基于SEM的相似材料岩爆岩屑细观分析

摘要

为了在不同梯度应力条件下探讨岩爆期间的样品失效特性，本文提出了一种新型实验技术;使用真正的三轴梯度和液压气动组合试验装置在岩石类似材料标本上进行了两个梯度应力路径下的常见测试。和石膏用作岩石类似的材料。在实验过程中，几个岩爆碎片，面积尺寸为100毫米²，利用扫描电子显微镜(SEM)方法分析计算了典型碎屑断面晶体轮廓的分形维数。结果表明，两种梯度应力过程引起的试件破坏特征不同。岩爆碎屑段的细观形态也有效地反映了其宏观破坏特征。结果表明，岩爆试样岩屑剖面晶体轮廓的分形维数具有分形特征，基于SEM图像的盒维数能定量描述岩爆破坏特征。在相同的放大倍数下，断裂破坏晶体轮廓的分形维数相对小于剪切破坏晶体轮廓的分形维数。

1.介绍

目前，随着地球浅矿产资源的逐步短缺，年度全球需求资源差距增加，矿产资源采矿逐渐发展到更深的地下空间。深层岩体的发生环境非常复杂，深度挖掘操作周围岩石中的应力浓度经常导致挖掘活动后储存弹性能的突然释放，随后导致岩爆灾害[1］．冲击地压发生时，主要表现为岩体以较大的动能脱离母岩层。这些动作将碎片抛向开挖面，并伴有不同程度的爆炸和撕裂声。这往往导致采矿机械的破坏，甚至矿工的死亡，给采矿项目带来不可估量的损失[2，3.］．因此，对岩爆现象的研究有助于提高对岩爆的理解，这可能导致未来的有效预防其出现。

岩体的宏观衰竭现象是许多脑镜骨折的完全表达[4，5］．对冲击地压现象的细观研究将有助于进一步认识冲击地压的破坏过程。一般来说，研究人员通常使用扫描电子显微镜(SEM)来确定岩体的力学性质，以揭示岩石细观形态与破坏过程之间的关系。之前，Zhao等人[6[揭示岩爆岩体的岩体微观结构分析，透露了岩石的动态故障机制。另外，Ng等人。［7- - - - - -9]利用电子显微镜对研究材料的扫描图像进行了处理，并建立了预测裂纹扩展的模型。在另一项相关研究中，Zhang等人[10使用SEM检测不同浅岩标本的微观结构和矿物组合物，然后分析了不同微观结构和矿物质组合物对宏观力学性能的影响。但是，目前有几个关于岩爆碎片裂缝的研究提供的报告。SEM的应用在岩爆介质的研究中可能有助于增加对与摇滚突发现象有关的失败机制的理解。

Parsa等人提出了分形理论。［11研究复杂的非线性科学。在岩体力学领域，自Fujimura et al. [12]应用分形理论研究岩石脱裂剖面图像的分形尺寸，分形理论在图像场中的应用变得越来越成熟。Wang等人。［13]采用分形方法来定量描述岩体中微裂纹的故障演化行为。另外，基于分形方法和骨折力学理论，邓等。［14建立了岩石骨折的能耗模型，并获得了能源消耗与岩石碎片平均尺寸之间的定量关系。上述结果表明，分形理论可用于定量地描述岩石骨折的特征。已经确定岩爆主要发生在硬质脆性岩体中。因此，已知通过岩突发产生的横截面和碎屑与岩爆的特征密切相关。在摇滚突发研究领域，大多数研究方法利用了分形尺寸的计算，这是基于岩石爆裂碎片的肿块，长度，宽度和其他尺度的测量[15- - - - - -17，然后根据获得的分形维数判断岩爆现象的严重程度。

因此，本研究采用自主研发的真三轴梯度岩爆试验装置和液气联合试验装置，对均匀分布和梯度分布两种应力加载模式下的岩石类材料试样进行岩爆试验。然后，在岩爆宏观破坏分析的基础上，选取典型破坏断面试样，利用SEM，从细观角度分析均匀加载和梯度加载对试样破坏特征的影响。并进一步结合MATLAB软件计算结果，确定不同岩爆破坏模式下试件横截面均存在碎片分形规律。本研究成果对于加深对开挖过程中围岩破裂特征及冲击地压现象影响因素的认识具有潜在的重要理论意义。

