高明忠，謝 晶，楊本高，唐瑞烽，鄧虎超，劉依婷，葉思琪，周雪敏，王紹蘭

(1.深圳大學 廣東省深地科學與地熱能開發(fā)利用重點實驗室， 廣東 深圳 518060;2.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065;3.四川大學 分析測試中心，四川 成都 610065)

深部地下空間、資源勘探開發(fā)已成為常態(tài)，向地球深部進軍上升為我國科技創(chuàng)新的國家戰(zhàn)略。深部進軍的首要任務是深部巖體的高效掘進與安全支護。隨著賦存深度的增長，巖體強度也呈現(xiàn)出非線性增長的趨勢，而現(xiàn)階段深部硬巖的安全高效破碎成為世界性難題。目前硬巖掘進中大多采用鉆爆法和TBM，然而在硬巖破碎量大、深部超長隧道施工時，由于鉆爆法對其周圍巖體擾動大、噪音和粉塵污染嚴重等缺點，其應用和推廣受到了嚴重限制。TBM法對施工環(huán)境要求低，在快速破巖方面得到了長足的發(fā)展。但當采用TBM和機械法進行硬巖掘進時，勢必遇到刀具壽命低下、刀盤磨損嚴重等問題，直接影響施工效率。例如，秦嶺隧洞工程在TBM掘進過程中，遇堅硬石英巖和花崗巖，掘進速度緩慢，累計消耗單刀1 668把，施工成本顯著增加?？梢姡F(xiàn)有常規(guī)破巖方式已經(jīng)不能滿足深部硬巖大規(guī)模破碎的需要，亟需突破現(xiàn)有破巖技術瓶頸，創(chuàng)新破巖思想，革新破巖手段，形成新型破巖理論與技術體系。為此，已有學者提出機械聯(lián)合射流、激光以及微波等新型技術手段進行協(xié)同破巖構想，并開展了一些有益的研究。

射流破巖主要是聯(lián)動流體和機械進行協(xié)同破巖，利用流體的高速運動對目標巖體進行沖擊，從而侵蝕破碎巖體，提高機械開挖巖體的效率，降低巖石破碎比能。目前射流輔助破巖運用較為成功的流體主要為水、高壓液氮以及超臨界二氧化碳。激光破巖則利用激光高能照射使巖石迅速升溫，導致目標巖體產(chǎn)生裂紋、剝落甚至熔化和汽化，降低巖體強度，實現(xiàn)巖體的高效破碎。然而，值得注意的是，射流破巖和激光破巖容易受到破巖工作面范圍的限制，大多適用于精準定向破巖，在石油鉆井領域運用較為廣泛。當面臨較大尺度的工作面時，破巖效能則略顯不足。因此，亟需引入能夠實現(xiàn)大范圍大尺度硬巖高效破碎技術，實現(xiàn)深部空間開發(fā)時大規(guī)模硬巖的高效致裂。而微波由于其升溫迅速、整體加熱以及無二次污染等優(yōu)點得到了學者的廣泛關注，試圖將微波引入巖石破碎領域，其主要思想是利用微波能預先致裂弱化目標巖體，然后再進行機械開挖。事實上，微波破巖的現(xiàn)場試驗遠遠超前于理論和試驗研究，早在20世紀70年代，前蘇聯(lián)就嘗試應用微波進行輔助和獨立破巖，并取得了顯著的效果。而之后由于機械開挖法的高速發(fā)展，沒有得到良好的延續(xù)。21世紀以來，由于深部地下工程、隧道工程等硬巖破碎量巨大的工程數(shù)量不斷增長，對破巖技術提出了新的要求，微波聯(lián)合機械破巖又重新走入學者的視野，國內(nèi)外學者針對微波破碎硬巖開展了一系列理論和實驗研究，從室內(nèi)和工程角度論證微波致裂弱化硬巖的可行性。

