國儀量子掃描電鏡助力巖爆防控！SEM3200揭示微波卸壓下花崗巖損傷機制

隨著深部資源開發(fā)和重大地下工程不斷向深部推進，鉆爆隧洞在高地應(yīng)力、強脆性硬巖條件下易發(fā)生突發(fā)性巖爆，直接威脅人員、設(shè)備與施工安全。傳統(tǒng)水力壓裂、卸壓孔和深孔卸壓爆破雖然能夠釋放集中應(yīng)力，但往往伴隨較強的二次擾動、作用范圍難以精準(zhǔn)控制以及局部承載能力下降等問題。利用微波對巖石進行非接觸、可控加熱，在預(yù)鉆孔周圍構(gòu)建定向損傷—裂隙區(qū)，有望推動高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，在盡量保留圍巖整體承載能力的同時主動截斷巖爆孕育過程。

針對上述問題，東北大學(xué)深部金屬礦智能開采與裝備全國重點實驗室馮夏庭、林鋒團隊依托我國西南某最大埋深超過2000m的深埋鉆爆隧洞，開展了高功率孔內(nèi)微波破裂卸壓現(xiàn)場試驗。團隊自研915±5MHz、最大輸出功率103.2kW的微波系統(tǒng)，對比開口端同軸輻射器（OECA）與槽壁同軸輻射器（SWCA），并聯(lián)合紅外測溫、P波測試、鉆孔成像、應(yīng)力和微震監(jiān)測追蹤“溫升—損傷—應(yīng)力釋放"的全過程。其中，借助國儀量子SEM3200掃描電子顯微鏡開展礦物尺度裂紋表征，揭示了黑云母、鈉長石和石英在微波作用下差異化的破裂路徑。現(xiàn)場結(jié)果顯示：最大P波波速降幅達29.7%，最大應(yīng)力降幅達5.4MPa（約為最大主應(yīng)力的12.37%）；處理后微震事件頻次與釋放能量顯著下降，巖爆風(fēng)險由中等預(yù)警降至現(xiàn)場僅發(fā)生輕微巖爆。該成果以“Rockburst mitigation by microwave destressing in a deep drill-and-blast tunnel: thermal–damage–stress evolution with a slotted-wall coaxial applicator"為題，于2026年7月發(fā)表在《Tunnelling and Underground Space Technology》期刊上。

國儀量子SEM3200揭示礦物尺度損傷

花崗質(zhì)圍巖的微波損傷并非均勻發(fā)生，而是由礦物介電響應(yīng)、熱膨脹差異和晶體結(jié)構(gòu)共同控制。SEM圖像顯示，微波輻照后形成相互交織的晶間裂紋（IGF）與穿晶裂紋（TGF）：富含F(xiàn)e–Mg的黑云母對微波更敏感，其弱層間結(jié)合和各向異性熱膨脹促使解理面張開、層間剝離、彎曲與卷曲；鈉長石同時出現(xiàn)沿晶界擴展和切穿晶粒的裂紋，表明裂紋由邊界向晶內(nèi)逐步貫通；石英則以清晰的穿晶拉裂和河流花樣為主。該礦物選擇性破裂過程把非均勻加熱與微裂紋聚合聯(lián)系起來，為宏觀P波波速下降以及巖體剛度、強度衰減提供了直接的微觀證據(jù)。

圖1.微波輻照前后黑云母（Bt）、鈉長石（Ab）和石英（Qtz）的SEM形貌（原文圖24）

現(xiàn)場高功率微波卸壓系統(tǒng)與試驗布置

試驗區(qū)地表高程約2500–4000m，最大埋深超過2000m；圍巖為完整、低節(jié)理、高剛度和強脆性的英云閃長巖，主要礦物組成為石英64%、長石28%和黑云母8%。套芯解除法測得最大主應(yīng)力σ?=43.63MPa，且前期施工中多次出現(xiàn)中等巖爆。自研系統(tǒng)由高壓電源與微波源、反射自動調(diào)節(jié)、傳輸波導(dǎo)/同軸輻射器和主動參數(shù)控制模塊組成，工作頻率為915±5MHz，最大傳輸距離10m。卸壓孔直徑120mm、深3m、孔間距0.8m，輻射器安裝深度2.6m；監(jiān)測孔與卸壓孔協(xié)同布置，實現(xiàn)溫度、裂紋、波速、應(yīng)力和微震的多源同步評價。