2.岩爆现象的测试

２.１.试验装置及材料

本研究中采用的真正三轴梯度和液压气动组合试验装置由主机，液压控制系统和气动控制系统组成，如图所示1．该装置具有实现二维和三维围压加载的能力。设备顶部的最大承载能力为20mpa，侧面的最大承载能力为5mpa。装置顶部的梯度设置模拟了现场开挖扰动引起的深部岩体应力集中现象。气动控制系统能够有效模拟实际条件下深部岩体冲击地压过程中围岩施加的软加载。

由于天然岩石标本的复杂加工和运输作用和实验室测试的局限性，这项研究选择了高强度膏药作为材料。发现石膏标本符合岩石的岩石爆发尺寸指标，并在深层岩体中显示了机械性能的相似性[18- - - - - -20.］．石膏的参数显示在表中1．然后根据试件加载室在试验装置中的空间布置，将试件尺寸设置为1000 mm × 600 mm × 400 mm。同时，为了减小侧向摩擦对试样加载过程的影响，在试样的加载表面和仪器的传力板之间放置了两层聚四氟乙烯(PTFE)薄膜。然后，在试样表面涂上一层石墨粉。

２.２.测试过程

本研究试验过程主要模拟了深部岩体开挖过程中开挖面突然卸载等工程扰动引起的岩爆现象。目前，一般认为用于岩爆试验的小尺寸试件受力均匀，仅发生劈裂破坏。然而，这与某些场地的岩爆现象是不同的。结果表明，梯度应力加载法能较好地反映隧道开挖过程中岩爆现场的切向应力集中现象。在本研究中，简化表达式为y = ae^−bx+c［21公式被用于地下挖掘。在一定距离内，随着水平距离宽度的增大，洞室围岩的切向应力逐渐减小。的公式,一个+c位于周围岩石隧道墙的切向应力的方向上;b表示应力梯度系数（较大的b是，压力差异越大在梯度的顶部）;x是围岩在某一点至水平距离的宽度;和c表示初始应力值。

为了比较和分析均匀加载和梯度负荷对岩爆特性的影响，本文设计了两种测试加载模式，以对大型试样进行多次测试。石膏样品的应力如图所示2．

试验中，石膏试件的初始围压设定为1.5 MPa (c= 1.5 Mpa)，每级加载0.5 Mpa。各阶段的加载间隔为30分钟，初始围压稳定6h。然后，设备前面的限位门板被迅速疏散。同时，在顶部，荷载计算为y = ae^−bx+c．的x梯度1的值是0米，x梯度2的值为0.25 mx梯度3的值为0.50 mx梯度4的值为0.75米。初始值为0.5MPa，每个负载中的间隔为0.5MPa。实验设计的应力加载方案如下。（1）均匀应力载荷：该方案的负载路径如图所示3(一个)．当b= 0时，顶部梯度1以0.5 MPa的梯度加载，其他梯度顶部计算为y = ae^−bx+c并加载直到摇滚突发发生。(2）梯度应力加载:该方案的加载路径如图所示3 (b)．当b= 6时，顶部梯度1以0.5 MPa的梯度加载，其他梯度顶部计算为y = ae^−bx+c并加载直到摇滚突发发生。

２.３.测试结果

2.3.1。分析测试现象

图4和5分别展示了均匀加载试验和梯度加载试验引起的岩爆破坏的宏观现象。根据不同的加载路径，分析了岩爆试验过程中应力加载阈值、岩爆形式、爆破声音、岩屑喷射等现象的特征。

