微波照射下玄武岩冲击破碎特性研究

戴 俊，张越博，李栋烁，宋四达

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

岩体破碎作为采矿工程中的一项重要工序，直接影响着掘进开挖的效率和工程的整体进度。近年来随着矿业工程开挖深度的逐渐增加，岩体破碎工作也逐渐向地下深部复杂岩层发展，特别是遇到火成岩和碳酸盐岩等坚硬地层时，传统的机械破岩法中所存在的掘进速度慢、刀头成本增加等问题日益突出，已经难以满足深部开采的工期成本要求。而微波辅助机械破岩作为一项新型的破岩技术，可通过预先微波照射使岩体产生损伤，相比纯机械凿岩法，可使凿岩侵入率提高3倍以上，使得破岩效率有一定的提升。

国内已相继有专家和学者对微波辅助机械破岩技术和冲击荷载作用下岩石的破碎机理展开研究：戴俊、潘艳宾[1]等对比分析了微波照射下石灰岩和砂岩的强度衰减规律，发现影响其强度弱化的主要因素有岩体样本的矿物组成、矿物颗粒粒径、冷却时间和微波功率等；戴俊、宋四达[2]等通过对微波照射后花岗岩进行劈裂试验，并利用ANSYS软件建立二相模型进行温度应力模拟，发现存在一个最佳的微波照射时间范围；戴俊[3-4]、李勇[5]等采用有限元软件对微波辐射腔体中岩石强度弱化过程进行了仿真分析，分析了不同微波场中模型内部应力屈服区域的分布变化和内部升温效应及热应力图变化；单仁亮[6]等则讨论分析了花岗岩和大理岩的冲击破碎机理，发现材料本身的力学性质对其破坏模式有着重要的影响；黄明、邱继业[7]等研究了不同含水状态下弱风化泥质砂岩冲击破碎的分形规律，采用尺寸-频率分形关系得到泥质粉砂岩的破碎分形特征；杨宇江[8]采用数值分析建立服从应变软化关系的非均质岩石试样模型，引入多重分析理论计算了单轴加载过程中单元体积应变的多重分形谱；谢贤平[9]等发现岩石的爆破破碎块度具有良好分形结构，认为分形理论有助于预测岩石爆破后的块度分布；邵鹏[10]等根据破裂面分维与碎块分维关系结合损伤演化方程，提出块度分维计算方法，研究了爆破块度分布；杨军[11]利用分形理论，引入岩体初始损伤得出岩石爆分形损伤模型；刘石[12]等使用SHPB装置研究了冲击速度对块度分布的影响，得到岩石分形维数随冲击速度的增加而增加。岩石的破碎特性研究较少。而在实际工程中采用微波辅助机械法进行破岩时，岩体同时受到微波照射和冲击荷载的作用，因此为了更加接近实际情况，有必要对微波照射下岩体受到动态冲击时的破碎特性进行研究。

本文将微波照射和动态冲击荷载相结合，基于分形理论,提出可以采用分形维数对玄武岩破碎特性进行定量描述，并根据筛分试验结果进一步提出高功率微波和低荷载冲击下岩样趋于塑性破坏，从而减少工程中岩爆的发生。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验所选用的玄武岩样本取自内蒙古赤峰地区，具有对微波辐射敏感、密度大、质地均匀、气孔小和无宏观裂缝的特征。岩样中各成分占比情况见表1。试验前将取自同一大试块的岩样加工成φ50mm×25mm规格的标准试件。

表1 玄武岩试样中各成分所占百分比

1.2 试验器材

试验采用的岩石加工设备为SC—200型自动取芯机；试验所采用的微波加热设备为南京奥润公司生产的ORW10SY—3T高功率大型工业微波炉，主要由微波发生装置和加热炉腔组成，额定电压为380V，输出功率范围为0～10kW；试验采用的动态冲击设备为西北核技术研究所和洛阳腾阳机械科技公司联合生产并改造的霍普金森实验系统，主要由气压驱动系统、压杆系统、数据采集系统和温度控制系统组成，霍普金森试验装置如图1所示。

图1 霍普金森试验装置示意

1.3 试验步骤

(1)选取3组φ50mm×25mm玄武岩标准试件，每组包含6个试件。

(2)在每组中随机抽取5个试件，分别采用功率为500W，700W，900W，1300W和2000W的微波持续照射120s，之后采用喷水冷却的方式使其温度降到室温。每组中剩余的1个试件用于空白对照，不作任何处理。

(3)将φ50mm的霍普金森试验装置安装完毕后，使子弹分别以0.2MPa，0.3MPa和0.4MPa的冲击气压对3组试件撞击。

(4)对撞击后的玄武岩试件碎块进行筛分试验，所选用的筛孔直径分别为2.5mm，5mm，10mm，15mm，20mm，25mm，30mm和35mm。筛选完成后进行统计称重，分别计算出筛余百分比。

(5)对数据整理分析，基于分形理论得出不同微波功率和冲击气压下对应的玄武岩岩样的分形维数，对其破碎特性进行定量描述和分析。

2 计算原理

岩石的破坏形式可以用岩块的分形来表示，冲击压缩实验条件下岩石的破坏过程即为岩体从内部受到微观裂隙损伤到宏观破坏的分形过程。将岩体等效为四面锥体，在发生破坏时，四面椎体演变成4个小椎体和一个中心体，随后小椎体继续演变成更小的椎体和中心体。破碎过程中的分形维数n能很好地表征岩石破碎程度以及破碎性质。根据分形理论，将冲击试验中施加能量与分形维数结合，可以建立质量和粒度的分形维数计算方程，如式(1)所示。

(1)

