生整體性垮塌，采用位移控制快速卸載，巖樣的最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖8(l)。

3 兩種不同晶粒尺寸花崗巖的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 宏觀破壞過(guò)程的對(duì)比

細(xì)中晶粒花崗巖孔洞兩側(cè)在試驗(yàn)前期基本不發(fā)生破壞；當(dāng)豎向應(yīng)力σZ達(dá)到一定值后，孔洞左右兩側(cè)開(kāi)始發(fā)生小顆粒彈射，但是小顆粒彈射的數(shù)量較少，且彈射速度較低；隨著豎向應(yīng)力的升高，孔洞兩側(cè)的圍巖開(kāi)始向外鼓脹、折斷、剝落，并且發(fā)生破壞的區(qū)域在時(shí)間和空間分布上較集中、連續(xù)，沿著破壞區(qū)逐漸往里發(fā)育，最終形成條帶狀的破裂帶(圖9)。細(xì)中晶粒花崗巖孔洞兩側(cè)圍巖的破壞模式為板裂化破壞，基本不發(fā)生塊片彈射。因此，細(xì)中晶粒花崗巖破壞過(guò)程可為小顆粒彈射、劈裂、屈曲折斷等階段。

與細(xì)中晶粒花崗巖的破壞過(guò)程不同的是，中粗晶粒花崗巖的劈裂、屈曲破壞并不明顯，巖板劈裂、彎曲造成的圍巖體積增大明顯減小。由于顆粒尺寸更大、顆粒分布更不均勻，巖板折斷時(shí)容易產(chǎn)生破壞局部化，一旦折斷，其存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能瞬間釋放，碎屑以較快的速度彈出，產(chǎn)生烈度不等的局部巖爆，局部巖爆發(fā)生位置在空間分布上較分散，局部巖爆破壞區(qū)域之間存在未發(fā)生破壞區(qū)域，發(fā)生的局部巖爆并不是連續(xù)的，在時(shí)間上也存在一定的不連續(xù)，見(jiàn)圖8(e)～(j)。隨著局部巖爆次數(shù)的增加，局部巖爆區(qū)域開(kāi)始逐漸連接起來(lái)，形成帶狀V 形巖爆坑，試驗(yàn)加載后期孔洞兩側(cè)發(fā)生劇烈?guī)r爆，V 形巖爆坑進(jìn)一步加寬加深(圖10)。因此，中粗晶粒花崗巖破壞模式為小顆粒彈射、局部巖爆、整體巖爆。

圖9 細(xì)中晶粒花崗巖試樣(A1)最終破壞結(jié)果Fig.9 Failure results of the fine to medium-grained granite specimen (A1)

綜上所述，兩種具有不同晶粒尺 寸的花崗巖宏觀破壞過(guò)程的主要 差異為：細(xì)中晶粒花崗巖主要以穩(wěn)定連續(xù)的劈裂、屈曲破壞為主，無(wú)劇烈的彈射現(xiàn)象，屬于典型的靜態(tài)脆性破壞，發(fā)生的破壞在時(shí)空分布上較連續(xù)、集中；中粗晶粒花崗巖在破壞過(guò)程中主要以非連續(xù)的顆粒、塊片彈射為主，發(fā)生破壞的位置在空間分布上較分散，每次彈射破壞之間具有一定的時(shí)間間隔，伴隨劇烈的彈射現(xiàn)象，劃分為巖爆。

圖10 中粗晶粒花崗巖試樣(B1)最終破壞結(jié)果Fig.10 Failure results of the medium to coarse-grained granite specimen (B1)

3.2 微觀破壞過(guò)程的對(duì)比

3.2.1 聲發(fā)射撞擊特征

圖11 為細(xì)中晶粒(A1)、中粗晶粒(B1)花崗巖試驗(yàn)過(guò)程中聲發(fā)射撞擊與累計(jì)撞擊。總體而言，其變化趨勢(shì)大致皆可以劃分為3 個(gè)階段：加載初期Ⅰ、加載中期Ⅱ和加載后期Ⅲ。