分析结果的细节如下。（1）就测试应力负载均衡条件而言，在均匀的装载试验过程中，当顶部负荷增加到5.5MPa时，发生摇滚突发，并且样本的上部被破坏，如图所示4（a）．在梯度加载试验过程中，当顶部梯度1上的荷载增加到5.0 MPa时，试样上部和中部发生岩爆，如图所示5（a）．可以看出，在均匀的负载条件下标本的应力大于梯度负载条件下的压力。(2）就岩石突发时代发生的声音而言，观察到在均匀的装载条件下发生的岩爆产生连续，清晰，低音。同时，在梯度负载测试期间发生的摇滚突发产生了非常响亮和暗淡的声音。(3）就岩爆现象的失效模式而言，在样品均匀负载和发生岩爆后发生的密切观察到的骨折在图中示出4（c）和4（d）．发现岩爆部分相对粗糙，并且形成的岩爆凹坑的表面平坦。而且，侧裂纹沿着负载应力的方向膨胀。发现岩突突发的梯度应力加载样本的截面相对光滑，并且观察到凹坑的形成是楔形的。从靠近45°角剪切裂缝的侧面可以看出摇滚突发，其中大量的膏药粉末在裂缝内仍然存在。（4)对于岩爆产生的岩屑，从图中可以看出4（b）在均匀负载下的岩爆后，大量的板状碎片在0.5μm的范围内浓缩。然而，当岩爆在梯度负荷下发生时，碎片分散，甚至超过1米的碎片甚至抛出。因此，在这项研究中得出结论，在梯度负载下产生的岩爆碎片比在均匀的装载条件下强。

从上述结果可以看出，均布加载试验过程中，冲击地压发生时间较长，声音较低。冲击地压断面较平;裂纹为典型的劈裂裂纹;岩爆强度较弱。而在梯度加载试验中，岩爆持续时间较短;岩爆坑呈楔形;裂纹为典型的剪切裂纹;岩爆强度较强。因此，本研究结果表明均匀加载试验和梯度加载试验产生的冲击地压特征存在明显差异。

2.3.2。宏观碎屑特征

在本研究中，为了进一步考察不同加载方式产生的破坏特征，将两组试验岩屑按照粒径和类型进行了分类。即每组试验碎片按大小分为10组:<3 mm;3至6毫米;6至10毫米;10至20毫米;20至25毫米;25至40毫米;40至70毫米;70至100毫米;100至160毫米; and >160 mm. Each group was divided into two subgroups according to block and sheet. The debris with the length to thickness ratio less than 3 were block, while those with the length to thickness ratio more than 3 were sheet [17，22，如图所示6．

从图中可以看出6在均匀负载期间形成了更多的碎片，而在梯度负载期间形成的碎片较少。因此，为了在分类碎屑和增加肿块的总滴乳中，在总滴乳中确定不同类型和尺寸的百分比，在不同的应力载荷条件下，岩浆爆裂的碎屑质量的百分比桌子2．

如表所示2均匀加载条件下，片状碎屑的质量百分比分别为47.42%、11.65%、12.89%、2.51%、2.32%和1.98%，共78.77%，远高于块状碎屑的质量百分比。但在梯度加载条件下，发现与均匀加载结果相反，块体碎屑质量占总质量的70%以上。因此，确定均布加载产生的冲击地压以片状岩屑为主，梯度加载产生的冲击地压以块状岩屑为主。

在目前的研究中，通过比较测试后样品的碎片和受影响部分的特性，确定在均匀的装载条件下，岩爆产生了较小的声音;摇滚突发坑是平的;碎片的最高百分比是板材和板材的形式;这些部分粗糙;并且裂缝沿着装载方向扩张。然而，在梯度负荷下由标本产生的摇滚突发声音更响亮;岩爆坑呈楔形;碎片主要是巨大的;裂缝主要是剪切线裂缝;这些部分覆盖着岩粉和划痕。 Therefore, from a macroscopic point of view, the uniform loading test could be concluded to have mainly resulted in split failures, while the gradient loading test had mainly resulted in shear failures of the rock similar material specimens.