室內(nèi)尺度學者大多基于單模/多模腔體對硬巖進行微波作用，探討微波場內(nèi)硬巖致裂弱化特征。李元輝等研究了不同微波作用路徑下巖石破裂特征，分析認為微波場內(nèi)巖石主要呈現(xiàn)為高溫熔融破壞和低溫崩裂破壞2種形式。HARTLIEB P等聯(lián)合室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬，探討了微波場內(nèi)花崗巖破裂特征，發(fā)現(xiàn)試樣的損傷主要由溫度梯度導致。ZHENG等利用單模微波系統(tǒng)研究了微波功率和時長對輝長巖的弱化影響，并建議采用高功率脈沖微波進行致裂巖體。為進一步與工程尺度相結合，HARTLIEB P等對微波作用后的花崗巖試樣進行線性切削實驗，結果表明微波致裂后切削力下降明顯，降幅達到10%。HASSANI F等利用自主研發(fā)的面微波作用設備，研究了距微波源不同位置處試樣升溫特性。盧高明等研發(fā)了開放式微波誘導硬巖破裂裝置，開展了帶應力條件下的巖石致裂實驗。馮夏庭等研制了真三軸應力下微波致裂硬巖試驗系統(tǒng)，探討了微波作用下真三軸應力環(huán)境下巖體破裂損傷行為。在實驗室尺度論證微波致裂硬巖工程適用性的同時，部分學者從礦物角度出發(fā)聯(lián)合宏細觀測試對微波-巖石相互作用機理進行了深入的探索。田軍、LU、ZHAO等分析測試了微波場內(nèi)礦物的升溫特性，并依據(jù)升溫速率將礦物微波敏感性進行了區(qū)分。MENZHULIN M G等認為石英熱膨脹的各向異性導致了熱應力超過礦物極限強度從而引起花崗巖試樣的破壞。LU等利用XRD、SEM-EDS等手段探討微波場內(nèi)玄武巖內(nèi)部裂紋起裂機制，研究認為玄武巖內(nèi)部破裂的機理是：頑火輝石(微波敏感礦物)提供熱量，導致橄欖石(熱膨脹礦物)體積膨脹。MEISELS R、ALI A Y等建立了吸波-不吸波二相顆粒模型，研究認為微波的功率密度和礦物的膨脹特性對試樣的弱化有重要的影響。HARTLIEB P等探討了不同種類巖石的熱物性特征，認為后續(xù)研究的重點主要為關注不同晶粒之間的溫度梯度和熱膨脹特性?；谏鲜鲅芯靠芍⒉夹g作為一項具有前景的新型輔助破巖技術，學者已經(jīng)開展了大量的試驗研究，選用了多重指標如破裂時長、切削力、升溫速率、強度等參數(shù)定量表征不同微波作用方式下巖石損傷弱化現(xiàn)象，并同步聯(lián)動SEM-EDS微細觀測試手段和微波場內(nèi)造巖礦物升溫破裂試驗等解譯微波場內(nèi)巖石致裂弱化機理，基于一些實驗現(xiàn)象取得了一些有益的認知。

然而，深部地下工程巖體賦存環(huán)境復雜，巖石類型繁多，如何從現(xiàn)象級描述過渡至內(nèi)在機制解譯仍是當前微波破巖領域研究亟待解決的基礎研究問題。普遍認為，微波場內(nèi)巖石的破裂行為是試樣內(nèi)部升溫膨脹差異性而導致的，然而值得注意的是，鮮有學者探討微波場內(nèi)試樣的內(nèi)在破巖機理及試樣的熱膨脹特性。針對微波場內(nèi)試樣破裂機理的描述仍大多停留于定性及宏觀現(xiàn)象的簡單描述。因此，擬以深部能源開發(fā)、地下空間利用等涉及的典型代表巖石砂巖、花崗巖和輝長巖為研究對象，以宏-細-微觀等不同尺度研究為切入點，探討微波作用前后巖石升溫膨脹特性及其機理和分析顯微損傷結構差異性行為特征，以期揭示微波場內(nèi)試樣致裂弱化機理，為深部硬巖高效破碎理論與技術提供基礎和借鑒。

1 試樣制備及實驗方法設計

1.1 試樣制備

本實驗采用砂巖、花崗巖和輝長巖3種深部能源、地質典型代表巖石，如圖1所示。砂巖主要由石英(65%)、絹云母(15%)以及方解石(10%)組成，并伴隨部分鈣質成分和少量泥質成分，為砂狀結構、塊狀構造。花崗巖主要由堿性長石(55%)、石英(24%)以及斜長石(20%)，并伴隨少量片狀黑云母，為花崗結構、塊狀構造。輝長巖主要由斜長石(60%)和輝石(34%)組成，含有少量黑云母和磁鐵礦等礦物，為輝長輝綠結構、塊狀構造。根據(jù)標準巖樣的制作要求，將試樣加工成50 mm×100 mm規(guī)格的圓柱體標準試件。并采用肉眼觀測、聲波測試等無損監(jiān)測手段剔除離散性較大的樣品，保證樣品的一致性。

圖1 試樣制備Fig.1 Sample preparation

1.2 試驗設備和實驗方案設計

巖石微波作用主要由課題組自主研發(fā)的工業(yè)性微波測試系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)由1 000 W功率固態(tài)微波源、多模腔體、環(huán)形器、水負載和冷卻水管組成，同時聯(lián)合三維激光輪廓掃描儀和微細觀測試手段進行細觀分析。具體試驗裝備和步驟如圖2所示，首先開展試樣三維激光掃描，獲取試樣初始體積；其次進行微波作用，作用結束后迅速采用紅外測溫槍獲取試樣表面溫度(停止微波作用到測溫間隔不超過30 s)；然后對完整試樣/破裂試樣斷口進行激光掃描工作獲取微波作用后試樣體積及斷口形貌特征；最后對試樣斷口開展巖相薄片測試分析，并切割破斷試樣破裂面和底部，分別磨粉進行XPS和XRD測試。

為獲取微波場內(nèi)試樣不同損傷階段體膨脹特性及破裂行為，依據(jù)試樣損傷程度將微波作用試驗一共分為3組，分別為完全破裂組、局部損傷組以及直觀無損組。完全破裂組是指經(jīng)微波作用后試樣破斷失穩(wěn)，形成明顯的新鮮破裂面；局部損傷組則依據(jù)完全破裂組試驗結果，調(diào)整作用時長，使得試樣表面能觀察到宏觀裂紋；直觀無損組指試樣表觀形貌無顯著變化，無宏觀裂紋。微波作用實施方案見表1(表1中，，，分別為試樣完全破裂、局部損傷和直觀無損時的微波作用時間)，砂巖、花崗巖以及輝長巖在1 000 W功率作用下分別進行不同時長的微波作用試驗，以期獲取不同損傷程度試樣。

