杨成祥, 陈祥艳, 周建华
东北大学 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2021-10-21
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51839003)。
作者简介：杨成祥(1973-), 男, 安徽芜湖人, 东北大学教授，博士生导师。

摘要：以深部三种不同的蚀变岩为研究对象, 利用真三轴加载系统和声发射监测系统, 对岩样进行加载试验和声发射监测试验, 对三种蚀变岩的变形、强度、破裂演化过程及微观破坏机制进行分析.试验结果表明: 受动力变质作用和蚀变作用影响, 三种蚀变岩的力学性质有较大差异.蚀变后产生方解石含量高的岩样脆性大, 破坏过程最剧烈, 弹性能释放最快; 遭受严重动力变质作用和发生碳酸盐化蚀变都会降低蚀变岩的强度, 且其抵抗和容纳变形的能力较弱, 岩石容易破坏; 蚀变产物中白云石含量高会导致蚀变岩主裂纹扩展方向发生偏转.
关键词：真三轴压缩蚀变岩声发射破裂过程
Mechanical Properties of Deep Buried Altered Hard Rock Under True Triaxial Compression in Sanshandao Gold Mine
YANG Cheng-xiang, CHEN Xiang-yan, ZHOU Jian-hua
Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: YANG Cheng-xiang, professor, E-mail: irm@mail.neu.edu.cn.

Abstract: The triaxial loading tests and the acoustic emission monitoring tests were carried out three types of altered rocks buried in the depth by using the true triaxial loading system and the acoustic emission monitoring system. The deformation, strength, crack evolution process and microscopic failure mechanism of the altered rocks were analyzed. The experimental results show that the mechanical properties of the three types of altered rocks are quite different due to the influence of the dynamic metamorphism and alteration. After alteration, rock sample with high calcite content becomes brittle, and the failure process is severe accompanied by fast release of elastic energy. The strength of the altered rock suffered from severe dynamic metamorphism and carbonate alteration can be reduced, so its ability to resist deformation is weakened and being vulnerable to be damaged.High content of dolomite in the alteration products can lead to the deflection of crack propagation.
Key words: true triaxialcompressionaltered rockacoustic emission (AE)rupture process
蚀变是指岩石在气水热液及其他条件的影响下, 经过一系列复杂的物理化学变化, 使原岩的矿物成分、结构构造发生改变而形成新的矿物组合的过程^[1-3].三山岛金矿是典型的蚀变岩型金矿床, 该矿现已进入千米级深部开采阶段, 围岩基本为蚀变岩石.蚀变作用会使原岩的力学特性发生改变, 并且由于不同蚀变类型之间的差异性, 岩体力学性质会有较大的不均匀性^[4].蚀变围岩的力学特性对工程的安全与稳定有重要影响, 因此对蚀变岩的变形、强度和破裂过程进行研究, 对认识岩体的失稳破坏机制有重要意义.
针对蚀变岩的力学性质, 国内外****采用不同方法进行了大量研究, 取得了丰富的成果.杨根兰^[5]对小湾水电站的蚀变岩进行单轴压缩和常规三轴压缩试验, 研究结果表明抗压强度、抗剪强度均随蚀变程度的增加而降低.在蚀变类型对蚀变岩强度的影响方面, 郭健等^[6]进行了物理试验和现场点荷载试验研究, 其结果表明绿泥石化蚀变相较于其他类型蚀变对岩样强度的影响更大; 绢云母化蚀变对岩体强度影响较小; 碳酸盐化蚀变往往与其他蚀变类型相伴生, 对岩体强度有较大影响.Tu等^[7]研究表明蒙脱石化蚀变能明显弱化岩样的强度.在蚀变岩变形性质研究方面, 苗朝等^[8]研究表明绿泥石化蚀变岩的变形模量较低, 其应力-应变曲线呈下凹型, 塑性变形特征较明显.王振^[9]分别对不同工程中黏土化蚀变岩进行变形试验, 研究表明蚀变程度越大或黏土矿物含量越多, 塑性变形就越明显.
上述研究增加了人们对不同蚀变岩强度与变形性质的认识，但这些研究采用的试验手段主要是点荷载试验、单轴压缩试验以及常规三轴压缩试验等, 对于真三轴试验则研究较少, 并且缺乏对蚀变岩的破裂演化过程及微观破坏机制的研究.此外, 常规三轴试验无法模拟深部蚀变岩体所处的实际应力状态.
本文利用真三轴试验系统对三种不同蚀变岩进行真三轴压缩试验, 并通过声发射监测系统监测岩样加载过程中的声发射参数, 分析真三轴压缩下三种蚀变岩的变形、强度、破裂演化特征及微观破坏机制.试验结果对于进一步认识工程现场深部蚀变岩的塌方、岩爆等灾害的形成机制有指导意义.
1 试验概述1.1 试样制备试验所用蚀变岩取自三山岛金矿井下800 m深处, 从三个不同位置取得三块蚀变岩.将三块蚀变岩分别标号A，B，C以代表三种不同的蚀变岩.对三块蚀变岩分别进行偏光显微观察及XRD试验, 蚀变岩薄片鉴定结果见表 1, 蚀变岩矿物组成见表 2, 偏光显微观察结果见图 1.可知三块蚀变岩的原岩都是花岗岩, 但是三块蚀变岩的矿物含量及蚀变类型有差异.蚀变岩A发生轻微绢云母化蚀变，生成一些微粒石英，并且有部分长石被交代成少量方解石; 蚀变岩B中的长石主要发生绢云母化蚀变, 形成颗粒细小的矿物集合体, 部分长石经碳酸盐化蚀变析出方解石, 同时有部分黑云母发生白云母化蚀变; 蚀变岩C中的长石主要发生绢云母化和碳酸盐化蚀变, 析出颗粒较大的白云石和少量方解石.
表 1(Table 1)