圖2.高功率孔內(nèi)微波破巖卸壓系統(tǒng)及主要功能模塊（原文圖5）

SWCA形成連續(xù)環(huán)向高溫—損傷帶

SWCA采用沿軸向分布的正交傾斜槽單元，使微波能量沿孔壁多點輻射。與OECA相比，SWCA在不同功率下表現(xiàn)出更低的VSWR峰值、更少的調(diào)諧次數(shù)和更小的波動，說明阻抗匹配更穩(wěn)定。在相同70kW、3min條件下，OECA只在孔壁一側(cè)形成局部扇形高溫區(qū)，而SWCA形成近似環(huán)狀、徑向更寬的中高溫帶。將SWCA輻照時間由3min延長至5min和10min后，高溫區(qū)沿環(huán)向與徑向持續(xù)擴展；10min時孔壁幾乎形成連續(xù)高溫環(huán)，最高溫度接近400℃，>300℃的高溫?fù)p傷區(qū)占比顯著增加，表明潛在破裂范圍隨時間累積擴大。

圖3.不同輻射模式與時間下孔內(nèi)紅外溫度場及溫度分布（原文圖15）

裂紋累積推動波速衰減與階段性卸壓

微波作用后的波速衰減主要集中在距孔口約2.0–2.7m的輻射器加熱段。相同70kW、3min條件下，SWCA造成的平均P波波速降幅比OECA約高4.7個百分點；在70kW下將SWCA輻照時間延長至10min，最大波速降幅達到29.7%。鉆孔成像與此一致：3min后僅見局部短裂紋，5min后裂紋明顯延長并出現(xiàn)分支和連通，10min后局部出現(xiàn)巖屑剝落與多裂紋組合。應(yīng)力曲線則呈現(xiàn)“緩慢釋放—快速下降—低位穩(wěn)定"的階段性特征；當(dāng)孔壁溫度達到熱破裂臨界條件后，應(yīng)力快速下降，最大絕對降幅為5.4MPa，約占試驗段最大主應(yīng)力的12.37%，顯示出清晰的溫度閾值效應(yīng)。

圖4.SWCA微波輻照前后孔壁裂紋演化（原文圖19，紅色虛線為新生裂紋）

現(xiàn)場微震驗證巖爆風(fēng)險降低

微震監(jiān)測顯示，處理前試驗段事件數(shù)與釋放能量持續(xù)積累，并觸發(fā)中等巖爆預(yù)警；微波輻照完成后24h內(nèi)，兩項指標(biāo)均明顯下降，現(xiàn)場僅發(fā)生輕微巖爆。結(jié)果表明，微波卸壓主要通過重塑局部裂紋結(jié)構(gòu)、釋放輻照區(qū)應(yīng)力并促使應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移來降低風(fēng)險，而不是均勻削弱整個圍巖，因此具備在保持隧洞總體承載能力的同時實施靶向、可控卸壓的潛力。需要指出的是，該現(xiàn)場證據(jù)主要支持應(yīng)力主導(dǎo)型深埋硬巖巖爆；對于受大型斷層、軟弱夾層或大尺度滑移控制的結(jié)構(gòu)型巖爆，微波卸壓宜作為局部減載的輔助措施，而不應(yīng)單獨使用。

圖5.微波卸壓前后試驗段微震事件數(shù)與釋放能量變化（原文圖23）

總結(jié)

本研究將可工程化的SWCA高功率孔內(nèi)微波系統(tǒng)、多源現(xiàn)場監(jiān)測與國儀量子SEM3200微觀表征貫通起來，建立了從礦物選擇性裂紋、孔周損傷累積到應(yīng)力與微震響應(yīng)的完整證據(jù)鏈，為深部地下工程精準(zhǔn)、主動的巖爆防控提供了可擴展的新技術(shù)路徑。