真三轴应力下微波辐照花岗岩在盘形切割器穿透过程中的破岩机制：实验与数值研究

《Engineering Failure Analysis》：Rock-breaking mechanism of microwave-irradiated granite during disc cutter penetration under true triaxial stress: Experimental and numerical investigations

　　

• 研究微波辅助碟形滚刀在真三轴应力条件下的穿透行为
• 建立COMSOL–PFC双向耦合框架，用于岩石热–力学响应模拟
• 量化中间主应力对裂纹扩展和破坏模式的影响
• 揭示应力依赖的微波致岩弱化机理转变

引言

随着全球能源需求的持续增长和浅部资源的加速枯竭，深部矿产资源开采、地热能利用和深部地下空间建设已成为保障能源安全和支撑可持续发展的战略重点[1]。在此过程中，坚硬岩石破碎是深部采矿、隧道掘进和地热钻探等能源工程领域普遍涉及的关键工序[2]。然而，深部岩体通常处于高地应力环境，其强度和完整性显著增强。这使得以钻爆法和机械切削为主导的传统破岩方法面临突出挑战，包括破碎效率低、刀具磨损严重和能耗高等问题，严重制约了深部能源开发的效率和经济收益[3]、[4]、[5]。在此背景下，微波辅助破岩凭借其选择性加热、非接触作业、环境友好和能量可控输送等优势，被认为是克服深部硬岩破碎瓶颈的重要技术途径[6]、[7]。如图1所示，微波辐照可预先对岩石进行处理，通过热损伤削弱其力学强度，从而有效降低后续TBM（盾构机）碟形滚刀的破岩阻力和能耗[3]、[8]。因此，理解微波诱导热弱化如何在后续机械破岩过程中与复杂的原位应力环境相互作用，对于将微波辅助开挖从实验室研究推广至深部地下工程至关重要。

已有研究已确立，微波辅助破岩的有效性源于电磁能的非均匀吸收及其所导致的热损伤。强微波吸收矿物相促进局部加热，而组成矿物之间介电和热性能的差异则产生非均匀的温度场和热应力场[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。在快速或循环微波辐照下，差异热膨胀和热冲击效应促进微裂纹萌生与累积，从而降低岩石完整性，为后续机械破碎提供有利条件。这些研究阐明了微波诱导弱化的电磁–热–力学基本机理，并为根据矿物学和介电特性选择微波参数提供了依据。

微波辅助机械破岩的实验研究主要在无围压条件下采用各种切削工具和开挖模式开展。使用碟形滚刀的全尺寸线性切削试验表明，较长微波辐照时间可以线性或指数方式降低法向力、滚切力和比能消耗[14]。锥形截齿切削硬岩也报道了类似趋势，尽管微波辅助对砂岩的效果优于玄武岩或花岗岩[15]。为模拟TBM刀具头工况，缩尺旋转切削试验和旋转微波辐照实验表明，更高的微波功率、更长的辐照时间和更快的辐照器旋转速度可增强岩石破碎并降低能耗[16]、[17]。在深部真三轴应力条件下，实验室研究和现场应用均表明，高功率微波预处理可提高机械破岩效率。虽然较高的原位应力限制了穿透深度，但这一影响可通过增大微波功率部分抵消[18]、[19]。其他研究表明，微波辐照降低了岩石破坏的初始应力阈值。在高应力条件下，微波诱导的岩屑剥落和密集微裂纹区可提高切削效率，表明微波辅助破岩在深部高应力环境中可能尤为有利[20]、[21]。该技术也已延伸至月球资源开采领域，其中多晶金刚石复合片（PDC）刀具以剪切破坏为主，在低推力下表现出最高的钻进效率[22]。

声发射（AE）监测作为一种无损方法，已广泛应用于岩石微裂纹萌生、扩展和演变的实时检测，并已大量应用于微波诱导岩石破碎研究[23]、[24]。此前研究已识别出微波辐照过程中不同的声发射阶段。在初始加热阶段，热应力逐渐累积并产生低能量声发射活动，其强度与岩石含水饱和度密切相关。随着温度升高，裂纹萌生与合并加速，声发射活动进入高度活跃阶段，其特征为事件频率和能量释放增加。由于能量耗竭或热平衡，系统可能进入衰减阶段[21]、[25]、[26]。含水饱和度强烈控制早期声发射活动，因为它增强了微波吸收，而蒸发和体积膨胀促进矿物晶格缺陷的形成。因此，静默阶段的声发射振铃计数随含水饱和度的增加而增大[25]、[26]。关于冷却阶段损伤的研究表明，微波诱导的花岗岩破碎主要由加热过程控制。虽然在自然冷却过程中声发射事件可能持续发生，但其能量极低，对宏观破碎贡献甚微[27]。多参数声发射分析，包括b值分析和RA–AF分析，为损伤演化和破坏机理提供了进一步见解。b值的急剧下降通常表明大裂纹合并和宏观破坏的开始[21]、[28]。RA–AF分析表明，微波诱导的破碎以拉伸为主导；然而，更高的微波功率和能量输入可促进矿物颗粒的剪切变形并增加剪切诱导微裂纹的比例[28]、[29]。声发射响应和破坏模式还受岩性、微波能量输送方式和应力状态的影响[20]、[30]、[31]、[32]、[33]。

