国仪量子扫描电镜助力岩爆防控！SEM3200揭示微波卸压下花岗岩损伤机制

国仪量子扫描电镜助力岩爆防控！SEM3200揭示微波卸压下花岗岩损伤机制

随着深部资源开发和重大地下工程不断向深部推进，钻爆隧洞在高地应力、强脆性硬岩条件下易发生突发性岩爆，直接威胁人员、设备与施工安全。传统水力压裂、卸压孔和深孔卸压爆破虽然能够释放集中应力，但往往伴随较强的二次扰动、作用范围难以精准控制以及局部承载能力下降等问题。利用微波对岩石进行非接触、可控加热，在预钻孔周围构建定向损伤—裂隙区，有望推动高应力向深部转移，在尽量保留围岩整体承载能力的同时主动截断岩爆孕育过程。

针对上述问题，东北大学深部金属矿智能开采与装备全国重点实验室冯夏庭、林锋团队依托我国西南某最大埋深超过2000m的深埋钻爆隧洞，开展了高功率孔内微波破裂卸压现场试验。团队自研915±5MHz、最大输出功率103.2kW的微波系统，对比开口端同轴辐射器（OECA）与槽壁同轴辐射器（SWCA），并联合红外测温、P波测试、钻孔成像、应力和微震监测追踪“温升—损伤—应力释放"的全过程。其中，借助国仪量子SEM3200扫描电子显微镜开展矿物尺度裂纹表征，揭示了黑云母、钠长石和石英在微波作用下差异化的破裂路径。现场结果显示：最大P波波速降幅达29.7%，最大应力降幅达5.4MPa（约为最大主应力的12.37%）；处理后微震事件频次与释放能量显著下降，岩爆风险由中等预警降至现场仅发生轻微岩爆。该成果以“Rockburst mitigation by microwave destressing in a deep drill-and-blast tunnel: thermal–damage–stress evolution with a slotted-wall coaxial applicator"为题，于2026年7月发表在《Tunnelling and Underground Space Technology》期刊上。

国仪量子SEM3200揭示矿物尺度损伤

花岗质围岩的微波损伤并非均匀发生，而是由矿物介电响应、热膨胀差异和晶体结构共同控制。SEM图像显示，微波辐照后形成相互交织的晶间裂纹（IGF）与穿晶裂纹（TGF）：富含Fe–Mg的黑云母对微波更敏感，其弱层间结合和各向异性热膨胀促使解理面张开、层间剥离、弯曲与卷曲；钠长石同时出现沿晶界扩展和切穿晶粒的裂纹，表明裂纹由边界向晶内逐步贯通；石英则以清晰的穿晶拉裂和河流花样为主。该矿物选择性破裂过程把非均匀加热与微裂纹聚合联系起来，为宏观P波波速下降以及岩体刚度、强度衰减提供了直接的微观证据。

图1.微波辐照前后黑云母（Bt）、钠长石（Ab）和石英（Qtz）的SEM形貌（原文图24）

现场高功率微波卸压系统与试验布置

试验区地表高程约2500–4000m，最大埋深超过2000m；围岩为完整、低节理、高刚度和强脆性的英云闪长岩，主要矿物组成为石英64%、长石28%和黑云母8%。套芯解除法测得最大主应力σ₁=43.63MPa，且前期施工中多次出现中等岩爆。自研系统由高压电源与微波源、反射自动调节、传输波导/同轴辐射器和主动参数控制模块组成，工作频率为915±5MHz，最大传输距离10m。卸压孔直径120mm、深3m、孔间距0.8m，辐射器安装深度2.6m；监测孔与卸压孔协同布置，实现温度、裂纹、波速、应力和微震的多源同步评价。

图2.高功率孔内微波破岩卸压系统及主要功能模块（原文图5）

SWCA形成连续环向高温—损伤带

SWCA采用沿轴向分布的正交倾斜槽单元，使微波能量沿孔壁多点辐射。与OECA相比，SWCA在不同功率下表现出更低的VSWR峰值、更少的调谐次数和更小的波动，说明阻抗匹配更稳定。在相同70kW、3min条件下，OECA只在孔壁一侧形成局部扇形高温区，而SWCA形成近似环状、径向更宽的中高温带。将SWCA辐照时间由3min延长至5min和10min后，高温区沿环向与径向持续扩展；10min时孔壁几乎形成连续高温环，最高温度接近400℃，>300℃的高温损伤区占比显著增加，表明潜在破裂范围随时间累积扩大。

图3.不同辐射模式与时间下孔内红外温度场及温度分布（原文图15）

裂纹累积推动波速衰减与阶段性卸压

微波作用后的波速衰减主要集中在距孔口约2.0–2.7m的辐射器加热段。相同70kW、3min条件下，SWCA造成的平均P波波速降幅比OECA约高4.7个百分点；在70kW下将SWCA辐照时间延长至10min，最大波速降幅达到29.7%。钻孔成像与此一致：3min后仅见局部短裂纹，5min后裂纹明显延长并出现分支和连通，10min后局部出现岩屑剥落与多裂纹组合。应力曲线则呈现“缓慢释放—快速下降—低位稳定"的阶段性特征；当孔壁温度达到热破裂临界条件后，应力快速下降，最大绝对降幅为5.4MPa，约占试验段最大主应力的12.37%，显示出清晰的温度阈值效应。

图4.SWCA微波辐照前后孔壁裂纹演化（原文图19，红色虚线为新生裂纹）

现场微震验证岩爆风险降低

微震监测显示，处理前试验段事件数与释放能量持续积累，并触发中等岩爆预警；微波辐照完成后24h内，两项指标均明显下降，现场仅发生轻微岩爆。结果表明，微波卸压主要通过重塑局部裂纹结构、释放辐照区应力并促使应力向深部转移来降低风险，而不是均匀削弱整个围岩，因此具备在保持隧洞总体承载能力的同时实施靶向、可控卸压的潜力。需要指出的是，该现场证据主要支持应力主导型深埋硬岩岩爆；对于受大型断层、软弱夹层或大尺度滑移控制的结构型岩爆，微波卸压宜作为局部减载的辅助措施，而不应单独使用。

图5.微波卸压前后试验段微震事件数与释放能量变化（原文图23）

总结

本研究将可工程化的SWCA高功率孔内微波系统、多源现场监测与国仪量子SEM3200微观表征贯通起来，建立了从矿物选择性裂纹、孔周损伤累积到应力与微震响应的完整证据链，为深部地下工程精准、主动的岩爆防控提供了可扩展的新技术路径。