2024-05-23
（1）通过等效球体直径筛分三维裂隙模型中裂隙和孔隙，避免岩石原有孔隙和微裂隙的影响，在量化表征爆破作用产生的裂隙结构时提高了分析的准确性。（2）对爆后岩石分区进行裂隙结构的体积、表面积以及三维分形维数研究，精确分析爆后裂隙在空间上的分布规律。并且在计算三维分形维数时，将三维结构的几何对象推广到连通的主裂隙。（3）在进行SEM-EDS分析时，将断口不同位置的微观形貌与对应的能谱元素变化相联系，分析断裂模式转变与矿物元素变化的空间对应关系。作者：王雁冰1, 2 ， 王兆阳1 ， 付代睿1 ， 罗 林1单位：1. 中国矿业大学 (北京) 力学与土木工程学院; 2. 中国矿业大学 (北京) 隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室岩石作为一种非均质的天然地质材料，主要由岩石基质、孔隙类原始缺陷以及其他矿物质共同组成，这些组成部分在岩石中的随机分布决定了岩石的内部结构特征，岩石内部的复杂结构影响着岩石物理力学特性以及裂隙扩展演化。分析岩石在爆破作用下内部裂隙萌生、发育扩展至贯通的岩石破坏形态，量化表征裂隙扩展演化特征，能够更好地反演岩石在爆破作用下的破坏过程，有利于进一步揭示岩石断裂破坏机制，为岩体爆破工程稳定性评价以及地质灾害预警提供研究依据。通过摄影监测技术可以得到岩石表面二维裂纹扩展形态，而岩石的变形破坏是三维岩石力学问题，需要对岩石内部裂纹扩展演化特征进行研究。CT扫描成像系统作为一种无损检测手段，利用其扫描成像原理及三维重构的可视化功能，能够无损、快速地获取岩石内部结构的分布特征，近些年工业CT常用于岩石内部结构特征及对岩石宏观力学特性和破坏特征影响方面的研究。JU等提出了一种结合CT扫描与伺服控制三轴加载技术的新方法，实现了对不同加载阶段和围压下煤的裂隙网络空间形貌与分布特征的原位观测与定量表征。WANG等对龙马溪页岩在压缩状态下进行了原位CT扫描试验，试验结果显示页岩样品经历了压缩、损坏、开裂、裂纹扩展和破坏阶段，并且裂隙的形成与扩展受层状结构和层状弱胶结介质的影响。DUAN等利用不同应力水平下CT扫描图像重建三维体视图，讨论了初始矿物分布、内部孔隙演化以及最终裂隙形态的相互关系。YANG等对不同孔径的空心砂岩试样在不同围压下进行了一系列X射线CT观测和三维数值模拟，对比了X射线CT观测和模拟得到的空心砂岩的表面和内部断裂特征，分析了围压对不同孔径空心砂岩裂缝演化机制的影响。近年来，不少学者利用扫描电子显微镜等试验仪器研究了特殊条件下岩石的微观结构与宏观破坏之间的关系，其中ZHANG等研究了岩石在高温处理后所表现的微观力学特征，GHAMGOSAR等通过静载和循环加载方式研究岩石的微观断裂机制。对于各向异性显著的云母片岩，TIAN等根据不同加载方向用电子显微镜对试样的岩石微观断裂破坏特征与宏观断裂破坏特征进行了比较。ERARSLAN通过扫描电子显微镜的详细观察来检测岩石裂纹扩展的微观主导机制。这些对砂岩静荷载下基本力学性质的研究揭示了岩石的微观结构对于岩石力学性质的重要影响。以上研究主要围绕裂纹分布特征和微观结构与宏观破坏之间关系进行宏观阐述，而对裂隙结构及断裂模式的定量化表征研究少有提及，并且对于三维裂隙重构中通过筛分孔裂隙提高量化精度的方法有待进一步完善 ，对于断裂模式转变过程中元素质量的变化研究需进一步深入。笔者基于不耦合装药爆破试验对爆后的砂岩试样进行CT扫描，利用三维可视化软件Avizo对裂隙结构进行堆栈矢量化三维重构，并利用等效球体方法对岩石内部不同尺度裂隙结构在三维空间的分布特征进行量化分析，比较分析砂岩试件内部裂隙扩展区域空间的分布特征，利用岩石裂隙率的变化来定量化衡量爆后砂岩裂隙结构的发育程度；通过数值分析软件模拟爆炸冲击波压力随时间的变化规律，并对爆后不同位置的砂岩试样进行SEM扫描，借助EDS能谱分析技术对砂岩内部裂纹不同发展阶段进行微观分析，并根据断裂模式转变区域的元素分布对断裂特征进行定量表征。