白皎煤礦玄武巖巖爆破壞微觀裂紋特征分析

李德建，關(guān) 磊，韓立強(qiáng)，繆澄宇

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083;3.山東省地震局，山東 濟(jì)南 250014)

白皎煤礦玄武巖巖爆破壞微觀裂紋特征分析

李德建1,2，關(guān) 磊1,2，韓立強(qiáng)2,3，繆澄宇2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083;3.山東省地震局，山東 濟(jì)南 250014)

為研究煤礦中發(fā)生巖爆災(zāi)害機(jī)理和破壞特征，從巖爆破壞產(chǎn)生的巖石碎屑中微觀裂紋結(jié)構(gòu)特征入手，分析在巖爆實(shí)驗(yàn)過程中巖石樣品的極限應(yīng)力狀態(tài)與所產(chǎn)生的裂紋分形維數(shù)之間的關(guān)系。選取四川白皎煤礦巖爆高發(fā)區(qū)4個(gè)地點(diǎn)的8件玄武巖樣品，進(jìn)行兩種加卸載方式的巖爆實(shí)驗(yàn)，得到不同加卸載條件下產(chǎn)生的玄武巖巖爆碎屑，利用電子掃描顯微鏡觀察巖爆碎屑表面裂紋微觀結(jié)構(gòu)特征，拍攝適當(dāng)比例的巖爆裂紋電鏡掃描(SEM)圖片。通過圖片處理，提取巖爆碎屑SEM圖片微觀裂紋信息，計(jì)算巖爆微觀裂紋分形維數(shù)，結(jié)果表明兩種加卸載方式產(chǎn)生的巖爆碎屑微觀裂紋分形維數(shù)值明顯不同。分析巖爆破壞極限狀態(tài)下最大主應(yīng)力和第2主應(yīng)力比值與巖爆裂紋分形維數(shù)之間的關(guān)系，得出相應(yīng)的線性表達(dá)式，表明巖爆裂紋的分形維數(shù)與巖爆發(fā)生過程的應(yīng)力轉(zhuǎn)化過程關(guān)系密切。

玄武巖；巖爆；碎屑；裂紋；分形

巖石宏觀破壞是其內(nèi)部孔隙和裂紋等缺陷不斷萌生發(fā)育、擴(kuò)展、聚集和貫通的最終結(jié)果，這一從細(xì)觀損傷發(fā)展到宏觀破碎的過程是能量耗散過程。巖石從小尺度微斷裂到大尺度整體破壞的損傷發(fā)展是一個(gè)分形過程，其自身結(jié)構(gòu)演化所表現(xiàn)的幾何特征和物理力學(xué)性質(zhì)的數(shù)字特征，均呈現(xiàn)出一定的統(tǒng)計(jì)自相似性，巖石破壞產(chǎn)生的碎塊塊度分布的分形維數(shù)是巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)、加載方式及試樣形狀尺寸等因素的綜合反映[1]。

20世紀(jì)70年代，Mandelbrot[2]通過研究極不規(guī)則的幾何圖形，提出了分形的概念，為具有自相似性的不規(guī)則曲線和形狀等的研究提供了定量化的描述方法。謝和平等[3]利用分形理論研究巖石特性，主要集中在巖石斷口的分形維數(shù)特征，斷裂和巖爆分形特征及損傷和能量耗散的關(guān)系等。通過分形的數(shù)目-半徑關(guān)系考察已報(bào)道微震事件的位置分布，發(fā)現(xiàn)其有集聚(Cluster)分形結(jié)構(gòu)，指出盡管巖爆所經(jīng)歷的物理過程相當(dāng)復(fù)雜，但在數(shù)學(xué)上，它僅是一個(gè)分形集聚集合過程。謝和平等[4]還將分形理論引入巖石斷裂和破碎的研究中，包括巖石微觀斷裂、宏觀斷裂動(dòng)態(tài)擴(kuò)展以及巖體破碎塊度分布等。李廷芥等[5]分析了花崗巖單軸壓縮破壞電鏡掃描試驗(yàn)裂紋分維值與巖性和應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系，討論了裂紋分形維數(shù)變化與巖爆現(xiàn)象間的內(nèi)在聯(lián)系。王澤云[6]、Hiroyuki Nagahama[7]、王利[8]和單曉云[9]等，利用單軸壓縮、巴西劈裂、單軸拉伸實(shí)驗(yàn)得到的巖石碎屑，采用一定尺度范圍-數(shù)量關(guān)系計(jì)算分形維數(shù)，來研究巖石破壞損傷或能量耗散。許金余等[10]研究了加載速率對(duì)破碎碎塊分布的影響，建立了分形維數(shù)與巖石能量吸收比之間的關(guān)系。