3.岩石相似材料冲击地压断面细观分析

岩石的细观分析可以借助于扫描电镜进行研究。根据田教授进行的SEM研究的结果[23[在地下室的岩爆部分中，岩石晶体倾向于具有规则的几何形状，并且已经发现通过不同装载方法形成的裂缝部分的扫描图像明显不同。虽然岩石和石膏内的晶体结构不同，但发现石膏内的晶体在没有应力的条件下定期分布，这与岩石内的晶体结构类似。因此，可以推断出通过不同装载模式形成的岩石类似材料的岩爆滴定部分的扫描图像也存在明显的差异。

３.１.岩石相似材料碎屑剖面的扫描电镜测试

3.1.1。SEM对滴乳部分的抽样

为了从细观角度观察岩石相似材料在不同应力梯度加载条件下的破坏特征，将试样分为两组。第一组为均布加载试验中的劈裂破坏截面，如图所示7(一)．第二组为梯度加载试验剪切破坏截面，如图所示7（b）．每组抽取三个样本[24］．

然后，为了满足SEM设备对试样尺寸的要求，首先对岩爆碎屑段进行近似矩形切割[25］．样品面积约为10mm×10mm，厚度在3到5mm之间，后部区域铺设。切割测试样品如图所示7(一)和7（b）．由No.1,2和No.3表示的图像表示分裂失败表面的样本（图7(一))在均布荷载条件下;图4、图5、图6为剪切破坏面的试样7（b））在梯度加载条件下。

3.1.2。测试设备和测试过程

将样品连续地固定在具有导电粘合剂的样品台上。然后，为了提高样品的电导率并增强信号的发射率，施加真空镀金膜[26］．在镀金之后，通过日本JSM-5510LV扫描电子显微镜观察样品，放大率为50-2000倍。

3.1.3。岩爆部分的介观形态特征

选取上述两组样品中典型碎屑剖面的SEM图像。图8（a）和8（b）显示在均匀装载测试中选择的分裂失败滴乳部分的SEM图像，以及图9（a）和9（b）显示了梯度加载试验中剪切破坏碎屑的SEM图像。

虽然SEM图像是二维的照片，但它包含了大量的三维信息。例如，图像可以清楚地显示石膏晶体和缝隙的大小、三维形态和分布。细观结构信息通过灰度值反映出来。每个像素对应一个从0到255的灰度值(0代表黑色，255代表白色)。不同的灰度值可以理解为晶体表面与成像表面之间的距离不同。灰度值越大，表明晶面与成像面越接近。根据这一原理，可以选择两组实验SEM图像，并用MATLAB编程，将二维SEM图像转换为三维灰度图像，如图所示8（c）和9 (c)．

观察结果如下。（1）均匀加载试验后，岩爆碎屑断面表面普遍疏松，坑洞和孔隙遍布，如图所示8（a）．然后局部放大300倍后，发现大部分晶体外观细长而长，可以清楚地看到完整的晶体形状。孔隙也更加明显，晶体在孔隙周围不规则重叠，如图所示8（b）．(2）梯度加载测试完成后,石膏晶体挤压剪切破坏的梯度加载模式结果在一个相对密集的状态与晶体均匀加载模式相比,伴有明显的划痕和steplike模式垂直划痕的方向,详细如图9（a）．再一次，在300倍的放大率之后，发现大部分滴乳部分是平坦的，并且观察到大部分膏药晶体是短且棒状的。主要失效模式被确定为响囊骨折，部分温度晶体故障和沿划痕方向布置的晶体，如图所示9（b）．

通过观察扭转部分中石膏的晶体形态，均匀负载测试中的石膏是不难受拉应力的影响，并且晶体彼此分离。发现晶体长柱状，松散和无序，在表面上分布明显的孔（图10（a）)，这表明明显的分裂失败。在梯度加载试验中，在石膏压应力的影响下，发现晶体相互交错，呈短棒状排列在同一方向(图)10（b））.此外，表面有明显的划痕，这表明岩爆产生了剪切破坏。因此，从宏观上可以看出，均布加载试验发生了劈裂破坏，梯度加载试验发生了剪切破坏。

在这项研究中发现，滴乳部分的介观形态精确地反映了岩爆的宏观故障，这也表明应力载量改变在一定程度上影响了标本的失效模式。因此，滴乳部分的介观形态表征了岩爆的宏观故障，并且还在一定程度上反映了岩爆的孵育过程。

