不同微波作用模式下深部巷道砂岩的破坏行为和能量演化特征

有效破碎硬岩和预防并控制岩爆灾害是深部高地应力区施工的两个关键问题,也是确保深部工程安全高效施工的两条最重要的途径。本文以微波作用下坚硬砂岩的致裂弱化为出发点,以单次微波辐照处理的持续时间为变量,同时结合力学测试和声发射监测方法,论证了微波作用对防治岩爆灾害的可能性。结果表明,在微波作用下,坚硬砂岩的裂纹损伤应力占比从77%下降到62%;耗散能占比从6%增加到20%,基于能量的脆性指数从0.94下降到0.72;声发射监测结果表明,经微波作用后,砂岩的平静期从总时间的56.2%和59.6%大幅缩短至11.5%和8.6%。在本试验中,1 kW微波作用时长的阈值为2 min,超过该阈值时,岩石就会受到不可逆损伤。本研究可为深部高地应力区高效、安全破岩提供必要的理论支持和技术指导。

深部原位应力环境钻进过程中岩心饼化成因机制:数值模拟与室内试验

深部岩体原位应力赋存状态一直是“黑箱”问题,基于岩心的应力测试技术已成为有效的解决手段之一。在深部原位应力环境钻进过程中时常出现岩心饼化现象,为了探索其在砂岩中的形成机制,利用PFC2D研究了不同原位应力条件下钻进过程中的裂纹分布和能量演化,获得了易发生岩心饼化的特定原位应力条件。应用自主开发的测试系统验证了实验室环境内岩心饼化所需的应力条件,并分析了岩心破裂特征、断面形貌与原位应力之间的关系。结果表明,原位应力越高,在钻进过程中岩石产生的拉裂纹越多,尤其是在孔壁和岩心根部,而岩心处裂纹从外表面向内部发展。更高的原位应力水平同样会导致更强的能量转换,进而引发岩石破裂。岩心饼化的形成需满足特定的应力条件。当径向应力(σ_(r))为最大主应力且保持45 MPa恒定、轴向应力(σa)为25 MPa或30 MPa时,岩心根部均会发生饼化现象。随着σ_(r)和σa之间差值或钻进深度的增加,岩心厚度减小,导致断面更光滑、分形维数更小,从而使岩心饼化现象更加显著。该研究可为科学阐明深部原位应力条件下岩心饼化的形成机制提供必要的技术和数据支持。

场微波作用下岩石体破裂特征及其机制探索

硬岩高效破裂是深部地下空间、深部资源勘探开发的重要前提,寻求和发展高效破岩技术成为大势所趋。微波具有加热效率高、无二次污染等优点,被认为是一种极具发展潜力的高效辅助破岩技术。微波场内岩石体破裂差异性行为解译是实践微波辅助破岩技术的重要基础。从宏-细-微观不同尺度对微波场内砂岩、花岗岩和辉长岩开展了跨尺度破裂行为机理研究。结果表明:在岩石宏观膨胀破裂层面,砂岩表现为低温崩裂破坏,实测最高温度为194℃,辉长岩和花岗岩则为高温熔融破坏,实测最高温度分别可达367℃和492℃;岩石脱离本身基质约束产生裂纹或宏观破裂面时体积变化明显,高温熔融破坏时岩石体积膨胀率最大,花岗岩和辉长岩破裂时体积膨胀率为2.1%和1.8%。在岩石细观破裂面特征层面,微波场内高温熔融作用所产生的破裂面比低温崩裂面分维高2.0%,其中花岗岩、辉长岩和砂岩的破裂面分维分别为2.1092,2.0704和2.0660。在岩石微观损伤差异性机制层面,岩石破裂特征与主要成岩矿物的组分、含量和含水率密切相关。一方面,由于石英和其他矿物介电特性差异较大,当岩石内部石英含量较高时,热应力迅速增长;另一方面,水在微波作用下迅速汽化,在岩石内部产生高孔隙压力,试样易低温崩裂破坏,微观断口不会出现显著的损伤结构;而当岩石内部主要矿物组分介电特性差异较小及含水率较低时,试样内温度增长缓慢,矿物温度梯度相对较低,后期岩石整体呈现高温熔融破坏;岩石晶体化学分子结构分析结果发现,试样内部Si—O键含量波动幅度较大,石英和硅酸盐矿物XRD衍射峰和对应衍射角发生偏移,晶体主要受到微观压应力作用,表现为花岗岩的石英和斜长石矿物内部和交界处出现大量的显微裂纹和孔洞,辉长岩的损伤结构主要集中于辉石矿物内部,据此可推断适合微波辅助破岩的地质岩性工况,以期提高深部硬岩破岩效率。