表 1 蚀变岩薄片鉴定结果Table 1 Results of thin section identification of altered rock 蚀变岩种类 结构构造 主要矿物粒径/mm 遭受动力变质作用程度 A 糜棱岩化结构、块状构造 0.1~2.5 较轻 B 变余花岗结构、块状构造 1~2.5 较轻 C 变余花岗结构、弱定向构造 1~4 严重

表 1 蚀变岩薄片鉴定结果 Table 1 Results of thin section identification of altered rock

表 2(Table 2)

表 2 蚀变岩的矿物组成(质量分数)Table 2 Mineral composition of altered rocks(mass fraction)?? % 蚀变岩种类 石英 钾长石 斜长石 方解石 菱铁矿 黏土矿物 黑云母 A 20 21 47 6 1 0 5 B 23 14 36 12 2 3 10 C 19 20 36 5 2 3 15

表 2 蚀变岩的矿物组成(质量分数) Table 2 Mineral composition of altered rocks(mass fraction)??

图 1(Fig. 1)

图 1 蚀变岩偏光显微观察结果Fig.1 Microscopic observation results of polarized light of altered rock (a)—蚀变岩A；(b)—蚀变岩B；(c)—蚀变岩C.

蚀变岩试样加工按照国际岩石力学学会建议的IRTM方法进行, 为减小试验结果的离散性, 每块蚀变岩的试样取样方向保持一致, 试样加工规格为50 mm×50 mm×100 mm的标准样, 岩样的平整度公差控制在±0.01 mm, 垂直度偏差不超过0.02 mm, 加工好的蚀变岩见图 2.对加工好的蚀变岩试样进行密度、波速等基本物理参数测量, 将离散试样剔除.三种蚀变岩试样的基本物理参数见表 3.
图 2(Fig. 2)

图 2 蚀变岩试样Fig.2 Altered rock sample (a)—蚀变岩A；(b)—蚀变岩B；(c)—蚀变岩C.

表 3(Table 3)

表 3 蚀变岩试样基本物理参数Table 3 Basic physical parameters of rock samples 试样编号 长度/mm 宽度/mm 高度/mm 密度/(g·cm-3) 纵波波速/(m·s-1) A1 50.08 50.10 100.02 2.62 5 506.23 A2 50.04 50.03 100.00 2.61 5 560.00 A3 50.02 50.05 100.01 2.62 5 487.00 B1 50.10 49.99 100.05 2.60 5 447.88 B2 50.11 50.10 100.01 2.63 5 445.20 B3 50.09 50.07 99.98 2.60 5 400.50 C1 50.07 50.05 100.08 2.63 5 388.07 C2 50.00 50.04 100.01 2.62 5 360.20 C3 49.99 50.01 100.02 2.62 5 280.50

