基于聲發(fā)射的不同粒徑花崗巖細(xì)觀破裂機(jī)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(yuǎn) 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(kuò)展）或產(chǎn)生塑性變形時(shí)，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(jī)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(jī)制從拉伸變?yōu)榧羟衃4]。Petru?álek 等人發(fā)現(xiàn)對(duì)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(yàn)，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(jī)制。

綜上所述，巖石聲發(fā)射矩張量理論及其應(yīng)用增強(qiáng)了人們對(duì)巖石破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)，但研究對(duì)象主要集中于巖性、加載條件等對(duì)破壞機(jī)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(cè)技術(shù)，以不同礦物顆粒尺寸花崗巖為研究對(duì)象，探究其在直剪條件下的細(xì)觀破裂機(jī)理，分析其與礦物顆粒尺寸間的關(guān)系。

2 巖石破裂機(jī)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(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算破裂源的力矩張量，其破裂面的法向量n 及其運(yùn)動(dòng)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(duì)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(gè)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(jì)算。張拉角可通過下式計(jì)算[7]：

其物理意義是張拉角γ 為運(yùn)動(dòng)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(jī)理及其對(duì)應(yīng)的張拉角如表1 所示。

表1 破裂機(jī)理及其對(duì)應(yīng)的張拉角

3 聲發(fā)射試驗(yàn)介紹

3.1 巖性及試件加工

本試驗(yàn)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(yàn)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(xì)粒、中粒、粗粒”來區(qū)分礦物顆粒尺寸之間的不同。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)使用2000kN 微機(jī)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(gè)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(yàn)探頭布置

4 直剪條件下不同粒徑花崗巖的微破裂機(jī)理

4.1 細(xì)?；◢弾r破裂機(jī)制

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

圖2 細(xì)?；◢弾rhj-1-11 細(xì)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(kuò)展，并在巖石破壞前幾乎貫穿整個(gè)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(shí)空分布可以推測(cè)宏觀裂紋的形成與擴(kuò)展過程。

細(xì)?；◢弾r破裂過程中各種破裂機(jī)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(dá)64.1%。

圖3 細(xì)粒礦物尺寸花崗巖破裂類型統(tǒng)計(jì)

4.2 中粒花崗巖破裂機(jī)制

如圖4 所示，中?；◢弾r微裂紋的時(shí)空演化過程與細(xì)?；◢弾r相似，但在相同應(yīng)力水平下，微破裂的擴(kuò)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(xì)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(jī)制的微裂紋數(shù)量占比如圖5 所示，其各種破裂機(jī)制由高到低的裂紋占比排序與到細(xì)?；◢弾r一致。其中，剪切型占比高達(dá)66.80%。

圖5 中粒礦物尺寸花崗巖破裂類型統(tǒng)計(jì)

4.3 粗?；◢弾r破裂機(jī)制

如圖6 所示，粗?；◢弾r微裂紋的時(shí)空演化過程與細(xì)、中粒花崗巖仍舊比較相似。在相同應(yīng)力水平下，微破裂的擴(kuò)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 粗粒花崗巖hj-3-10 細(xì)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(jī)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(dá)71.5%。

圖7 粗粒礦物尺寸花崗巖破裂類型統(tǒng)計(jì)

4.4 粒徑對(duì)花崗巖破裂機(jī)制的影響

不同礦物顆粒尺寸的花崗巖破裂機(jī)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(jī)制卻存在逐漸降低的趨勢(shì)，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(cè)原因?yàn)樵谡龖?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(cuò)動(dòng)和分離，在破裂機(jī)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(cè)手段開展試驗(yàn)，研究了不同礦物顆?；◢弾r在直剪試驗(yàn)條件下的細(xì)觀破裂機(jī)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(kuò)展范圍及宏觀破壞前微破裂的貫通程度均有增加趨勢(shì)。②不同粒徑花崗巖的微觀破裂機(jī)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(jī)制逐漸降低。