圖2 微波試驗裝置以及試驗流程Fig.2 Microwave test device and test flow chart

表1 微波測試方案

2 微波場內(nèi)巖石體破裂行為特征

微波場內(nèi)不同巖石的體破裂響應存在一定的差異性，探索微波連續(xù)作用下巖石破裂響應特征有助于揭示微波場內(nèi)不同巖石破裂模式，并可為巖石不同損傷階段升溫膨脹行為研究奠定試驗基礎。為此本節(jié)觀測了微波實時作用下巖石宏觀響應破裂特征，分析了不同破裂模式下試樣破裂面幾何特征。

2.1 微波場內(nèi)巖石宏觀體破裂響應特征

微波持續(xù)作用下巖石破裂特征如圖3，4所示，S-1試樣部分區(qū)域崩裂為碎片，呈現(xiàn)出崩裂破壞特征。G-1和L-1試樣破裂后保持一定的完整性，在破裂面附近伴隨著少部分熔漿涌出，呈現(xiàn)熔融破壞特征。在1 000 W微波連續(xù)作用過程中，S-1試樣在破壞之前表面未觀測到任何明顯變化，直至連續(xù)作用114 s時才出現(xiàn)突發(fā)性的崩裂破壞。G-1試樣在持續(xù)作用180 s時有煙霧逸出，565 s時試樣熔融破裂，試樣在熔融破裂之前觀測到明顯的巖石熔斷聲響和紅熱現(xiàn)象。L-1試樣在1 000 W微波連續(xù)作用下不斷受熱膨脹直至566 s時破裂，并伴隨部分熔融物的出現(xiàn)。

G-1和L-1試樣破裂區(qū)主要位于試樣中下部，并且以一條宏觀斜裂紋為主，從內(nèi)向外貫通，其中花崗巖主破裂面與軸線呈大角度相交，夾角估測為116°，輝長巖夾角為64°與94°。

圖3 微波場內(nèi)試樣破裂現(xiàn)象Fig.3 Sample rupture in microwave field

基于試樣完全破裂組試驗數(shù)據(jù)，確定局部損傷組以及直觀無損組試樣作用時長。局部損傷組試樣致裂如圖4所示，S-2試樣由1 000 W微波連續(xù)作用96 s，在試樣中下部區(qū)域出現(xiàn)顯著的宏觀裂紋，G-2試樣由1 000 W微波連續(xù)作用9 min時出現(xiàn)持續(xù)性的聲響，作用結束時伴隨著氣體的逸出和裂紋的出現(xiàn)。L-2試樣由1 000 W微波連續(xù)作用7 min，在試樣中部靠下出現(xiàn)一條水平裂紋。最后，為獲取直觀無損組試樣，且保證試樣經(jīng)受一定程度的微波作用，S-3，G-3以及L-3在1 000 W微波場內(nèi)分別作用1，8和4 min，微波作用過程中試樣無顯著變化特征。

基于上述微波實驗現(xiàn)象，捕捉了場微波作用下巖石2種體破裂模式：崩裂破壞和熔融破壞，這與巖石的礦物組成密不可分。在1 000 W微波作用下，砂巖呈現(xiàn)為崩裂破壞，破壞時試樣喪失整體性，崩裂為碎塊?；◢弾r和輝長巖體現(xiàn)為熔融破壞，由熔融破裂面將試樣分割成兩部分。

圖4 微波作用后試樣Fig.4 Sample after microwave irradiation

2.2 微波作用后巖石破裂面形貌特征

微波作用后巖石破裂面的形貌特征與巖石的破壞模式密切相關，定量刻畫微波場內(nèi)不同巖石破裂面的粗糙結構有助于加強對微波場內(nèi)巖石破裂特征的認知。筆者引入分形維數(shù)對試樣破裂面形貌特征進行定量刻畫。破裂面表面粗糙形貌特征獲取步驟如圖5所示，在提取破裂面三維點云數(shù)據(jù)后對破裂面分形維數(shù)進行計算。

XIE等于1998年提出采用投影覆蓋法(PCM)估計巖石破裂面的分形維數(shù)，此后學者進一步發(fā)展立方體覆蓋法(CCM)，張亞衡等在立方體覆蓋法的基礎上又提出了改進的立方體覆蓋法(ICCM)，AI等認為由于巖石粗糙表面的復雜性，CCM和ICCM都不能對分形集進行很好的覆蓋，從而提出微分三次覆蓋法(DCCM)和相對微分三次覆蓋法(RDCCM)用于直接計算巖石破裂面的分形維數(shù)，對4種計算方法的適用性開展研究，認為對于表面粗糙度較大，存在明顯起伏的斷面建議采用CCM和ICCM法，反之則采用DCCM和RDCCM法。由于試樣破裂面并未出現(xiàn)顯著的起伏斷面，故采用課題組自主編寫的分形維數(shù)DCCM計算程序對破裂面粗糙度進行定量描述。破裂面整體分形維數(shù)(圖6)，介于2.00～2.12，表明總體上試樣破裂面粗糙度特征相對較低，其中花崗巖分形維數(shù)最高，達到2.109 2，輝長巖次之為2.070 4，砂巖最低為2.066 0，雖然砂巖部分區(qū)域由于樣品剝落使得起伏度跨度較輝長巖大，然而總體上砂巖破裂面的粗糙程度仍略低于輝長巖。根據(jù)微波場內(nèi)不同試樣破裂面分形特征可以發(fā)現(xiàn)，熔融破壞所造成的破裂面粗糙程度較崩裂破壞所造成的破裂面粗糙程度高。映射于實際工程，微波致裂硬巖所產(chǎn)生的破裂面分形維數(shù)較低，已有研究表明裂隙面粗糙分維較低時更有利于減少流態(tài)資源傳輸中的壓力損耗，提升儲層滲透特性，微波致裂增透硬巖技術應用于油氣資源和干熱巖型地熱資源等深部能源高效開采實踐是值得探索的方向，同時微波增透儲層開采技術也能在一定程度上避免當前非常規(guī)油氣開采中水力壓裂等傳統(tǒng)增透手段存在污染嚴重、耗水量大的缺點。

