如何快速破碎岩石，特别是破碎难钻进、难爆破的硬岩，一直是矿井工程、采矿工程和隧道工程等领域的研究重点。目前，岩体破碎的方法主要还是传统的爆破和机械破岩方法^[1]。但是传统的破岩方法存在很多问题，比如：爆破破岩对于原岩扰动大，使得隧道支护困难，爆破推进不连续，具有劳动强度大、危险性高和工作环境差等缺点；机械破岩能够有效解决爆破破岩的一些问题，但是由于机械破岩设备和刀具昂贵，且刀具抗磨损性差（特别是面对破碎硬岩时），导致维修费用高、投资巨大，限制了机械破岩方法的应用。2018年，我国确立了面向2030的自然资源创新战略，即采用集中攻关机制，突破多项能源矿产开发共性核心技术装备和试采技术体系难题。而岩石破碎工作作为资源开采的重要环节，如何更加安全高效地开采资源得到广泛研究。近年来，随着微波技术的发展，微波加热技术逐渐被开发应用到岩石破碎中，越来越多的学者致力于微波辐射在岩石破碎中的作用研究，发现微波辅助破岩具有很大的发展空间^[2-4]。微波辅助破岩实质是通过微波能对岩石进行快速加热，使其内部产生损伤劣化等，进而降低岩石的各种力学强度，再辅助以其他破岩方法（如机械破岩和水力破岩）的一种新型破岩方式。

国内外学者分别对微波辐射后岩石的单轴压缩强度^[5]、抗拉性能^[6]和点荷载强度^[7]等进行了大量的研究，发现微波对于降低岩石强度起到了很大的作用。在功率为5 kW、辐射时间为65 s 时，单轴抗压强度降低了约30%，在功率为5 kW、辐射120 s后，抗拉强度降低了20%。Lu等^[8]研究了11种矿物在微波辐射过程中的温度变化情况，发现不同的矿物升温速度差别很大，其原因是不同的矿物对于微波的吸收能力差别很大，同时也与矿物中是否含有Fe元素有关。Olubambi等^[9]研究表明微波加热岩石会导致其内部产生热应力，进而使得裂纹不断延伸，产生新裂纹，且岩石弱化程度与微波频率和岩石介电特性有很大的关系。

现阶段，微波辅助机械破岩被认为是最有应用前景的微波能利用方式。根据破岩机具和破岩原理可将机械破岩划分为静压侵入破岩、冲击、切削和冲击—切削4种方式^[10-11]。而目前大多数学者主要关注静载荷对于岩石力学特性的研究，对于微波辐射后岩石抗冲击性能的变化研究很少。为了研究微波辐射岩石对辅助冲击式破岩方式的破岩效果，开展微波辐射对岩石动力学特性影响的研究具有一定的意义。

试验所用的岩石试样来自山东的细粒砂岩，为了减少试样之间的差异性，所有试样都取自同一岩块。经过取芯、切割、打磨作业，将岩样加工成高50 mm、直径50 mm 的圆柱体，并将试样两端磨平，研磨精度要求试样两端面平行度不大于0.5 m，测定其波速后，选取波速为3 100~3 200 m/s的试样。砂岩的部分基本力学参数见表1。

对岩石进行光学薄片分析发现，从结构上可以看出砂岩为细粒粉砂，胶结类型主要有孔—孔接触胶结。部分具有次辉绿结构，主要构造为块状和气孔构造，部分气孔由玻璃或玉髓充填而成杏仁体构造。XRD测试结果显示，砂岩主要由石英、长石和蒙脱石等矿物质组成，其中石英占41.72%。图1所示为砂岩试样光学薄片和XRD图。砂岩的主要矿物组成及其吸波性能见表2。