式中，r为岩石碎块粒度；rm为岩石碎块最大尺度；D为分形维数；M(r)为尺寸小于r的碎块累计质量；Mz为岩样碎块总质量。

对式(1)两端取对数，则可以将其转化为线性形式，如式(2)所示。

lnY=(lnM(r)/Mz)=(3-D)ln(r/rm)

(2)

通过筛分试验数据可得出以ln(r/rm)和(lnM(r)/Mz)为横、纵坐标的散点图，观察散点图数据分布特点，通过合适的拟合函数求出D的值，即为分形维数。

3 计算结果及分析

不同冲击气压下各组试样累计筛余百分含量统计见表2～4。

通过将筛分试验数据代入式(2)中的ln(r/rm)和(lnM(r)/Mz)，可分别计算出不同功率微波照射后玄武岩试样在不同冲击气压条件下的块度分布值，并将其绘制成散点图，如图2～5所示。

表2 0.2MPa下试样累计筛余百分含量统计 %

表3 0.3MPa下试样累计筛余百分含量统计 %

表4 0.4MPa下试样累计筛余百分含量统计 %

图2 试样平均尺寸与照射功率大小分布曲线

图3 0.2MPa条件下岩样碎块分布

图4 0.3MPa条件下岩样碎块分布

图5 0.4MPa条件下岩样碎块分布

由图2可知，得到3种冲击压力下玄武岩碎块平均尺寸随着照射功率变化的规律。同一气压下，微波功率越高碎块平均尺寸越大，功率增加到1300W后，碎块的平均尺度增幅不大。在0.2MPa和0.3MPa的冲击气压作用下，试样平均尺寸几乎相同，而当冲击气压升高到0.4MPa时，在2000W微波功率下试样平均尺寸由32.5mm减小到21.0mm。

由图3～图5可知，在不同冲击气压和微波功率条件下玄武岩岩样以ln(r/rm)和(lnM(r)/Mz)为横、纵坐标的碎块分布散点图均具有线性特征，且与式(2)的线性形式较为一致，因此可将(3-D)作为拟合曲线的斜率，通过线性拟合的方式求出斜率，进一步得出D值，即为分形维数。

表5～7为不同功率微波照射后在冲击气压为0.2MPa，0.3MPa和0.4MPa条件下玄武岩岩样碎块分布线性拟合曲线参数。

表5 0.2MPa下拟合曲线参数

表6 0.3MPa下拟合曲线参数

表7 0.4MPa下拟合曲线参数

由表5～7可知：在3种冲击气压条件下各功率微波照射后的曲线拟合相关系数均在0.9126～0.9983之间，说明将筛分试验数据代入ln(r/rm)和(lnM(r)/Mz)后，以二者为横、纵坐标的岩样碎块分布散点图的线性特征与式(2)给出的线性形式高度吻合，进一步验证了基于岩石的分形理论下采用分形维数来定量描述微波与动态冲击荷载冲击后岩样破碎特性的可行性。

通过表5～7还可以发现：不同功率微波照射后在不同冲击气压条件下玄武岩岩样的分形维数具有规律性差异。在冲击气压一定的情况下，微波照射功率越大，岩样的分形维数越大，二者呈现出正相关关系；而在微波功率相同的条件下，霍普金森装置中子弹冲击荷载对应的冲击气压越大，岩样的分形维数越小，二者呈负相关关系。

微波照射前后岩样破碎特征见图6。

图6 微波照射前后岩样破碎特征

由图6可以看出：试验后分形维数大的玄武岩岩样破碎程度较大，宏观表现为碎块体积小且数量多；分形维数小的岩样破碎程度则较小，表现为碎块体积大且数量少，因此基于筛分试验数据线性拟合得出的分形维数可以对岩样破碎程度进行定量描述。此外，分形维数较大的碎块通常呈爆裂破坏，破碎程度剧烈，破碎形式趋向于脆性破坏；而分形维数较小的碎块局部呈剪切滑移式破坏，破碎程度比较平缓，反映出破坏之前的岩样脆性有所降低，破坏形式更加趋于塑性破坏。并且在微波照射功率一定的情况下，冲击荷载越大，岩体内部瞬时能量越大，破碎更为剧烈，趋于脆性破坏，分形维数较小；在冲击荷载一定时，微波功率越高，岩体内部裂缝贯穿越充分，破坏时较为平缓，趋于塑性破坏，分形维数则越大。

通过分形试验结果可知，在冲击荷载下，微波处理过的玄武岩相比微波未处理过的玄武岩的分形维数D表现出很大不同。微波功率越大，玄武岩试样越容易大块度破碎，分形维数值越小。原因在于随着微波功率的提高，在玄武岩内部产生更多更大的裂纹，更易形成贯通裂缝，这种情况下受到冲击荷载时，剪切破坏沿裂纹方向发生，碎块以大块状破坏，因此分形维数变小。

4 结 论

基于岩石分形理论和筛分试验，对不同功率微波和冲击荷载下玄武岩破碎特性进行研究，得出如下结论：

(1)筛分试验数据分布散点图呈线性分布，分形维数计算方程的线性形式高度吻合，证明了采用分形维数定量描述玄武岩破碎特性是可行有效的，分形维数可作为岩样破碎特性的量化指标。

(2)由上述分析可以得出，玄武岩破碎的最佳条件是微波功率达到1300W，使用0.4MPa的冲击气压。

(3)微波功率一定时，冲击荷载越大，岩样的分形维数越大，岩样破坏时内部能量积聚程度较大，更趋于脆性破坏；冲击荷载一定时，微波功率越大，岩样的分形维数越小，岩样破坏时沿内部已发展延伸的裂缝发生剪切滑移破坏，能量积聚程度有所降低，趋于塑性破坏。