圖5 破裂面三維掃描-重構-數(shù)據(jù)點云獲取Fig.5 Fracture surface 3D scanning-reconstruction-data point cloud acquisition

圖6 不同試樣破裂面分形特征Fig.6 Fractal characteristics of fracture surfaces of different specimens

聯(lián)合破裂面粗糙分形特征(圖6)和微波場內(nèi)試樣破裂特征(圖4)分析可知，破裂面的粗糙度特征與試樣微波場內(nèi)破裂模式密切相關，當試樣呈現(xiàn)出高溫熔融破壞時試樣破裂面粗糙度較高。根據(jù)XU等的研究表明，試樣破裂時消耗的能量越大，試樣破裂面的分形維數(shù)也會同步增大，而熔融破裂面較崩裂破裂面分形維數(shù)增長幅度最高可達2.0%。因此從破裂面粗糙度特征可以推測試樣高溫熔融破壞時所消耗的能量較高，而低溫崩裂破壞時能量消耗較低。這與李元輝等的研究一致，即當巖石呈現(xiàn)出崩裂破碎時，可顯著降低開挖掘進破碎巖石時所需要的能量，有助于深部工程硬巖掘進。

3 微波作用后巖石熱膨脹響應特征分析

厘清微波場內(nèi)巖石異質性體破裂響應特征必須充分考慮巖石不同損傷階段升溫膨脹特性及其機制。因此，基于微波連續(xù)作用下巖石完全破裂組研究成果，經(jīng)過多次試驗獲取局部損傷組、直觀無損組2組不同損傷程度巖石，克服了現(xiàn)階段試樣體積計算粗糙等缺點，聯(lián)合紅外測溫和高精度激光掃描儀精準捕捉了巖石升溫和熱膨脹特性，以期揭示微波場內(nèi)不同巖石種類不同損傷階段升溫膨脹差異性規(guī)律。

3.1 微波作用下巖石異質熱響應行為

為定量表征微波場內(nèi)試樣升溫特性，針對局部損傷組、直觀無損組試樣，采用紅外測溫槍從試樣底部到頂部進行全過程連續(xù)測溫；破裂組試樣進行破裂面和非破裂面測溫。完全破裂組試樣表面測溫結果如圖7(a)所示，S-1試樣溫度介于91～194 ℃，平均溫度為141 ℃，最高溫度出現(xiàn)于試樣破裂面。G-1試樣所測溫度范圍125～367 ℃，平均溫度298 ℃，L-1試樣表面溫度較S-1和G-1試樣有著顯著的提升，溫度介于253～492 ℃，平均溫度達到418 ℃。需要明確指出的是，目前很難精準捕捉微波作用下巖石內(nèi)部溫度場分布，未來可通過預埋熱電偶等手段來捕捉巖石內(nèi)部的溫度分布。精準監(jiān)測微波作用下巖石內(nèi)部溫度分布是未來微波破巖基礎研究領域一項亟待攻關的技術。

圖7 不同損傷程度試樣表面溫度變化規(guī)律Fig.7 Variation law of surface temperature of samples with different damage degrees

與S-1溫度分布一致，G-1和L-1試樣溫度最高處位于破裂面附近，且底部溫度則相對最低。如圖7(b) ，(c)所示，試樣表面所能達到的溫度與微波作用下試樣損傷程度成正相關關系(圖7(d))，但對于具體試樣而言，試樣表面溫度分布規(guī)律總體上與完全破裂組試樣溫度變化特征一致，即試樣底部溫度相對最低，中上部溫度較高；輝長巖總體溫度最高，花崗巖次之，砂巖最低。測溫結果表明微波場內(nèi)砂巖主要呈現(xiàn)出低溫崩裂破壞，花崗巖和輝長巖呈現(xiàn)為高溫熔融破壞。同時，從圖4中試樣破裂面和宏觀裂紋所處位置可以看出，不同巖性試樣損傷區(qū)域主要位于試樣中下部，與高溫區(qū)域分布相對一致，表明試樣損傷破裂特征受到自身礦物組分控制外，也與試樣在微波場內(nèi)所處的位置有關。在下一步工作中將深入探索微波場內(nèi)試樣自身礦物組分與所處位置之間對試樣損傷破裂影響的博弈機制。