圖11 豎向應(yīng)力、聲發(fā)射撞擊以及累計(jì)撞擊隨時(shí)間的變化Fig.11 Change of vertical stress, acoustic emission (AE) hit and accumulative AE hit with time

細(xì)中晶粒花崗巖在加載初期Ⅰ和加載中期Ⅱ幾乎沒(méi)有產(chǎn)生聲發(fā)射撞擊，進(jìn)入加載后期Ⅲ撞擊數(shù)突增至最大值0.32×104，然后迅速下降至0.5×103，聲發(fā)射撞擊在加載后期的突增特點(diǎn)比較明顯；聲發(fā)射累積撞擊在加載初期Ⅰ和加載中期Ⅱ幾乎為零，進(jìn)入加載后期Ⅲ快速增加，突然增加后趨于平緩。中粗晶粒花崗巖在加載初期Ⅰ有少量聲發(fā)射撞擊(0.4×102)出現(xiàn)，在加載中期Ⅱ末和加載后期Ⅲ撞擊數(shù)開(kāi)始快速增加至最大值0.79×103，然后降低至0.5×103；聲發(fā)射累積撞擊在加載初期Ⅰ隨著應(yīng)力的升高穩(wěn)定地增加，在加載中期Ⅱ末和加載后期Ⅲ，累積撞擊快速增加。

以上差異主要來(lái)源于花崗巖礦物晶粒尺寸的差異。細(xì)中晶粒花崗巖顆粒分布范圍較小，僅分布在0.6～5.0 mm，而中粗晶粒花崗巖晶粒分布范圍較大，2～22 mm 之間均有分布，這使得礦物晶粒幾何尺寸帶來(lái)的非均勻性在中粗晶粒花崗巖中表現(xiàn)得更明顯。在加載初期Ⅰ和加載中期Ⅱ，隨著豎向應(yīng)力的升高，礦物幾何尺寸差異性大的中粗晶粒花崗巖更易形成局部拉應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生聲發(fā)射活動(dòng)；進(jìn)入加載中期Ⅱ末和加載后期Ⅲ，中粗晶粒花崗巖內(nèi)部裂紋快速發(fā)育并且逐漸貫通形成宏觀裂紋，聲發(fā)射活動(dòng)較活躍，累積撞擊快速增加，但增加速率相對(duì)較小。細(xì)中晶粒花崗巖的晶粒尺寸較小且分布較均勻，導(dǎo)致圍巖內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)分布較均勻，不易產(chǎn)生局部拉應(yīng)力，因此加載初期Ⅰ和加載中期Ⅱ的聲發(fā)射活動(dòng)較少，但進(jìn)入加載后期Ⅲ，荷載較高時(shí)，較均勻的拉應(yīng)力場(chǎng)會(huì)使得大量微觀裂紋同時(shí)產(chǎn)生和發(fā)育，因此，聲發(fā)射活動(dòng)表現(xiàn)為突然、猛烈的增加，累積撞擊增加速率較大。

3.2.2 聲發(fā)射主頻特征

圖12 為兩種具有不同晶粒尺寸花崗巖的聲發(fā)射主頻分布。可以看出，兩種花崗巖的主頻范圍均為0～500 kHz，因此本文將0～75、＞75～225、＞225～500 kH 等3 個(gè)頻率段分別稱作低頻、中頻和高頻。Cai 等[23]指出了聲發(fā)射主頻與巖石內(nèi)部開(kāi)裂過(guò)程相關(guān)，高頻聲發(fā)射信號(hào)源自小尺度裂紋，大破裂對(duì)應(yīng)低頻聲發(fā)射信號(hào)。因此，聲發(fā)射主頻可作為反映裂紋尺度信息的重要指標(biāo)。

圖12 試驗(yàn)過(guò)程中兩種具有不同晶粒尺寸花崗巖的聲發(fā)射主頻分布Fig.12 Acoustic emission dominant-frequencies of two granites with different particle sizes during the test