微波是一种波长为0.01~1.00 m，频率为0.3~300.0 GHz的超高频电磁波，具有波长短、频率高的特点。在我国工业生产中允许使用的微波频率分别为915 MHz和2 450 MHz，其对应的波长为32.8 cm和12.3 cm。物体在微波产生的外加电磁场的作用下，内部介子发生极化，产生了极化强度矢量。由于极化强度矢量落后于外加电场从而在物体内产生电流，导致微波能在物体内部产生功率耗散从而实现加热。物质的极化特性是物质能够被微波加热的关键，而物质的极化特性可划分为3类：偶极子转向极化、电子极化和原子极化^[12]。岩石材料在微波场中会产生极化现象而发热，其产生的热量大小与岩石种类及其介电特性相关。微波加热岩石的效率取决于岩石材料内各矿物吸收微波的电场强度、微波频率及其介电损耗，单位体积的介电材料损耗的微波功率p为

式中：f为微波频率；ε₀为真空介电常数（8.85×10^-12 F/m）；ε״为岩石材料介电损耗因子；E为电场强度。

当介质在微波场中吸收微波以后，介质的升温速率取决于很多参量。要使单位体积质量为M、比热容为C的介质材料在时间t内从T₀升温到T₁时，所需做功为

本次采用的微波辐射仪器是由株洲麦格米特公司提供的工业微波炉，微波腔体内的微波能主要由6个可以单独工作的磁控管提供，每个磁控管为1 kW，微波能量通过矩形波导的传输到达微波炉腔体内。微波腔体是个多模腔体，微波频率为2.45 GHz。

动态力学测试采用的是分离式霍普金森压力杆系统。该系统由气枪、锥形子弹头、入射杆、透射杆、吸收杆和示波器组成。所有的杆和子弹头都是由高强度40Cr合金制成，密度为7 800 kg/m³，弹性模量为250 GPa。在测试过程中，锥形子弹头被高速射出并撞击入射杆，然后产生半正弦波，沿入射杆向岩石方向传播。当波到达入射杆与试样的界面时，一部分反射到入射杆中，其余部分穿过试样，并进一步传播到透射杆中。将两对应的应变片分别粘贴在入射杆和透射杆上，采集半正弦波并将波转换为应变信号，从而收集试验数据。根据所记录的数据，试样在冲击压缩荷载作用下的应力、应变和应变速率可以由式（3）、式（4）和式（5）计算得到。

其中：σ(t)、ε(t)和ε˙(t)分别为试样的应力、应变和应变率；A₀和A_S分别为入射杆和透射杆的横截面积；E表示杆件的弹性模量；C₀和L_S表示波速和杆件长度；ε_I、ε_R和ε_T分别为入射杆应变、反射杆应变和透射杆应变。

本次试验在5 kW和3 kW功率水平下对砂岩进行不同时间的辐射，在辐射之前分别用波速测试仪和核磁共振仪器对砂岩的波速和孔隙率进行测试。微波辐射后，再次测试波速和孔隙度。最终，采用SHPB仪器测试岩石的动态压缩强度。所有岩石试样测试时的温度均为室温，降温方式为自然降温。图2所示为试验研究主要流程示意图。

砂岩在微波辐射过程中，吸波矿物质会吸收微波而使岩石升温。岩石的表面温度随辐射时间的变化情况如图3所示。试验结果显示，砂岩在受到微波辐射后，其表面温度上升迅速，试样表面温度与辐射时间呈近似直线关系上升。在5 kW功率下辐射60 s后岩石表面温度大于在3 kW功率下辐射100 s，以相同输入能量对比来看，增加功率能够节约加热时间，同时还可对试样造成更大损伤。砂岩在5 kW功率下辐射240 s以后，其表面产生了肉眼可见的裂纹。但在辐射240 s之前，试样并没有肉眼可见的裂纹出现。在3 kW功率下辐射240 s之后，试样也不会出现明显的裂纹。

对于岩石而言，其纵波波速的变化能够反映内部结构的变化，波速的大小与岩石损伤程度有关。如图4所示，为微波辐射前后砂岩纵波波速变化情况。可以看出，经过辐射岩石的波速均降低了，说明砂岩在受到辐射后，其内部损伤随时间的增加而不断增加。在5 kW和3 kW功率下分别辐射240 s后，相较于未经过辐射的试样，试样的波速分别降低了33.9%和16.5%。对于在3 kW功率下辐射后的岩石，其波速前120 s和后120 s降低速率几乎相同。而经过5 kW功率辐射后的砂岩，其波速降低速率呈现快速增加、放缓后再次增加的趋势，特别是180 s后降低速度更快。