3.2 微波作用下巖石熱膨脹特征

微波作用下巖石特征礦物吸收微波能轉化為熱能，提高試樣溫度，并在無約束條件下讓巖石自由膨脹。而巖石內(nèi)部礦物膨脹的不協(xié)調(diào)性會在礦物晶粒邊界因擠壓而產(chǎn)生熱應力，當熱應力處于樣品強度范圍內(nèi)，巖石自由膨脹變形；當熱應力超過樣品強度時，導致巖石破裂。因此，探究微波場內(nèi)不同損傷程度下的熱膨脹特性對于認知微波作用下試樣體破裂響應特征具有重要意義。體積變化率是定量表征巖石熱膨脹特征的重要指標，然而目前對巖石體積的測量大多基于試樣的直徑和高度進行粗糙計算，無法適用于不規(guī)則物體體積的量測。特別是巖石的膨脹變形相對巖石體積而言相對較小，現(xiàn)有的粗糙計算方法無法精準獲取微波作用后巖石的體積，更無從分析探討微波場內(nèi)試樣膨脹特性。因此本文采用高精度三維激光掃描儀重構試樣整體模型并導入Geomagic Studio軟件中對試樣進行封裝，填充由于試樣表面標記點而導致的孔洞，進而更準確地計算樣品體積(圖8)。

微波場內(nèi)相同損傷程度不同巖性試樣體積變化特征如圖9所示，試樣初始體積主要位于19×10～20×10mm，其中初始體積最大值為19.788 10×10mm，最小值為18.823 77×10mm，與傳統(tǒng)基于直徑和高度所計算的圓柱體積(19.625×10mm)分別相差為0.83%和-4.08%。完全破裂組G-1和L-1試樣微波作用前后試樣膨脹率達2.1%和1.8%，而S-1由于試樣崩裂破碎，無法獲得微波作用后的試樣體積變化。局部損傷組S-2，G-2以及L-2試樣體積膨脹率分別為0.06%，0.60%與0.34%；直觀無損組S-3，G-3試樣微波作用前后體積未呈現(xiàn)出明顯的膨脹特性，L-3試樣體積膨脹率達0.15%?？傮w而言，相同損傷階段下輝長巖和花崗巖的體積膨脹率相對較高，而砂巖由于其在微波場作用下升溫較為緩慢，膨脹率在3種巖性中最低，尤其在直觀無損組砂巖的體積變化率幾乎為0。然而值得注意的是，升溫監(jiān)測結果表明輝長巖表面升溫高于花崗巖表面溫度，但輝長巖體積膨脹率低于花崗巖，分析可能的原因為該花崗巖熱膨脹特性較好，且2者溫度相差幅度較小，從而體現(xiàn)為花崗巖的體積膨脹率相對較大。

圖8 試樣體積計算過程示意Fig.8 Schematic diagram of sample volume calculation process

圖9 不同損傷程度試樣體積變化特征Fig.9 Volume change characteristics of specimens with different damage degrees

微波場內(nèi)試樣不同損傷階段體積膨脹特征如圖10所示。砂巖局部損傷組體積變化率較直觀無損組有一定增長，幅度為0.056%。花崗巖完全破裂組體積變化率較局部損傷組試樣有一定的增長，增幅達1.48%，而局部損傷組試樣較直觀無損組試樣體積變化率僅增長了0.6%。與花崗巖體積變化特征一致，輝長巖完全破裂組試樣體積變化幅度也相對最大。從圖10中微波作用前后試樣表觀形貌特征不難發(fā)現(xiàn)，局部損傷組試樣表觀形貌特征并未發(fā)生顯著的變化，僅較直觀無損組試樣多一條宏觀裂紋，對體積變化率的貢獻有限，而完全破裂組試樣產(chǎn)生宏觀破裂面并伴隨著熔漿的出現(xiàn)，大幅增加了試樣體積，從而體現(xiàn)為體積變化率急劇增長?？傮w而言，微波場內(nèi)試樣受熱膨脹大致可分為3個階段，① 約束階段：該階段試樣體積無明顯變化，礦物膨脹受基質約束；② 競爭階段：該階段試樣體積小幅度膨脹，礦物膨脹與基質約束相互博弈，試樣表觀有微裂紋產(chǎn)生；③ 自由膨脹階段：該階段試樣體積增長顯著，礦物掙脫基質約束，試樣崩裂或熔融，形成新鮮破裂面。但總體試樣體積增長率水平較低，試驗中所監(jiān)測的最大體積膨脹率僅為2.1%。

4 微波場內(nèi)巖石破裂機制探索

砂巖、花崗巖和輝長巖均是由多種礦物和組分構成的集合體，不同組分之間的微波敏感性不盡相同，而巖石的宏觀破裂必然是微觀尺度顯微損傷結構不斷聚集、發(fā)展的最終結果。在微波作用下，巖石內(nèi)部的礦物和微觀結構勢必會發(fā)生不同程度的損傷變化。因此，從微細觀尺度入手探討巖石顯微損傷破裂特征以及分子結構差異性響應行為，借以解譯巖石微波場內(nèi)的升溫膨脹行為。本文聯(lián)合巖相薄片、XRD以及XPS等多種測試手段，從礦物結構初步探討了巖石損傷破裂特征，以期為揭示微波場內(nèi)巖石微觀破裂機理提供參考和借鑒。

