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。