巖爆是巖體工程中一種常見的破壞現(xiàn)象，在深部巖體工程中更為頻發(fā)。巖爆是工程巖體破壞時(shí)內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性能大量轉(zhuǎn)化為破壞動(dòng)能的過程，伴隨著能量的突然釋放，嚴(yán)重威脅人員的生命安全。巖石裂紋的發(fā)展對(duì)巖爆過程中能量耗散的變化有極大影響[6]，李德建等[11]利用高速攝影圖像研究了巖爆試件表面裂紋擴(kuò)展過程。巖爆現(xiàn)象發(fā)生的應(yīng)力條件、巖石物理力學(xué)性質(zhì)及能量消耗與巖爆產(chǎn)生的碎屑特征之間有著密不可分的關(guān)系，因此，研究巖爆碎屑特征可以為巖爆發(fā)生的能量機(jī)制及特征分析提供依據(jù)[12]。

本文利用巖爆實(shí)驗(yàn)得到白膠煤礦玄武巖碎屑，通過對(duì)巖爆后碎塊進(jìn)行SEM實(shí)驗(yàn)，提取碎屑表面裂紋信息，利用分形理論對(duì)巖爆破壞產(chǎn)生裂紋進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的分形維數(shù)，分析巖爆碎屑裂紋分形維數(shù)與加載方式及應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系，為巖爆發(fā)生機(jī)理研究以及巖爆災(zāi)害防治、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等提供參考。

1 玄武巖單軸、巖爆及SEM實(shí)驗(yàn)

選取四川白皎煤礦玄武巖樣品，在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行單軸及巖爆實(shí)驗(yàn)[13]，對(duì)巖爆產(chǎn)生的碎屑表面進(jìn)行(SEM)實(shí)驗(yàn)。

白皎煤礦位于四川省宜賓市珙縣巡場(chǎng)鎮(zhèn)南5 km。礦區(qū)巖層中斷層、褶曲和層滑構(gòu)造較多，雙向擠壓造成部分殘余的構(gòu)造應(yīng)力存儲(chǔ)于抗壓強(qiáng)度較高巖層中，形成了很高的水平構(gòu)造應(yīng)力，巷道開挖后，導(dǎo)致能量向巷道臨空面突然釋放，經(jīng)常發(fā)生巖爆。根據(jù)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力分布及原實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際埋深，確定采樣地點(diǎn)的地應(yīng)力取值，自重應(yīng)力為9 MPa，南北方向水平應(yīng)力為15.3 MPa，東西方向水平應(yīng)力為25.2 MPa。

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

玄武巖為深灰、灰綠色，部分具氣孔,杏仁狀構(gòu)造，致密堅(jiān)硬。經(jīng)X射線衍射實(shí)驗(yàn)分析，樣品全巖礦物中石英約占40%，斜長(zhǎng)石約占30%，輝石約占20%，黏土礦物占10%，主要礦物組成以石英晶體為主。所含黏土礦物以綠泥石為主，含量高達(dá)78%，綠蒙混層約為19%，此外還有少量的伊利石，約占3%。從現(xiàn)場(chǎng)采集的樣品，密封運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室后，加工成滿足實(shí)驗(yàn)要求的標(biāo)準(zhǔn)試件，單軸實(shí)驗(yàn)試件為圓柱形，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為φ50 mm×100 mm，巖爆實(shí)驗(yàn)試件為長(zhǎng)方柱形，基本尺寸為150 mm×60 mm×30 mm。

1.2 單軸實(shí)驗(yàn)

選取二水平膠帶下山、水倉(cāng)及運(yùn)輸大巷的玄武巖樣品各3件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，采用電液伺服微機(jī)控制巖石實(shí)驗(yàn)儀，以軸向變形0.001 mm/s的恒定速率加荷，自動(dòng)采集荷載和變形值，直至破壞。

