铁元素含量及含水状态对砂岩微波辐射升温损伤的影响
作者：
陈登红1,2, 鲁德沛1, 王智鹏1, 汪朝家1, 施伟1
作者单位：
1. 安徽理工大学 矿业工程学院, 安徽 淮南 232001;
2. 深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室, 安徽 淮南 232063
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摘要
为研究砂岩的铁元素含量与含水状态对微波辐射升温损伤的影响规律，开展了砂岩试件微波辐射对比试验，试验分为12组，包含3种铁元素含量和4种含水状态(干燥、自然、浸水24 h与饱和)。试验采用X射线荧光光谱测量(XRF)技术检测试件表面铁元素含量，通过实时红外热成像监测表面升温过程，运用对比方法分析辐射前后P波波速与抗拉强度的关联特征。试验结果表明：(1)干燥状态下，砂岩试件升温过程均呈前期缓慢、中期活跃、后期稳定的趋势；铁元素含量越高，升温速率峰值就越高(2.66, 2.40, 1.66℃/s)、也就越早达峰(70, 100, 110 s);(2)干燥、自然、浸水24 h状态下，升温速率峰值平均值分别为：2.26, 3.34, 3.24℃/s,达峰时间分别为：90, 70, 20 s;饱和状态下，升温速率峰值为1.3℃/s,达峰时间为80 s;(3)含水状态对砂岩结构损伤的影响最为显著，饱和状态砂岩辐射180 s的损伤大于其他含水状态辐射300 s的损伤；铁元素含量直接影响岩石表面温度分布的均匀程度，铁元素含量越高，岩石表面温差越大；(4)相较于干燥和自然含水状态，浸水24 h和饱和状态下砂岩辐射后巴西劈裂初始压密阶段占比增加，起裂模式由端部起裂向中心起裂转变。研究成果可为类似原生和再生状态下微波辅助破岩效果的研究提供借鉴与参考。
图片
图 1 对照组巴西劈裂强度
图 2 XRF 测试范围
图 3 岩件内部 XRF 测试过程及结果
图 4 试验流程
图 5 微波场干燥砂岩试件表面电磁场与表面温度分布关联特征
图 6 不同铁元素质量分数干燥试件 1~4 号位置升温特征曲线
图 7 不同铁元素质量分数的干燥砂岩试件升温特征
图 8 不同含水状态下砂岩微波场内表面温度变化特征
图 9 介电常数与介质损耗测试仪
图 10 不同铁元素质量分数试件的介电常数
图 11 微波辐射后 SEM-EDS 能谱图
图 12 辐射前后试件损伤因子变化规律
图 13 声发射探头布置示意
图 14 不同含水状态砂岩微波辐射后巴西劈裂与声发射特征(A、B 组)
图 15 不同含水状态砂岩微波辐射后巴西劈裂与声发射特征(C、D 组)
作者简介
第一作者简介：
陈登红（1986—），安徽潜山人，安徽理工大学教授，博士生导师，安徽省高校高端人才引育行动青年拔尖人才青年学者获得者。现任矿业工程学院副院长。安徽理工大学学士、博士（硕博连读），东北大学与皖北煤电联合培养博士后；兼任《采矿与岩层控制工程学报》编委、中国岩石力学与工程学会青年工作委员会第九届委员会委员、安徽省科技专家库成员，淮南市安全生产专家组成员、《煤田地质与勘探》及《金属矿山》青年编委。紧密围绕深部硬岩高效破岩与大变形巷道稳定性控制工程建设的重大需求和科学前沿，在国家基金委、科技部、安徽省高校协同创新研究项目等项目支持下，长期从事矿山压力与岩层控制研究工作，在微波高效辅助破岩、深井巷道稳定控制、绿色充填开采等方面取得了一系列成果。研究成果发表SCI、EI期刊论文16篇，授权国际国内发明专利16项。研究成果获国家发明创业奖•创新奖一等奖（排名4）、江西省科学技术二等奖（排名4）、全国高校矿业石油安全工程领域青年科技人才奖等奖励。
王智鹏（1998—），新疆昌吉人，博士研究生，主要从事微波高效辅助破岩研究。
本文引用格式
陈登红, 鲁德沛, 王智鹏, 等. 铁元素含量及含水状态对砂岩微波辐射升温损伤的影响[J]. 采矿与岩层控制工程学报, 2024, 6(4):043031.
CHEN Denghong, LU Depei, WANG Zhipeng, et al. Effects of iron content and moisture on the microwave radiation heating and damage of sandstone[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering, 2024, 6(4):043031.