從圖12(a)可知，細(xì)中晶粒花崗巖在加載初期Ⅰ和加載中期Ⅱ的聲發(fā)射主頻主要分布在260～340 kHz，屬于高頻段，中頻、低頻信號(hào)較少，說(shuō)明在此階段主要為小尺度裂紋的產(chǎn)生；進(jìn)入加載后期Ⅲ，聲發(fā)射主要分布在25～350 kHz，低、中、高頻均有分布，說(shuō)明細(xì)中晶粒花崗巖在這一時(shí)期內(nèi)產(chǎn)生較多的小尺度裂紋和大破裂。通過(guò)對(duì)比加載初期Ⅰ、中期Ⅱ、后期Ⅲ的聲發(fā)射主頻信號(hào)特征可知，25～75 kHz 的聲發(fā)射低頻信號(hào)主要集中在加載后期Ⅲ，說(shuō)明大破裂事件主要集中在加載后期Ⅲ。

從圖12(b)可知，中粗晶粒花崗巖在整個(gè)加載過(guò)程中的聲發(fā)射主頻主要分布在5～65、75～160 和225 ～330 kHz 等3 個(gè)頻率段，分別屬于低頻、中頻和高頻，且隨著時(shí)間增長(zhǎng)，這3 個(gè)主頻段的信號(hào)逐漸增加。這說(shuō)明，整個(gè)加載過(guò)程中都有小破裂事件和大破裂事件產(chǎn)生，且隨著時(shí)間增長(zhǎng)，小破裂事件和大破裂事件逐漸增加。

由圖12 可知，細(xì)中晶粒花崗巖25～75 kHz 的聲發(fā)射低頻信號(hào)主要集中在加載后期Ⅲ，而中粗晶粒花崗巖5～65 kHz 的聲發(fā)射低頻信號(hào)在加載Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等3 個(gè)時(shí)期內(nèi)均有分布。這說(shuō)明中粗晶粒花崗巖產(chǎn)生的大破裂事件比細(xì)中晶粒花崗巖在時(shí)間分布上更分散。這與前面的試驗(yàn)結(jié)果一致，中粗晶粒花崗巖發(fā)生的宏觀破壞在時(shí)空分布上相對(duì)分散，由局部破壞發(fā)展到最終的整體破壞，細(xì)中晶粒花崗巖發(fā)生的宏觀破壞主要集中在加載后期Ⅲ，在時(shí)空分布上相對(duì)連續(xù)、集中。

3.3 特征應(yīng)力的對(duì)比

表2～3 給出了兩種花崗巖在加載過(guò)程中的特征應(yīng)力。本文中特征應(yīng)力均為豎向(Z向)加載的應(yīng)力，起裂應(yīng)力σci和損傷應(yīng)力σcd的確定是基于累積聲發(fā)射撞擊，具體方法參考文獻(xiàn)[24]。洞壁切向應(yīng)力σθ由柯西公式計(jì)算得到。

表2 加載過(guò)程中細(xì)中晶粒花崗巖的特征應(yīng)力Table 2 Characteristic stresses in the fine to medium-grained granite specimen during loading

表3 加載過(guò)程中中粗晶粒花崗巖特征應(yīng)力Table 3 Characteristic stresses of the medium to coarse-grained granite specimen during loading

對(duì)比表2 和表3 可知，細(xì)中晶粒花崗巖內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生、明顯小顆粒彈射發(fā)生、裂紋聯(lián)合以及最后宏觀破壞對(duì)應(yīng)的特征應(yīng)力分別為74.00、113.72、127.50 和132.08 MPa，比中粗晶粒對(duì)應(yīng)特征應(yīng)力分別高27.6%、55.3%、12.8%和9.1%。因此，較小尺寸晶粒使得破壞得到了延遲，影響了巖石內(nèi)部的微觀、宏觀破壞。當(dāng)然，這主要是由于花崗巖晶粒較小且分布相對(duì)均勻，導(dǎo)致圍巖內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)分布相對(duì)均勻，不容易產(chǎn)生局部拉應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變能集中，使圍巖抵抗破壞的能力得到增強(qiáng)。