该研究方法成果将为岩体失稳破坏、工程岩体致灾预警工作提供研究基础。爆后岩石破坏特征的定量表征一直是工程爆破领域急需解决的关键问题，爆后岩石裂纹萌生、扩展演化直至贯通的过程是导致岩石破裂的主要原因。为了研究被爆岩石内部裂纹扩展和断裂模式的演化过程，利用工业CT对爆后岩石进行扫描观测，通过图像堆栈矢量化处理构建岩石三维裂隙模型，并对裂纹结构特征参数进行统计分析，定量化表征岩石破坏程度及裂纹扩展情况。结合数值模拟分析爆炸冲击波压力的衰减规律，通过SEM电镜扫描试验研究爆破过程中不同位置岩石的微观形貌特征，对比断口元素成分变化与断裂模式的关联机制。研究结果表明：用等效球体方法对岩体内不同尺度裂隙结构进行统计分析，微裂隙数目多且分布均匀，主裂隙体积大且连通性较好。随着裂隙等效球体直径的增加，裂隙表面积和体积整体上呈上升趋势；三维重构裂隙结构中裂隙率可以表征岩石局部裂纹扩展特征，爆炸近区裂隙率和三维分形维数远大于爆炸中远区的裂隙率和分形维数，说明岩石破裂过程中裂隙扩展演化主要在此阶段进行；相较于爆炸中远区，爆炸近区冲击波压力峰值高且衰减速率慢，使得整个爆破过程岩石微观断裂模式变化较大，大致呈现出由沿晶断裂向穿晶断裂、脆性断裂向塑性破坏的方向进行，非金属元素质量的变化对于各阶段断裂模式转变具有显著影响，断裂模式转变区域非金属元素质量发生明显减小。随着爆破作用的减弱，岩石破裂逐渐趋于无序和紊乱，破裂时断口也不限于解理面和晶粒边界。
图 1 100 mm×100 mm×100 mm 红砂岩试样
图 2 不耦合装药爆破试验装置实物
图 3 爆后试样不同表面实物
图 4 试验扫描仪器
图 5 砂岩第 22 层水平扫描灰度图及图像阈值分割
图 6 爆后砂岩三维重构
图 7 砂岩内部结构三维重构
图 8 砂岩内部不同等效球体孔径下孔裂隙分布情况
图 9 砂岩内部裂隙结构统计结果
图 10 砂岩内部不同等效球体孔径下孔裂隙分布情况
图 11 砂岩内部裂隙重构与裂隙体积
图 12 裂隙体积与表面积双对数关系
图 13 爆炸冲击波压力时间云图
图 14 爆炸冲击波压力随时间的变化
图 15 爆炸近区断口微观图像
图 16 爆炸中区断口微观图像
图 17 爆炸远区断口微观图像
王雁冰，男，1987年10月10日生，山东潍坊人，博士（后），副教授，博士生导师，中国矿业大学（北京）力学与土木工程学院岩土工程系副主任、越崎青年学者，入选中国科协青年人才托举工程，兼任中国爆破行业协会、岩石力学与工程学会、煤炭学会会员。作为负责人主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金特别资助、中国博士后科学基金面上项目（一等）等5项，作为主要研究人员参与国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等6项，发表学术论文40余篇，获得专利授权20余项，先后获得多项科研奖励。
研究方向
地下工程建设及岩石动力学
主要成果
所在团队（杨仁树教授团队）聚焦矿山现实问题，围绕煤矿岩巷掘进，合作研发了煤矿许用数码电子雷管与安全可靠起爆技术，揭示了精准延期对爆破裂纹扩展的影响机理，研究成果为安全高效爆破奠定基础；开发了中深孔高效掏槽与围岩损伤控制爆破新技术，解决了岩巷爆破效率低、围岩损伤范围大的技术难题，实现了煤矿岩巷的安全高效掘进；合作开发了岩巷“随钻随探”岩性智能感知系统，研发了新型钻锚一体机，显著提高了掘进施工的安全性及智能化水平。
来源：
王雁冰，王兆阳，付代睿，等. 爆后岩石裂隙结构可视化及定量表征方法[J]. 煤炭学报，2024，49(3):1388−1402.
责任编辑：宫在芹