玄武巖單軸實(shí)驗(yàn)主要結(jié)果見表1。圓柱形試件的破壞形式均以豎向張裂破壞為主，膠帶下山(P)、水倉(cāng)(S)及運(yùn)輸大巷(H)等3個(gè)不同地點(diǎn)的巖樣抗壓強(qiáng)度存在較為明顯的差異，平均值分別為175.0，202.0及99.7 MPa，運(yùn)輸大巷樣品較膠帶下山和水倉(cāng)兩個(gè)地點(diǎn)樣品強(qiáng)度明顯偏低。

表1單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果
Table1Resultsofbasaltspecimensinuniaxialexperiments

組別試樣編號(hào)密度/(g·cm-3)縱波波速/(m·s-1)抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa泊松比膠帶下山FRUCP12 965763185 043 60 17FRUCP22 955738167 036 30 17FRUCP32 954793172 041 10 19平均2 955431175 040 30 18水倉(cāng)FRUCS12 955665209 073 70 20FRUCS22 975867197 060 10 22FRUCS32 975885201 066 30 61平均2 965805202 066 70 34運(yùn)輸大巷FRUCH12 95541197 160 00 65FRUCH22 92575792 867 10 17FRUCH32 955797109 086 00 25平均2 94565599 771 00 36

1.3 巖爆實(shí)驗(yàn)

1.3.1巖爆實(shí)驗(yàn)加載方式及破壞特征

采用兩種應(yīng)力加卸載方式對(duì)3個(gè)采樣地點(diǎn)的8件玄武巖樣品進(jìn)行巖爆實(shí)驗(yàn)，記錄巖爆實(shí)驗(yàn)過程中的圖像、聲發(fā)射等信息，分析試件破壞特征。

(1)加載方式1：加載—卸載—加集中應(yīng)力。對(duì)長(zhǎng)方柱試件的6個(gè)表面沿豎直方向和2個(gè)水平方向同時(shí)加載，然后卸載一水平方向應(yīng)力，保持另一水平方向的應(yīng)力不變，按集中系數(shù)增大豎直方向應(yīng)力，模擬滯后巖爆。經(jīng)過幾次加載-卸載后，發(fā)生巖爆破壞時(shí)在試樣卸載臨空面發(fā)生爆裂，形成爆坑，巖爆碎屑從試件表面飛出。試件沒有卸載的水平方向兩側(cè)形成從上到下貫通的豎向裂紋，且在底部清晰可見沿試件寬度方向貫通。試件破壞后的照片如圖1所示。

(2)加載方式2：加載—卸載—保持。對(duì)試件在3個(gè)方向上同時(shí)加載，后卸載一水平方向應(yīng)力，保持其他方向的應(yīng)力不變，模擬產(chǎn)生瞬時(shí)巖爆的可能性。宏觀觀察所見破壞特征與加載方式1基本一致，沒有明顯差異。試件破壞后的照片如圖2所示。

圖1 加載方式1試件巖爆實(shí)驗(yàn)后的照片F(xiàn)ig.1 Photos of specimens after rockburst in loading way 1

1.3.2巖爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果

巖爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。膠帶下山和水倉(cāng)4個(gè)樣品的單軸實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度高，其相應(yīng)的最大破壞主應(yīng)力較大巷的4個(gè)樣品也高。從試件破壞情況看，玄武巖巖爆破壞時(shí)具有脆性巖石巖爆破壞的典型特征，即產(chǎn)生爆坑和豎向裂紋，具有巖爆破壞中常見的板狀裂化特征[14]，兩種加載方式產(chǎn)生的巖爆碎屑宏觀上觀察沒有明顯差異。

1.4 巖爆碎屑SEM實(shí)驗(yàn)

為了系統(tǒng)進(jìn)行巖爆碎屑分析，何滿潮等[15]將巖爆碎屑按粒徑大小分為粗粒碎屑(粒徑>30 mm)、中粒碎屑(5～30 mm)、細(xì)粒碎屑(0.075～5.000 mm)和微粒碎屑(<0.075 mm) 4個(gè)粒組。本文選取白皎煤礦玄武巖巖爆破壞后的中粒碎屑組進(jìn)行SEM實(shí)驗(yàn)，巖爆碎屑尺寸為10 mm×10 mm×5 mm左右，利用電子顯微鏡按以下步驟觀察裂紋情況:

圖2 加載方式2試件巖爆實(shí)驗(yàn)后的照片F(xiàn)ig.2 Photos of specimens after rockburst in loading way 2

表2 巖爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of basalt specimens in rockburst experiments

(1)對(duì)所選取的樣品進(jìn)行編號(hào)，確定巖爆破壞后的剝離面為觀察面，進(jìn)行拍照，記錄表面信息，包括礦物成分、顏色、可見裂紋情況等。

(2)在掃描電鏡上進(jìn)行不同部位及不同放大倍數(shù)的觀察。對(duì)每一待觀察樣品，先放大50倍左右，然后選擇局部區(qū)域進(jìn)一步放大觀察，并拍攝照片。為方便統(tǒng)計(jì)，拍攝過程中必須有放大100，300，500及1 000倍的圖片。

(3)進(jìn)一步觀察100～1 000倍的圖片，記錄相應(yīng)礦物成分，拍攝典型圖片，觀察裂紋的形態(tài)、規(guī)模(包括長(zhǎng)度、寬度)、密度，分析巖石裂紋的形態(tài)、特征尺寸等斷口形貌信息，通?？梢詫r石微觀斷裂分為穿晶斷裂、沿晶斷裂及沿晶穿晶耦合斷裂[4]。

(4)對(duì)于有代表性的裂紋，必要時(shí)可以拍攝放大1 000～5 000倍范圍內(nèi)的局部圖片，以便在不同放大倍數(shù)下分析裂紋開裂的細(xì)節(jié)特征。

利用上述方法，對(duì)8個(gè)巖爆試樣產(chǎn)生的碎屑進(jìn)行了SEM實(shí)驗(yàn)。

2 巖爆碎屑微觀裂紋分形分析

2.1 微觀裂紋處理

利用Photoshop等圖像處理軟件進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)化和處理。SEM圖像是灰度圖像，對(duì)灰度圖像在圖片處理工具條中利用亮度和對(duì)比度進(jìn)行調(diào)整，保留圖像中所關(guān)心的裂紋部分信息，并轉(zhuǎn)化成二值圖，得到只有黑白兩種顏色信息的裂紋圖片。圖3為SEM圖片處理過程，原始SEM灰度圖像圖3(a)經(jīng)過亮度和對(duì)比度調(diào)整后得到圖片圖3(b)，圖3(c)是去除某些不關(guān)心的信息，保留所關(guān)心裂紋信息圖像，圖3(d)是處理后的裂紋圖片。

對(duì)巖爆碎屑SEM實(shí)驗(yàn)獲得的32幅圖片進(jìn)行裂紋信息提取后得到的裂紋圖片如圖4，5所示，圖中數(shù)字為相應(yīng)圖片的裂紋分形維數(shù)。

2.2 裂紋分形維數(shù)計(jì)算

巖爆裂紋分形維數(shù)的測(cè)量采用盒維數(shù)法[16]，數(shù)字圖像的盒維數(shù)計(jì)算是從數(shù)學(xué)角度分析圖像展示的二維形態(tài)信息，一般用于裂隙網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜線狀物的自相似性分析，可以利用覆蓋法計(jì)算裂紋的分形維數(shù)[17]。

覆蓋法是分形計(jì)算中使用最廣泛的方法之一，它不要求分形具有嚴(yán)格的幾何相似性。將圖像F劃分為邊長(zhǎng)為δk的網(wǎng)格，后計(jì)算出覆蓋除圖像區(qū)域的網(wǎng)格個(gè)數(shù)Nδk(F)。若F具有分形特征，可根據(jù)式(1)計(jì)算出巖爆裂紋圖像的分形維數(shù)[18]。

圖3 SEM圖像裂紋信息提取處理過程Fig.3 Crack information extraction process of SEM photos

圖5 加載方式2獲得玄武巖巖爆碎屑裂紋圖片F(xiàn)ig.5 Crack photos of fragment after rockburst in loading way 2

(1)

基于以上原理，對(duì)處理后的巖爆裂紋二值信息圖像(裂紋)采用盒維數(shù)法計(jì)算分形維數(shù)。利用Matlab平臺(tái)編寫了盒維數(shù)計(jì)算程序[19]。