３．２．冲击岩爆碎屑剖面的SEM图像处理及分形特征

3.2.1之上。扫描电镜图像处理

SEM图像能够反映应力条件下石膏晶体的介观形态和结构特征。本研究利用图像处理软件提取晶体轮廓，结合分形理论计算其分形维数。从而定量分析了两种梯度应力加载条件下的岩体破坏特征。

在本研究中，利用SEM方法获得了放大500倍、1500倍的SEM图像。然后，为了更清晰地观察和计算晶体分布特征，对每个编号样品在不同放大率下选取具有典型失效特征的图像。利用MATLAB软件对原始SEM图像进行编辑，提取晶体边缘轮廓。然后，去除图像中的无关信息，得到晶体轮廓图像。最后，为了便于计算，对图像进行二值化处理。具体操作选取局部部分梯度加载试验样品4号(放大倍数1500)为例。原始图像为灰度图像。而边界轮廓提取、去噪、二值化后，得到如下图像(图11）.

根据相同的方法处理剩余两组在不同放大倍数的测试中的图像，以便计算分形尺寸。

3.2.2。晶体轮廓分形维数的计算

用于分形尺寸的计算方法包括盒子计数方法，沙箱方法，区域半径方法和相关函数方法。在该实验研究中，应用了最常用的盒子计数方法，如图所示12．假设图中包含多个晶体，并有方形网格大小ε在轮廓曲线图像上覆盖，与统计网格中的轮廓线交叉的网格数量是N（ε）.

然后，通过缩小尺寸ε并再次计算与轮廓相交的网格数，发现为ε接近0时，分形维数可得:

它可以在（1）晶体分布的更密集是单元面积内的晶体轮廓线越多;此外，将涵盖更多盒子，而且D价值会更大。但在实际应用中，只能取有效边长，具体步骤如下。使用边长为512、256、128、…、2,1的方框来覆盖轮廓曲线图像，大小不同的方框，以及对应的方框数量N．因此，应根据最小二乘法拟合以下等式： 在哪里C=固定系数。

斜率D在线（2）是图像的分形尺寸值​​。然后，根据上述原理，相应的框尺寸分形程序可以写入MATLAB，以及LG的关系图N和lg (ε)可以在对数坐标系下绘制。数字13显示了梯度测试样品图像的分形尺寸图。图4中的拟合曲线的斜率为1.7555。因此，分形维数为1.7555。

通过图像处理，按照相同的方法计算出两种应力加载路径和放大倍数下晶体轮廓的分形维数，具体见表3.．

在目前的研究中，均匀的装载测试图像样品由A1，A2，A3，A1，A2和A3表示，并且梯度负载测试图像样品由B1，B2，B3，B1，B2和B3表示。为了消除多个因素的干扰并增加结果的准确性，从每个样品中选择三个不同的测量点，以计算平均值作为最终的计算结果。

可以在表格中看到3.，石膏晶体的轮廓具有明显的分形特征，分形尺寸范围为1至2。观察到分形尺寸越大，晶体越多，在一定范围内越多。这些结果表明晶体轮廓曲线的分形尺寸对晶体分布敏感。因此，通过不同的装载方法和采样位置获得的分形尺寸变化。

3.2.3。石膏晶体轮廓分形维数与岩爆破坏特征的关系

数字14为由表得到的样本分形维数均值的折线图3.根据不同的放大倍数。可以看出，当放大倍数为1500倍时，均匀加载试验得到的晶体轮廓的平均分形维数在1.58 ~ 1.64之间。同时，梯度加载试验得到的晶体轮廓的平均分形维数在1.74 ~ 1.80之间。当放大倍数为500倍时，均匀加载试验得到的晶粒轮廓平均分形维数在1.79 ~ 1.84之间，梯度加载试验得到的晶粒轮廓平均分形维数在1.86 ~ 1.96之间。因此，不难得出结论，在相同放大倍数下，梯度加载试样的分形维数大于均匀加载试样的分形维数。也就是说，剪切破坏碎屑块的晶体轮廓的分形维数大于劈裂破坏碎屑块的晶体轮廓的分形维数。