表 3 蚀变岩试样基本物理参数 Table 3 Basic physical parameters of rock samples

1.2 试验设备及方法本文的真三轴加载试验在东北大学自主研发的硬岩真三轴试验系统^[10-12]上进行, 该试验系统能捕获硬岩在加卸载过程中的全应力-应变曲线, 最大主应力(σ₁)和中间主应力(σ₂)的加载由液压驱动活塞实现, 最小主应力(σ₃)的加载由真三轴围压室中的油压施加.试验中所用声发射监测系统为PAC的Disp Acoustic Emission Workstation, 该系统由60个通道组成, 信号幅度最大可达到100 dB, 频带宽为1~400 kHz.硬岩真三轴试验系统和声发射系统如图 3所示.
图 3(Fig. 3)

图 3 硬岩真三轴试验系统和声发射系统Fig.3 Hard rock true triaxial test system and acoustic emission system

每个声发射试验采用8个高频传感器同时采集信号, 并且用密封胶将其固定在岩样表面, 图 4为声发射传感器布置方式.把试样与传感器接触面涂抹耦合剂, 确保传感器可以有效接收声发射信号.为降低环境噪音的干扰, 将声发射监测门槛值设置在45 dB.在试验过程中, 始终保证真三轴加载系统和声发射监测系统在时间上的同步.
图 4(Fig. 4)

图 4 声发射传感器布置Fig.4 Acoustic emission sensor layout

真三轴加载试验的加载过程大体可以分为三个阶段: 首先利用压力室的油压以应力控制的方式和0.5 MPa/s的加载速率将三个主应力同时加载到预先设定的最小主应力水平(σ₁=σ₂=σ₃); 然后保持σ₃不变, 利用水平、竖直加载框架的作动器以双轴加载的方式和0.5 MPa/s的速率将σ₁和σ₂同时加载至预先设定的σ₂水平; 最后保持σ₂和σ₃不变, 利用水平加载框架的作动器以0.5 MPa/s的速率加载σ₁, 当σ₁接近试样的裂纹损伤应力σ_d时, 把由应力控制改为应变控制从而获得岩样的全应力-应变曲线, 应变控制的速率为0.015 mm/min, 一直加载到试验结束.依据三山岛金矿现场提供的地应力水平, 确定三种蚀变岩试验的加载应力水平均为σ₂=23 MPa, σ₃=10 MPa, 每种蚀变岩进行三个重复性试验.
2 三种蚀变岩的力学性质2.1 三种不同蚀变岩的强度和变形特性选取试样A1，B2及C3试验结果进行详细分析.图 5为不同蚀变岩在真三轴压缩作用下的应力-应变全过程曲线.表 4为三种蚀变岩的特征应力.
图 5(Fig. 5)

图 5 真三轴压缩下不同蚀变岩的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of different altered rocks under true triaxial compression

表 4(Table 4)

表 4 不同蚀变岩的特征应力Table 4 Characteristic stresses of different altered rocks 试样 编号 起裂应力 σci/MPa 损伤应力 σcd/MPa 峰值强度 σp/MPa 残余强度 σr/MPa A1 194.00 279.26 285.20 104.00 B2 162.00 243.70 243.70 63.50 C3 134.60 211.24 219.00 83.30