圖10 不同巖石微波作用后體積膨脹率Fig.10 Volume expansion rate of different rocks after microwave irradiation

4.1 微波場內(nèi)巖石破裂面斷口特征分析

微波作用后試樣破裂面微觀斷口特征如圖11所示，花崗巖內(nèi)部主要由顯微孔洞和顯微裂紋組成，顯微孔洞大多位于石英、長石內(nèi)部。顯微裂紋主要由晶內(nèi)裂紋、沿晶裂紋以及穿晶裂紋組成，晶內(nèi)裂紋主要存在于石英內(nèi)部，少部分出現(xiàn)于斜長石內(nèi)部；穿晶裂紋主要貫穿于石英和斜長石礦物之間；沿晶裂紋也主要位于石英和斜長石礦物邊界。從顯微孔洞和顯微裂紋分布特征可以發(fā)現(xiàn)，花崗巖內(nèi)部破壞特征與石英和斜長石密切相關，且顯微裂紋和顯微孔洞大多位于石英礦物內(nèi)部。輝長巖內(nèi)部主要由顯微孔洞和顯微裂紋組成，其中顯微孔洞主要出現(xiàn)于輝石礦物和黑云母礦物之中，以輝石礦物為主；顯微裂紋主要位于輝石礦物內(nèi)部，主要以晶內(nèi)裂紋的形式呈現(xiàn)，表明微波場內(nèi)輝長巖破裂與其內(nèi)部輝石礦物和黑云母礦有一定的聯(lián)系。而砂巖微觀斷口僅捕捉到少量的沿晶裂紋，并未出現(xiàn)顯著的顯微損傷結構。

圖11 微波場內(nèi)試樣破裂面巖相薄片F(xiàn)ig.11 Lithofacies thin section of sample fracture surface in microwave field

根據(jù)田軍、ZHAO等的研究可知，輝石礦物和云母礦物的吸波特性較好，因此微波場內(nèi)輝長巖的顯微破裂損傷主要以輝石和黑云母為主。值得注意的是，石英作為微波典型礦物在微波場內(nèi)不會產(chǎn)生較大熱量，但LI，LU等的研究成果表明，由于石英具有良好的導熱性能和熱膨脹系數(shù)，會在微波場內(nèi)持續(xù)升溫。此次試驗中花崗巖作用時間長達565 s，內(nèi)部有充分的時間進行熱傳導，進而導致了微觀尺度上石英礦物損傷破裂嚴重。

4.2 巖石礦物分子結構微波響應特征分析

圖12 微波作用下G-1 XPS能譜Fig.12 G-1 XPS spectra under microwave irradiation

4.3 微波作用下巖石物相特征變化分析

物相分析中常采用X射線衍射分析(XRD)、激光拉曼分析和傅里葉紅外分析等測試手段，其中X射線衍射技術應用較為廣泛，因此采用X射線衍射技術獲取樣品物相特征數(shù)據(jù)。同時為盡可能減少樣品差異性的影響，選取微波場內(nèi)花崗巖輝長巖破斷試樣破裂面和底部進行制樣(圖2)。測試結果如圖14，15所示，試樣內(nèi)部組分與巖相薄片鑒定一致。

圖13 微波作用下L-1 XPS能譜Fig.13 L-1 XPS spectra under microwave irradiation

圖14 微波作用下G-1試樣X射線衍射譜Fig.14 X-ray diffraction spectrum of G-1 sample under microwave

圖15 微波作用下L-1試樣X射線衍射譜Fig.15 X-ray diffraction spectrum of L-1 sample under microwave irradiation

其中花崗巖主要組分為長石(Na(AlSiO))和石英(SiO)。輝長巖主要輝石(CaNa(AlSiO))和長石(Na(AlSiO))組成。依據(jù)礦物PDF卡片中晶體細胞參數(shù)定出分子結構，如圖16所示。石英分子結構主要由硅、氧原子組成，結構較為單一，呈現(xiàn)出明顯的對稱結構，極性極化能力偏弱，對微波響應不足，升溫緩慢。Na(AlSiO)分子以Si，Al為中心的四面體結構，空間位置主要被Na占據(jù)。輝石則由于類質同象置換現(xiàn)象，部分Si被Al所取代，形成了鋁硅酸鹽，晶體結構較為復雜。有研究表明，金屬離子對微波響應更劇烈，長石和輝石晶體結構中存在的大量金屬離子鍵束縛能力遠小于其他分子鍵，金屬離子可以有效增強分子的極性能力，對微波的響應更為劇烈。