在目前的试验研究中，从冲击地压的破坏特征来看，确定了劈裂破坏主要发生在均布加载试验期间。结果表明，在拉伸应力的作用下，试样中的晶体被拉断。因此，晶体棱角变得明显，大部分晶体被发现是完整的。在梯度加载试验中，确定了剪切破坏为主要破坏形式。从试验结果可以看出，由于相对剪切滑移，碎屑截面沿运动方向产生了划痕，结晶方向也发生了变化。观察到，当晶面与剪切面之间存在一定的夹角时，晶体被挤压和切断。结果，边缘和角落被磨碎，导致粉末覆盖表面，碎屑部分变得致密。结果表明，梯度加载时晶体的致密性高于均匀加载时;因此，本研究证实了晶体轮廓的分形维数不仅可以反映碎屑截面晶体之间的紧密性，而且可以反映岩爆的破坏特征。

3.2.4。放大率对石膏晶体轮廓分形尺寸的影响

为了分析放大程度对石膏试件细观分形的影响，将图中数据进行对比14．比较结果表明，晶体轮廓的平均分形维数在1500左右x均匀加载条件下，放大倍数为1.58 ~ 1.1.64。晶体轮廓的平均分形维数在500x放大电平范围从1.79到1.84。因此，结果为500x放大倍数比1500年时的要大x放大的水平。在梯度加载条件下，晶体轮廓分形维数的平均值为1500x放大倍数为1.74 ~ 1.80，晶体轮廓分形维数平均值为500x放大电平的范围从1.86到1.96。因此，结果为500x放大倍率大于1500倍x放大。结果表明，随着放大倍数的增大，电子显微镜的扫描范围变小;观察到的晶体结构更加清晰;单位面积内的晶体数量减少，导致分形维数减少。

另外，点A2和B2用两条虚线平行于X-轴，如图所示14．虚线之间的距离表示两组测试在分形维数范围上的差异。在放大倍数为1500时，图中的虚线距离(14日)被确定为0.1069。放大因子500，图中的虚线距离14 (b)是0.0218。因此，由于0.1069大于0.0218，这表明，当扩增因子为1500时，两组试验组的分形尺寸范围内有明显的分化，以及由摇滚突发引起的不同故障特性可能更多容易明确地区分。

4.结论

在该实验研究中，SEM方法用于研究岩爆碎屑部分的脱模形态特征。为了解释观察到的差异，定性和定量地描述了在均匀负载和梯度负载条件下岩石类似材料的岩突裂缝剥离部分的脱裂叶片剥离部分的差异。本研究中绘制的主要结论如下。（1）研究发现，在两种梯度应力加载条件下，石膏试件的岩爆特性不同。均布加载试验中发生的岩爆(b= 0)，主要产生分裂故障。同时，当应力梯度系数b= 6)，发现在梯度加载试验中发生的岩爆主要产生剪切破坏。(2）标本的介观形态精确地反映了宏观故障。观察到膏药样品可以有效地反映在岩突发衰竭过程中发生的塑性变形过程。结果，通过组合两个梯度应力过程可以确定介观形态和宏观故障之间的关系。(3）岩屑断面的晶体轮廓具有分形特征，断面分形维数的不同反映了岩爆破碎的不同特征。在本研究岩爆试验过程中，以灰泥为岩石相似材料，确定在相同放大系数(500x或1500x)时，均匀分布试验中断裂破坏碎屑截面晶体轮廓的分形维数小于梯度试验中观察到的分形维数。即劈裂破坏模式的分形维数小于剪切破坏模式的分形维数。结果表明，随着放大倍数的增加，分形维数减小，晶体形态变得更加清晰。

数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

国家自然科学基金资助项目(no. 51504167, no. 51474159);武汉理工大学研究生创新基金资助项目(no. 51474159);高等学校博士点资助项目(编号:CX2018083);基金资助:国家自然科学基金资助项目(no. K201856, no. K201617);2017 - yb - 022)。

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