表 4 不同蚀变岩的特征应力 Table 4 Characteristic stresses of different altered rocks

1) 由图 5可知, 三种蚀变岩的塑性变形均不明显, 都主要表现为脆性.根据相关研究中计算真三轴加载条件下岩石脆性指数的公式^[13], 算得三个蚀变岩试样A1，B2和C3的脆性指数分别为0.37, 0.31, 0.40, 可知试样B2的脆性最大.由薄片鉴定可知, 与蚀变岩A和蚀变岩C相比, 蚀变岩B由蚀变产生的方解石含量最高, 而方解石节理较发育, 脆性较大, 因此三种蚀变岩的脆性差异可能是受蚀变作用产生的脆性矿物含量的影响.
2) 由表 4可知蚀变岩三个试样的峰值强度是逐渐降低的.由岩样的薄片鉴定结果可知, 三种蚀变岩都曾遭受动力变质作用, 但蚀变岩A, B的动力变质作用较弱, 矿物颗粒排列受挤压影响较小, 蚀变岩C曾遭受严重动力变质作用, 矿物颗粒被挤压, 石英多呈定向拉长状或弯曲带状, 而且岩石中还发育有显微裂隙.同时, 蚀变岩C因发生碳酸盐化蚀变析出较多白云石, 白云石具有多孔性, 会弱化岩石的强度.因此, 蚀变岩C的强度最低与遭受严重动力变质作用和蚀变产生白云石有关.方解石强度较低, 而蚀变岩B由蚀变产生的方解石含量最高.此外, 蚀变岩B的黑云母含量要比蚀变岩A高5 %, 并且有研究表明黑云母含量对岩石力学性质有显著影响^[14], 但此处有部分黑云母发生白云母化蚀变, 而白云母的强度要高于黑云母.这说明方解石含量高是导致试样B2峰值强度比试样A1峰值强度降低的主要原因.
根据相关研究求得三种蚀变岩在真三轴加载条件下的起裂应力(σ_ci)和损伤应力(σ_cd)^[15-16].试样A1，B2，C3的起裂应力分别是其峰值应力的68 %, 66.5 %, 61.5 %, 可见试样C3起裂最早, 这是因为蚀变岩C由碳酸盐化蚀变析出的白云石颗粒大且分布不均, 造成试样内部应力场分布不均匀, 更容易产生应力集中, 使该试样最先产生开裂破坏.而蚀变岩A，B中的矿物粒径相对较小且分布更加均匀, 使试样的破坏得到延迟.此外, 试样B2的损伤应力等于峰值应力, 一般情况下, 岩石损伤应力是低于峰值应力的^[17-18], 因此试样B2的这种情况可能是脆性最大导致的.
2.2 三种不同蚀变岩的破裂演化过程研究岩石的变形破坏过程中伴随着能量的储存、耗散和释放.因此, 本文将岩石的声发射与能量相结合, 研究三种不同蚀变岩在真三轴加载条件下的破裂演化过程.图 6为不同蚀变类型蚀变岩在真三轴压缩下的应力(σ₁-σ₃)、AE计数率、AE累计计数率的时程曲线以及分别与之对应的应力(σ₁-σ₃)、总应变能U、弹性应变能U^e和耗散能U^d的演化过程曲线.
图 6(Fig. 6)

图 6 不同蚀变岩的声发射和能量演化过程Fig.6 Acoustic emission and energy evolution of different altered rocks (a)—试样A1加载过程的声发射特征曲线(左)和能量演化曲线(右)；(b)—试样B2加载过程的声发射特征曲线(左)和能量演化曲线(右)；(c)—试样C3加载过程的声发射特征曲线(左)和能量演化曲线(右).

1) 在初始压密阶段和弹性变形阶段, 三种蚀变岩声发射信号都较稀少, AE计数率也比较小.试样A1，C3从裂纹稳定破裂阶段开始声发射活动有所增加, AE计数率也逐渐增加, 试样A1在裂纹非稳定破裂阶段出现AE计数率的峰值, 与之对应的AE累计计数曲线也有一小段突增, 这可能是有大裂纹扩展导致的.试样A1，C3的AE累计计数和耗散能曲线在峰后破坏阶段都是呈缓慢增加的趋势.
2) 与试样A1，C3不同, 试样B2在进入裂纹稳定破裂阶段以后, AE计数由较小值突增到较大值且不断增加至峰值, 在峰值应力前后出现聚集性高峰, 相应地AE累计计数曲线和耗散能曲线迅速抬升.同时, 试样B2的弹性应变能曲线在峰后破坏阶段迅速降低.此外, 试样B2最大AE计数的量值要远远大于试样A1，C3的量值.这表明试样B2的破坏过程与试样A1，C3完全不同, 试样B2在峰值应力附近有大量微裂纹迅速扩展贯通成宏观破坏面, 发生了集中性的破坏, 瞬间有大量弹性能释放, 导致弹性应变能曲线快速下降.试样A1和C3的破坏是逐渐发展形成的, 而不是突然一次性的.这也与前文中对三种蚀变岩的脆性的分析相对应, 试样B2脆性最大, 弹性能释放最快, 破坏最剧烈, 而试样A1和C3脆性小, 弹性能释放慢, 破坏过程缓慢.
3) 试样A1的峰值弹性应变能最高, 试样C3的最低.这是因为试样A1强度最高, 岩样整体较硬, 岩样抵抗和容纳变形的能力较强，从而该岩样储存弹性应变能的能力也较强. 试样C3受动力变质作用和蚀变作用影响大, 岩样内矿物颗粒受挤压且发育有显微裂隙, 岩样抵抗和容纳变形的能力较弱, 所以该岩样储存弹性应变能的能力较低.
4) 图 7为三种不同蚀变岩声发射震源定位演化过程(图中a，b，c，d，e分别表示初始压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定破裂阶段、裂纹非稳定破裂阶段、峰后破坏阶段；试样B2的d阶段是瞬时的，记录不到声发射事件，故未示出).从图 7可知, 从裂纹稳定破裂阶段开始, 三种蚀变岩的声发射事件数出现明显差异, 试样A1在裂纹稳定破裂阶段和裂纹非稳定破裂阶段产生声发射事件较多; 试样B2在裂纹稳定破裂阶段只在试样左上部产生部分声发射事件, 随后在峰后破坏阶段产生大量声发射事件; 试样C3在整个峰前阶段产生声发射事件都较少.这是因为蚀变岩B脆性最大, 刚产生少量微破裂就迅速扩展贯通形成大裂纹.蚀变岩C脆性最小, 该岩样在裂纹稳定破裂阶段有少量微破裂产生, 经过较长时间的缓慢发展才形成大破裂.
图 7(Fig. 7)