3.4 碎屑特征的對(duì)比

圖13 為試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑分布。為分析其特征，對(duì)于粒徑大于9.50 mm 的碎塊(屬于粗粒徑碎屑)，逐個(gè)測(cè)量其長(zhǎng)度和厚度，經(jīng)測(cè)量可知細(xì)中晶粒花崗巖的4 塊粗粒徑碎屑的長(zhǎng)度(厚度)分別為21.50 mm (2.00 mm)、18.10 mm (2.5 mm)、19.10 mm (2.10 mm)和20.00 mm (1.50 mm)，占總碎屑質(zhì)量的8.6%；中粗晶粒花崗巖的4 塊粗粒徑碎屑的長(zhǎng)度(厚度) 分別為15.10 mm (5.00 mm)、14.50 mm(3.00 mm)、14.50 mm (2.60 mm)和13.10 mm (2.80 mm)，占總碎屑質(zhì)量的5.1%；細(xì)中晶粒花崗巖的粗粒碎屑相對(duì)薄和長(zhǎng)，而中粗晶粒花崗巖的粗粒碎屑則相對(duì)厚和短，見(jiàn)圖14。

由圖15 可以看出：細(xì)中晶粒花崗巖粒徑為2.36～4.75 mm 的碎屑在其總碎屑中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為20.4%；中粗晶粒花崗巖粒徑為0.30～0.60 mm 的碎屑在其總碎屑中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為22.0%。從碎屑分布總體來(lái)看：中粗晶粒花崗巖碎屑粒徑主要分布在0.15～2.36 mm，占總碎屑質(zhì)量的83.1%；而細(xì)中晶粒花崗巖碎屑粒徑主要分布在0.15～4.75 mm，占總碎屑質(zhì)量的82.4%。所以中粗晶粒花崗巖的碎屑的破碎度更高，分布更均勻。

圖13 碎屑粒徑分布(單位：mm)Fig.13 Particle size distribution of fragments (unit： mm)

圖14 粗粒徑碎塊(單位：mm)Fig.14 Coarse-grained fragments (unit： mm)

圖15 各等級(jí)碎屑的質(zhì)量占比Fig.15 Mass fractions of fragments with different particle sizes

4 晶粒尺寸對(duì)巖爆影響的機(jī)制分析

花崗巖內(nèi)含有多種礦物成分，主要包括斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英和黑云母等，且這些礦物成分隨機(jī)分布在花崗巖內(nèi)。結(jié)合表1 和圖1～2 可知，細(xì)中晶粒花崗巖的晶粒直徑較小，單位面積內(nèi)含有的同種礦物晶粒數(shù)量較多，例如黑云母，晶斑直徑較小，在空間分布較均勻，非均勻性較低；而中粗晶粒花崗巖的晶粒直徑較大，單位面積內(nèi)含有的同種礦物晶粒數(shù)量較少，例如黑云母，晶斑直徑較大，在空間分布較集中，非均勻性較高。