不同損傷區(qū)域X射線衍射圖譜如圖14，15所示，基于衍射圖譜可以得出微波作用后試樣破裂面和破斷試樣底部主要成分仍保持相對穩(wěn)定，并未出現(xiàn)顯著變化?；◢弾r主要由石英和長石組成，輝長巖主要由輝石和長石礦物組成，與巖相薄片鑒定結果一致。然而在微波作用下巖石內(nèi)部晶體結構發(fā)生變化，產(chǎn)生相位差，從而在圖譜中體現(xiàn)為衍射強度和最大衍射角的變化?；◢弾r破裂面石英、長石礦物最大衍射強度較試樣底部最大衍射強度有一定程度的增長，幅度為36.60%，6.21%，破裂面主要礦物最大峰強對應衍射角整體有所增大。根據(jù)張衛(wèi)強的研究可知，花崗巖試樣破裂面受到熱膨脹應力的作用，導致衍射角發(fā)生變化。衍射峰偏移為試樣內(nèi)部晶格缺陷、晶粒細化和微觀應力作用而導致的，且由于微觀壓應力的存在，使得晶面間距減小，晶格畸變發(fā)生體現(xiàn)為衍射峰呈現(xiàn)出向高角度偏移的現(xiàn)象。與花崗巖內(nèi)部礦物變化特征一致，輝長巖內(nèi)部主要礦物輝石和長石最大衍射強度以及所對應的衍射角整體均有不同幅度的增長，表明微波作用使得花崗巖和輝長巖內(nèi)部產(chǎn)生微觀壓應力導致試樣內(nèi)部產(chǎn)生微觀損傷，進而導致試樣宏觀強度弱化發(fā)生。

圖16 不同礦物晶體結構示意Fig.16 Schematic diagram of crystal structure of different minerals

基于X射線衍射測試結果初步確定試樣內(nèi)部主要礦物組分，為進一步定量判識微波場內(nèi)試樣的熱穩(wěn)定性，分別對花崗巖、輝長巖和砂巖進行熱重分析。將3種樣品磨成粉末狀態(tài)，為與微波作用條件一致，在空氣氛圍內(nèi)對樣品加熱至1 000 ℃，獲取樣品室溫-1 000 ℃時的熱重變化曲線。3種巖石熱重變化如圖17所示，不難發(fā)現(xiàn)，砂巖和花崗巖質量均隨著溫度的升高損失，而輝長巖質量增加。依據(jù)表面測溫結果，砂巖最高溫度未超過200 ℃，在0～200 ℃砂巖質量損失1.04%，主要是砂巖內(nèi)部自由水和弱結合水的蒸發(fā)導致，水分蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽壓力導致微裂隙和微孔洞劈裂，試樣崩裂破壞。對于花崗巖而言，其內(nèi)部含水率低，總體質量損失達1.2%，其中水分的蒸發(fā)僅占0.3%。根據(jù)彭卓倫等的研究，高溫下花崗巖內(nèi)部黑云母等含水礦物發(fā)生熱分解，結合XPS檢測結果，礦物分解是質量損失的主要原因，由于單質Al的存在，高溫狀態(tài)下與O發(fā)生氧化反應生成AlO，兩者博弈狀態(tài)下花崗巖質量曲線整體平緩。輝長巖在升溫過程中水分缺失后重量增加1.3%，推測是微波作用后巖石升溫，在高溫作用下巖石內(nèi)部微量金屬元素結合O元素從而導致熱重曲線上升，質量增加，這與XPS中O2含量增加生成AlO的推測相呼應，與文獻[64-65]的研究一致。

圖17 不同巖石熱重變化曲線Fig.17 Thermogravimetric curves of different rocks

4.4 微波場內(nèi)巖石體破裂機理初探

基于上述研究成果，以損傷特征為切入點，聚焦于1 000 W微波作用下砂巖、花崗巖和輝長巖高溫熔融破壞和低溫崩裂破壞2種模式下跨尺度差異性行為特征。如圖18所示，砂巖內(nèi)部由于石英礦物和水分含量相對較高，不同組分間介電特性差異較大，破裂的主控因素主要為熱應力導致，受到高溫的影響較小，從而微觀尺度上晶體損傷不明顯；細觀尺度上主要以沿晶裂紋為主，礦物結晶邊緣平滑，微觀斷口并未出現(xiàn)顯著的損傷結構；宏觀尺度上由于熱應力的迅速增長以及水分汽化沖孔的疊加作用使得樣品在短時間低溫崩裂，消耗的能量較低，體積膨脹率較小。

花崗巖內(nèi)部主要由堿性長石、斜長石和石英組成，微波作用下堿性長石和斜長石持續(xù)升溫，石英由于其良好的導熱系數(shù)和熱膨脹特性不斷升溫膨脹，破裂主控因素主要為高溫和熱應力疊加作用。體現(xiàn)為微觀尺度上由于其內(nèi)部少量不穩(wěn)定碳氧鍵的存在，被高溫氧化致使分子鍵重組，再疊加熱膨脹變形擠壓產(chǎn)生的微觀壓應力對分子結構造成損傷，使得晶面間距減小，發(fā)生晶格畸變進而體現(xiàn)為衍射峰呈現(xiàn)出向高角度偏移以及衍射強度波動的現(xiàn)象，并在石英和斜長石礦物內(nèi)部和交界處產(chǎn)生大量的顯微損傷結構；細觀尺度上呈現(xiàn)出大量的顯微孔洞(大多位于石英、長石內(nèi)部)和顯微裂紋(晶內(nèi)裂紋主要存在于石英內(nèi)部，少部分出現(xiàn)于斜長石內(nèi)部；穿晶裂紋主要貫穿于石英和斜長石礦物之間；沿晶裂紋也主要位于石英和斜長石礦物邊界)，隨著損傷結構的不斷積聚發(fā)展以及溫度的升高使得宏觀尺度上花崗巖呈現(xiàn)出高溫熔融破裂特征。

圖18 微波場內(nèi)試樣破裂示意Fig.18 Schematic diagram of sample fracture in microwave field