電鏡掃描得到的SEM圖片為768×648像素點(diǎn)，為了避免數(shù)字圖像網(wǎng)格“畸變”，等分時(shí)需要圖像的寬和高相等，取二等分來生成δk序列。故在同一張SEM圖片中選擇512×512像素檢測(cè)區(qū)域，產(chǎn)生邊長(zhǎng)序列為512，256，…，2，1的正方形(盒子)去覆蓋選定的SEM圖片區(qū)域，統(tǒng)計(jì)不同尺度(盒子大小d)下覆蓋含裂紋圖像的正方形數(shù)量(盒子數(shù)量N)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果將一系列“盒子大小”d的倒數(shù)和相應(yīng)的“盒子數(shù)量”N繪制在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，得到lnN～ln(1/d)的關(guān)系，按線性關(guān)系擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)得到的直線斜率即為裂紋圖像的分形維數(shù)D。每張圖片選取3～4次像素檢測(cè)區(qū)，以平均圖像不同部位的差異。

圖6為圖3中巖爆碎屑裂紋圖片經(jīng)裂紋信息提取得到的擬合直線及斜率，計(jì)算出的分形維數(shù)為1.093。

圖6 盒維數(shù)法分形維數(shù)計(jì)算Fig.6 Fractal dimension calculation in box counting

圖7為加載方式1和2獲得的巖爆碎屑裂紋圖像分析得到的尺度倒數(shù)和數(shù)量的雙對(duì)數(shù)曲線，即lnN-ln(1/d)關(guān)系曲線。

圖7 巖爆碎屑表面微裂紋分形關(guān)系曲線Fig.7 Fractal dimension of microcrack on rock pieces

從圖7可以看出，同一組試件，即同一種加載方式得到的裂紋分形關(guān)系曲線具有比較好的一致性，且兩組試件的計(jì)算結(jié)果存在明顯的差異，巖爆碎屑裂紋的分形維數(shù)能夠在某種程度上反映加載方式等巖爆破壞條件的影響。

巖爆碎屑裂紋圖像的分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果及裂紋特征(是否可見穿晶裂紋)見表3，分形維數(shù)的計(jì)算結(jié)果同時(shí)標(biāo)注于圖4和5中。從SEM圖片可以看到，巖爆碎屑中存在大量的穿晶裂紋，而單軸破壞過程中的裂紋擴(kuò)展是沿晶界為主的，只有小部分穿晶而過[5]，這與巖爆破壞時(shí)能量釋放率大、破壞更為猛烈的現(xiàn)象吻合。兩種加載方式的巖爆碎屑SEM圖片中可見穿晶裂紋圖片占全部裂紋分析圖片的比例分別為69%和81%，沒有形成明顯差異。

2.3 微觀裂紋分形特征

圖8為巖爆碎屑裂紋的分形維數(shù)，加載方式1的玄武巖巖爆碎屑分維數(shù)分布在1.3～1.6，平均值為1.45。加載方式2的玄武巖巖爆碎屑分維數(shù)分布在1.1～1.4，平均值為1.27。加載方式1產(chǎn)生的巖爆碎片裂紋分形維數(shù)大于加載方式2的相應(yīng)數(shù)值。

表3玄武巖巖爆碎片表面裂紋分形維數(shù)
Table3Fractaldimensionofsurfacecrackonrockpieces

加載方式試件編號(hào)應(yīng)力比值裂紋分形維數(shù)圖片1圖片2圖片3圖片4平均值1FRRBP13 741 419?1 566?1 4931 5211 500FRRBS13 431 3821 607?1 366?1 4181 443FRRBD13 181 291?1 3341 491?1 351?1 367FRRBX12 791 537?1 439?1 521?1 472?1 4922FRRBP22 541 391?1 093?1 286?1 2211 248FRRBS22 531 213?1 3971 395?1 2901 324FRRBD22 341 335?1 376?1 097?1 267?1 269FRRBX22 121 315?1 063?1 283?1 297?1 240