图 7 不同蚀变岩声发射震源定位演化过程Fig.7 Acoustic emission and energy evolution of altered rocks of different alteration types

2.3 破坏模式及机制分析1) 图 8为三种蚀变岩的最终破坏形态, 可以看出试样A1，B2主破裂面与σ₂方向大致平行, 试样C3主破裂面与σ₂方向大约成30°角.试样C3裂纹扩展方向较试样A1, B2发生了明显偏转.由文献研究可知, 针对均质度相对较好岩石, 受应力诱导的各向异性特性影响, 其主破裂面与σ₂方向平行^[19].由前文分析可知试样C3受蚀变作用和动力变质作用的影响最大, 试样内部矿物颗粒差异较大且发育有微裂隙(见图 9), 造成该岩样的非均质程度较大, 这说明岩样的均质度情况会影响其主破裂面的扩展方向.
图 8(Fig. 8)

图 8 三种蚀变岩的最终破坏形态Fig.8 Final failure modes of three altered rocks (a)—试样A1；(b)—试样B2; (c)—试样C3.

图 9(Fig. 9)

图 9 试样C3的显微结构图Fig.9 Microstructural diagram of the rock sample C3

2) 为分析三种蚀变岩的微观破坏机制, 对岩样主破裂面进行了扫描电镜分析, 如图 10所示. 由图 10可知, 试样A1张拉破坏明显, 岩石断口整体较干净, 残余粉末极少; 试样B2断口呈台阶状, 大部分台阶面较整齐, 但有部分破碎矿物颗粒存在, 这是剪切摩擦产生的颗粒, 表明该试样主要发生拉剪混合破坏; 试样C3断口局部呈破碎状且残留有部分岩屑和粉碎颗粒, 岩石断面形态复杂, 剪切作用引起的破坏特征明显.
图 10(Fig. 10)

图 10 不同蚀变岩破裂面的SEM微观结构图Fig.10 SEM microstructures of fracture surfaces of different altered rocks (a)—试样A1；(b)—试样B2；(c)—试样C3.

3 结论1) 三种蚀变岩的塑性变形均不明显, 都表现出较强的脆性, 由蚀变产生方解石含量高的岩样脆性最大.此外, 三种蚀变岩的强度差异是多种因素造成的, 遭受严重动力变质作用和发生碳酸盐化蚀变都会降低岩体的强度.发生绢云母化蚀变的长石会形成颗粒细小的矿物集合体, 而发生碳酸盐化蚀变的长石会析出颗粒较大的白云石.小尺寸的矿物颗粒会延缓蚀变岩的起裂, 矿物粒径差异大的蚀变岩容易先开裂破坏.
2) 三种不同蚀变岩的破坏过程具有差异性, 脆性最大的蚀变岩, 在压缩条件下积聚的大量能量在短时间内快速释放, 会发生剧烈破坏, 这对进一步认识现场深部蚀变岩的塌方、岩爆等的形成机制有重要意义.脆性小的蚀变岩, 弹性能释放慢, 破坏过程缓慢, 工程现场的此类型蚀变岩易发生顶板冒落等轻微工程灾害.强度高的蚀变岩抵抗和容纳变形的能力较强, 储能能力高, 较难破坏, 而受蚀变作用和动力变质作用影响大的蚀变岩抵抗和容纳变形的能力较弱, 储能能力小, 岩石容易破坏.
3) 动力变质作用和蚀变作用造成岩样内部结构以及矿物颗粒有差异, 这种差异会影响蚀变岩的非均质程度, 非均质程度相对低的蚀变岩其主破裂面与σ₂方向大致平行.非均质程度相对较高的蚀变岩其主裂纹扩展方向可能会发生偏转.此外, 受动力变质作用和蚀变作用影响大的蚀变岩更倾向于发生剪切破坏.
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