研究發(fā)現(xiàn)，巖石材料礦物成分的非均勻性對(duì)巖石的破壞過(guò)程有重要影響。例如：Peng 等[26]采用PFC 分析了晶粒尺寸及其分布對(duì)巖石破壞過(guò)程的影響，認(rèn)為顆粒尺寸及其分布非均勻性對(duì)巖石的峰后響應(yīng)具有很大的影響；Lan 等[15]分析了不同晶粒形狀下巖石的力學(xué)響應(yīng)，指出晶粒分布均勻的巖石其破壞相對(duì)穩(wěn)定。張拉破壞是硬脆性巖石在零圍壓或低圍壓下的主要破壞機(jī)制，而礦物晶粒分布非均勻性是巖石內(nèi)部產(chǎn)生局部拉應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力集中的必要條件，因?yàn)榧词箮r石處于多軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)，晶粒的非均勻性也會(huì)在巖石內(nèi)部產(chǎn)生局部的拉應(yīng)力[27]。在本試驗(yàn)研究中也發(fā)現(xiàn)，在相同低圍壓和相同加載條件的情況下，晶粒尺寸較粗的花崗巖起裂應(yīng)力較低，較早發(fā)生顆粒、塊片彈射。這是由于晶粒尺寸較粗且分布相對(duì)不均勻的中粗晶粒花崗巖在加載過(guò)程中，圍巖更容易出現(xiàn)張拉應(yīng)力集中以及彈性應(yīng)變能局部集聚。當(dāng)局部彈性應(yīng)變能超過(guò)圍巖承載極限后，會(huì)引起圍巖發(fā)生局部破壞，即圍巖能量的耗散在時(shí)空分布上相對(duì)隨機(jī)、分散，所以圍巖發(fā)生破壞時(shí)傾向于發(fā)生動(dòng)力破壞現(xiàn)象，即劇烈的塊片彈射現(xiàn)象，甚至巖爆，這與本試驗(yàn)中粗晶粒花崗巖破壞過(guò)程較吻合(見(jiàn)圖8)。而晶粒尺寸較細(xì)的花崗巖起裂應(yīng)力較高，而且從其破壞過(guò)程可知(見(jiàn)圖7)，隨著荷載增高，圍巖會(huì)逐漸向外鼓脹、折斷、滑落，且破壞位置較集中、連續(xù)。這是由于晶粒較細(xì)且分布相對(duì)均勻的細(xì)中晶粒花崗巖，在加載過(guò)程中圍巖內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)分布相對(duì)均勻，不容易導(dǎo)致局部拉應(yīng)力以及彈性應(yīng)變能的集中，當(dāng)荷載較高時(shí)，圍巖內(nèi)部容易產(chǎn)生大量的小破裂和大破裂事件，這與本試驗(yàn)圖11(a)細(xì)中晶粒花崗巖的聲發(fā)射活動(dòng)規(guī)律較吻合，圍巖內(nèi)部的破裂相互貫通，造成能量的不斷耗散，容易導(dǎo)致圍巖發(fā)生烈度較輕的板裂化破壞。

5 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同加載條件下，細(xì)中晶粒花崗巖圍巖發(fā)生靜態(tài)脆性破壞為主的板裂化破壞，而中粗晶粒花崗巖發(fā)生劇烈彈射破壞為主的巖爆破壞。由此可見(jiàn)，晶粒尺寸對(duì)花崗巖的巖爆傾向性具有重要影響，應(yīng)力集中足夠高和巖石峰前彈性應(yīng)變能存儲(chǔ)能力基本相同的情況下，晶粒尺寸較粗的巖石具有更強(qiáng)的巖爆傾向性。

（2）聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，細(xì)中晶粒花崗巖在最終發(fā)生失穩(wěn)破壞前，產(chǎn)生大量的小破裂和大破裂事件，巖石的破裂在時(shí)空分布上相對(duì)連續(xù)、集中，導(dǎo)致圍巖發(fā)生破裂烈度較輕的板裂化破壞；而中粗晶粒花崗巖產(chǎn)生的小破裂和大破裂事件隨機(jī)出現(xiàn)在加載的各個(gè)時(shí)期，巖石的破裂在時(shí)空分布上相對(duì)分散，容易導(dǎo)致圍巖發(fā)生顆粒和塊片彈射，甚至發(fā)生巖爆。

（3）與細(xì)中晶粒花崗巖相比，中粗晶粒花崗巖粗粒徑碎塊(≥9.50 mm)和微粒徑碎塊(＜0.08 mm)占總碎塊質(zhì)量比例較小，0.15～2.36 mm 細(xì)粒徑碎塊占總碎塊質(zhì)量比例較大，碎塊的平均破碎塊度較小，碎塊的破碎程度更高，這說(shuō)明中粗晶粒花崗巖發(fā)生的破壞更劇烈。