注：*表示可見穿晶裂紋。

圖8 玄武巖巖爆碎片的分形維數(shù)Fig.8 Fractal dimension of fragment in basalt rockburst

根據(jù)分形維數(shù)的物理意義，分形維數(shù)越大表示裂紋越曲折或者寬度越大，開裂發(fā)展時(shí)需要的能量越多，產(chǎn)生碎屑的破碎程度越高。加載方式1的應(yīng)力變化較加載方式2更容易產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的破壞，巖爆破壞后室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)碎塊及裂紋的分形維數(shù)值與巖爆破壞過程的應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系密切，可以為巖爆發(fā)生機(jī)理研究提供依據(jù)。

圖9為發(fā)生巖爆破壞的極限應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力比值(簡(jiǎn)稱應(yīng)力比值)與碎屑裂紋分形維數(shù)之間的關(guān)系曲線,可表示為

(2)

圖9 應(yīng)力比值與巖爆裂紋分形維數(shù)關(guān)系Fig.9 Relationship between the ration of stress and the fractal dimension of rockburst crack

從總體趨勢(shì)看，巖爆破壞時(shí)的極限應(yīng)力狀態(tài)最大主應(yīng)力σ1與第2主應(yīng)力σ2比值越大，破壞時(shí)兩個(gè)加載方向的應(yīng)力差越大，產(chǎn)生巖爆碎屑裂紋分形維數(shù)D也越大，巖爆碎屑微觀裂紋的分形維數(shù)與巖爆破壞的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。

3 結(jié) 論

(1)白皎煤礦玄武巖在不同加卸載方式巖爆實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的巖爆碎屑宏觀上沒有明顯差異，但SEM圖片觀察到的微觀裂紋分形維數(shù)明顯不同。

(2)白皎煤礦玄武巖在不同加載方式下產(chǎn)生巖爆破壞過程中的極限狀態(tài)最大主應(yīng)力與第2主應(yīng)力的比值與巖爆碎屑裂紋分形維數(shù)之間呈線性關(guān)系。

(3) “加載—卸載—應(yīng)力集中”條件下，巖爆破壞前為加載階段，應(yīng)力以一定的速率變化，較“加載—卸載—應(yīng)力保持”條件下發(fā)生的巖爆破壞發(fā)展更快，形成的巖爆裂紋的分形維數(shù)值更大，分形維數(shù)與破壞能量及裂紋擴(kuò)展過程關(guān)系密切，有待進(jìn)一步研究。

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Analysisofmicro-crackcharacteristicsfromrockburstfailureofbasaltinBaijiaoCoalMinecontent

LI De-jian1,2，GUAN Lei1,2，HAN Li-qiang2,3，MIAO Cheng-yu2

(1.StateKeyLaboratoryforGeoMechanicsandDeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China;2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China;3.SeismologicalBureauofShandongProvince,Jinan250014,China)

This study intends to learn more about the mechanism and feature of rockburst disaster in coal mines from the perspective of micro-cracks observed in the fragments from the laboratory rockburst tests,i.e.,the relationship between the fractal dimensions of the micro-cracks and the corresponding failure stress state from each of the tests.Two types of loading-unloading methods were applied in the laboratory rockburst tests on 8 basalt specimens from 4 locations of Baijiao Coal Mine,where rockburst happened frequently.Scanning Electron Microscope(SEM) technique was used to capture the images of micro-cracks with proper scales,and the fractal dimensions of the micro-cracks were calculated based on the digital information from the images.The results show an obvious difference in the fractal dimensions of the micro-cracks from the tests with two different loading-unloading methods.The relationship between the fractal dimensions of micro-cracks and the ratio of the maximum to the intermediate principal stress(σ1/σ2) at failure was analyzed,and the corresponding quantitative linear formula was obtained,exhibiting a closely correlated relationship between the fractal dimensions of micro-cracks and the process of stress conversion during rockburst.

basalt;rockburst;fragment;cracks;fractal

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2013

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB226800)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT0656)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(00-800015I2)

李德建(1966—)，男，河北徐水人，副教授。Tel：010-51733713，E-mail:lidj@cumtb.edu.cn

TD315

A

0253-9993(2014)02-0307-08

李德建，關(guān) 磊，韓立強(qiáng)，等.白皎煤礦玄武巖巖爆破壞微觀裂紋特征分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(2):307-314.

Li Dejian,Guan Lei,Han Liqiang,et al.Analysis of micro-crack characteristics from rockburst failure of basalt in Baijiao Coal Mine content[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):307-314.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2013