数值模拟已成为解决微波辅助破岩过程中难以直接观测的多物理场和断裂过程的重要工具。有限元法（FEM）等连续介质方法适用于计算电磁场、温度场和热应力场，但在显式再现裂纹萌生和扩展方面存在局限性[3]、[34]。因此，非连续和耦合方法，包括SPH–FEM[35]、离散元法（DEM）[1]、[36]、4D-LSM[37]、离散形变分析（DDA）[38]，以及其他电磁–热–力学框架[39]、[40]，已被开发用于模拟微波处理后的渐进断裂和力学弱化。近期，通过Voronoi结构、图像重构和异质材料映射将矿物尺度非均质性纳入模型，研究表明矿物组成和空间分布强烈影响电磁能沉积、温度梯度和裂纹发展[41]、[42]、[43]。尽管如此，大多数现有数值研究仍聚焦于相对简化加载条件下的微波诱导热损伤或力学弱化。在真三轴应力下微波辅助碟形滚刀穿透过程中，实验监测的损伤演化与模拟裂纹发展之间的定量对比研究仍然稀缺。

尽管取得了这些进展，仍有若干问题尚未解决。首先，虽然微波辅助机械破岩已在无围压和高应力条件下得到验证，但中间主应力在控制碟形滚刀穿透阻力和岩石破碎中的作用尚未得到系统阐明。特别是，尚不清楚侧向围压的增加如何改变微波诱导预损伤与刀具诱导裂纹扩展之间的相互作用，从而驱动从拉伸劈裂到局部压缩–剪切破坏的转变。其次，真三轴应力下微波辅助刀具穿透过程中实验观测到的损伤演化与数值模拟裂纹发展之间的关系受到的关注有限。解决这些问题对于理解深部地下环境中微波辅助破岩的应力依赖有效性至关重要。

因此，本研究在不同中间主应力下，对微波辐照前后的花岗岩进行了真三轴碟形滚刀穿透试验。采用声发射监测表征损伤演化和破坏前兆，同时建立双向耦合的COMSOL–PFC框架，以再现微波诱导热损伤和后续刀具穿透过程。通过联合分析穿透阻力、声发射特征、能耗、应力场和裂纹演化，本研究旨在阐明微波诱导损伤如何与真三轴应力环境相互作用，以及这种相互作用如何控制破岩效率和破坏模式转变。研究结果为优化深部高应力硬岩中微波辅助TBM开挖提供了机理基础。

章节片段

试样制备

为了研究微波辐照花岗岩在真三轴应力条件下碟形滚刀穿透过程中的力学响应，本研究选用了采自中国山东省济宁市的花岗岩石样。该花岗岩呈灰白色，在宏观尺度上表现出显著的矿物学非均质性。它是一种坚硬、细粒岩石，平均密度为2613 kg/m3。X射线衍射（XRD）分析（图2a）显示，该花岗岩主要由……（原文截断）

法向力–穿透曲线、峰值强度和K值分析

图7展示了不同σ?条件下碟形滚刀穿透的试验和数值结果，包括微波辐照前后的法向力–穿透曲线、峰值法向力和K值。在穿透过程中，σ?和σ?方向的变形均保持在1 mm以下，远小于穿透方向的变形。因此，在后续分析中忽略了这些侧向变形。

如图7(a–d)所示，花岗岩……（原文截断）

加载过程演化分析

为了阐明不同应力环境下微波辅助碟形滚刀穿透的破岩机理，选取了两个具有代表性的中间主应力，σ? = 20 MPa和σ? = 60 MPa，进行详细分析。随后考察了穿透过程中位移、拉应力和剪应力场的演化以及微结构损伤的发展。切分位置如图14所示。

图15展示了……微波辐照前Z方向位移场的演化……（原文截断）

微波辐照花岗岩的热响应和损伤机理

花岗岩在微波辐照下的热响应源于交变电磁场与介电矿物微观极化行为之间的相互作用。当花岗岩暴露于微波场中时，在不同矿物相及其界面处发生电子位移、偶极极化、离子振动和界面极化。由于这些极化响应无法完全与快速……（原文截断）

结论

本研究采用真三轴碟形滚刀穿透试验、声发射监测和耦合的COMSOL–PFC数值模拟，研究了微波辐照花岗岩的力学响应和破坏机理。主要结论如下：

(1) 开发了一种双向COMSOL–PFC耦合框架，用于模拟真三轴应力下微波辅助碟形滚刀穿透。所预测的穿透力、K值、声发射响应和破坏特征与试验结果吻合良好……（原文截断）

CRediT作者贡献声明

李明旭：撰写–初稿、验证、软件、调查研究。
黄艳华：撰写–审稿与编辑、撰写–初稿、方法学、经费获取、概念构思。
杨升琪：撰写–审稿与编辑、方法学、调查研究。
杨硕：验证、方法学、调查研究。
卢桂林：验证、软件、调查研究。
孙博文：撰写–审稿与编辑、方法学。
王浩杰：软件、方法学、调查研究。
王静雯：验证、未引用参考文献[56]。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家重点研发计划（2022YFC2905700）资助。

李明旭 | 黄艳华 | 杨升琪 | 杨硕 | 卢桂林 | 孙博文 | 王浩杰 | 王静雯