爆后岩石裂隙结构可视化及定量表征方法

作     者：王雁冰 王兆阳 付代睿 罗林 WANG Yanbing;WANG Zhaoyang;FU Dairui;LUO Lin

作者机构：中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083 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北京100083 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2024年第49卷第3期

页      面：1388-1402页

核心收录：

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

基　　金：国家重点研发计划资助项目(2021YFC2902103) 国家自然科学基金重点资助项目(51934001) 

主　　题：爆破机理 工业CT扫描 三维重构 分形维数 扫描电子显微镜 能谱仪 

摘      要：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。