輝長巖則主要由斜長石和輝石礦物組成，其破裂特征主要與花崗巖一致。輝石由于其良好的吸波特性，在微波場內(nèi)不斷升溫，進而使得輝長巖微觀尺度上以Si—O鍵含量的變化和輝石礦物的損傷為主，細觀層面上損傷結構主要呈現(xiàn)為顯微孔洞(主要出現(xiàn)于輝石礦物和黑云母礦物之中)和晶內(nèi)裂紋(主要位于輝石礦物內(nèi)部)。宏觀層面上體現(xiàn)出高溫熔融破壞，熔融破壞斷面粗糙度較高，體積膨脹率可達2.1%，破裂時消耗能量較高，但樣品總體仍保持一定的完整性。

同時，根據(jù)文獻調(diào)研對比前人研究成果可以發(fā)現(xiàn)，研究中所涉及的不同尺度研究成果均能找到一些相似的結論，宏觀尺度上砂巖、花崗巖和輝長巖所體現(xiàn)出的高溫熔融破壞與低溫崩裂破壞2種破裂模式與李元輝和TALBOT P等研究結論一致，即微波場內(nèi)會因試樣內(nèi)部礦物組分及含水特征影響造成試樣出現(xiàn)崩裂破壞和熔融破壞2種。細觀尺度上，針對微波場內(nèi)顯微裂紋的研究，盧高明、 GUO S H等研究表明微波場內(nèi)巖石樣品會產(chǎn)生沿晶斷裂和穿晶斷裂。MENZHULIN M G和LI X等觀察到了微波作用后花崗巖內(nèi)部沿晶微裂紋，上述學者的研究均表明微波場內(nèi)巖石內(nèi)部會出現(xiàn)大量的顯微裂紋。然而，現(xiàn)階段學者聯(lián)動微觀-細觀-宏觀尺度解譯微波場內(nèi)巖石破裂機制研究少有涉及，此次研究串聯(lián)3種尺度初步探索了微波場內(nèi)巖石破裂機制。微波場內(nèi)巖石體破裂響應和內(nèi)在驅動作用還有很多問題需要進一步探索，在未來的研究工作中有必要聯(lián)動溫度場-應力場共同在機理層面解譯微波場內(nèi)樣品的起裂—擴展—破裂過程。因此，本文針對樣品的體破裂研究只是一個起點，未來的研究中必然深入探索微波場內(nèi)樣品的起裂—破裂機制。同時，研究發(fā)現(xiàn)在實際工程破碎硬巖時應建議調(diào)整微波作用路徑或作用方式以達到快速崩裂硬巖的目的。而當工程需求為致裂增透巖石而非破碎巖石使其喪失穩(wěn)定性時，需建議改變微波作用路徑或作用模式，以使得硬巖熔融破裂。

5 結論與展望

(1) 微波場內(nèi)不同巖性試樣破裂特征和熱膨脹行為存在差異性。當成巖礦物介電特性差異較大或含水率較高時主要為沿晶斷裂，呈低溫崩裂破壞，破裂面相對光滑，耗能低；當成巖礦物介電特性接近或具有一定含量的微波敏感性礦物時，內(nèi)部升溫明顯，溫度成為主控因素，呈熔融破裂特征。

(2)砂巖呈現(xiàn)為低溫崩裂破壞，微觀斷口僅有少量的沿晶裂紋，并未出現(xiàn)大量的顯微損傷結構。輝長巖和花崗巖則為高溫熔融破壞，微觀尺度呈現(xiàn)出大量的顯微損傷結構。花崗巖和輝長巖體積膨脹率增長幅度較大，分別為2.1%和1.8%。高溫熔融所產(chǎn)生的破裂面粗糙度分維高，低溫崩裂破壞破裂面分維相對較低，其中花崗巖破裂面分維達到2.109 2，輝長巖次之為2.070 4，砂巖最低為2.066 0，增長幅度最高可達2.0%。

(3)成巖礦物晶體結構層面，礦物膨脹變形的不協(xié)調(diào)性以及水分汽化產(chǎn)生的微觀壓應力是晶體損傷的主控因素，直接導致晶面間距減小，發(fā)生晶格畸變體現(xiàn)為衍射峰呈現(xiàn)出向高角度偏移的現(xiàn)象；同時，溫度的持續(xù)增長使得試樣內(nèi)部Si—O鍵含量波動幅度較大，對石英和硅酸鹽礦物造成顯著的影響。

(4)在工程實踐中，地質條件差異較大，可依據(jù)成巖礦物微波敏感特性與介電常數(shù)等指標進行微波輔助破巖方法判別。通過優(yōu)化設計微波作用路徑，使得巖體內(nèi)部熱應力迅速增長，在短時間內(nèi)發(fā)生低溫崩裂破壞，可有效降低巖石破碎能量損耗，提高破巖效率。

本文所設定的巖石為自由狀態(tài)，并未考慮實際工程中真實存在的應力環(huán)境，應力環(huán)境疊加微波熱場耦合作用下巖石響應行為處于黑箱狀態(tài)，考慮原位應力環(huán)境下微波破巖響應規(guī)律與內(nèi)在機制也是未來值得探索的前沿方向。以上研究可為解譯微波場內(nèi)不同巖性、不同礦物組分含量試樣的體破裂機制研究提供試驗和方法借鑒。