为了定量研究微波辐射后试样内部损伤情况，采用无损检测的核磁共振的方式对岩石进行孔隙度测量。核磁共振技术可以对不同孔径大小的孔隙进行分析，然后形成T₂图谱，通过分析T₂曲线可以了解试样在经过微波辐射后的孔径变化情况。如图5所示为砂岩的核磁共振T₂曲线图。横坐标表示的是弛豫时间，是反映岩石内部孔径大小的量，孔径越大对应的弛豫时间越长。纵坐标表示的孔隙度分量,是反映岩石内部空隙多少的量，孔隙越多对应的孔隙度分量越大^[13-14]。

如图5所示，对于未受微波辐射的砂岩，其T₂图有2个峰，分别介于0.1~1.0 ms和10~30 ms，说明砂岩试样未经过辐射时，其内部孔隙主要为微孔隙（0.1~1.0 ms）和中等孔隙（10~30 ms）。砂岩在5 kW功率下辐射30 s后，其孔隙率分量明显增大，但是峰值位置并没有发生大的变化，说明辐射后岩石微孔隙增多而大孔隙变化不大。在3 kW功率下辐射30 s后，砂岩孔隙率分量和峰值位置略微发生变化。随着辐射时间的增加，T₂图谱中各曲线的峰值发生明显增大的同时有向右移动的趋势，说明岩石试样内部的孔隙在不断增多且变大。在5 kW功率水平下的T₂图谱中，30 s和60 s的曲线主要表现为孔隙率分量增大，而后曲线表现出分量降低但是峰值右移幅度增大。在3 kW功率水平下的T₂图谱中，30，60，90，120 s的曲线主要表现为孔隙率分量增大，而后曲线表现出分量降低但是峰值右移幅度增大。对于5 kW功率水平下，在微波辐射120 s以后，砂岩试样T₂图谱出现第3个峰值（800~1 200 ms），可能预示着在热应力的作用下，砂岩内部已经产生裂纹^[15]。通过Core软件对试样T₂图谱分析可得砂岩的孔隙率，如图6所示。对比微波辐射前后的孔隙率，发现辐射后的孔隙率明显增大。在5 kW功率水平下，在微波辐射的前180 s，砂岩孔隙率增长率呈直线变化，随后增长率突然增大。在3 kW功率水平下，微波辐射0~120 s孔隙率增长率也呈直线变化但其斜率比5 kW的情况更小，随后增长率变缓，与5 kW功率的情况不同。

由于SHPB试验中岩石的强度与应变率有关，为了减少控制变量对试验的影响，同时便于数据对比分析，对砂岩试样的试冲结果进行分析后确定此次试验均采用0.9 MPa的气压，将子弹头推到气缸底部后对砂岩进行冲击，每一个辐射时间冲击3个试样。微波辐射后砂岩动态压缩应力应变如图7所示。岩石的动态压缩力学强度曲线主要划分为3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。所有砂岩经过微波辐射后，其强度曲线都经历了这3个阶段^[16-17]。由于应力波在岩石试样中传播速度很快，冲击过程中岩石内部裂隙和孔隙无法在短时间内闭合，所以曲线一开始就进入了弹性阶段。随着时间的增加，其弹性阶段的斜率明显变小，且在更高的功率水平下，其弹性阶段历时越短。弹性阶段后，岩石就进入屈服阶段，可以看出辐射时间越长、功率越高,岩石进入屈服阶段越快。进入屈服阶段后，岩石发生破坏。岩石在微波辐射后，应力—应变曲线峰值点发生了明显的右移，且其峰值不断变小，峰值应变随着辐射时间的增加而增加。

如图8所示，为砂岩动态压缩强度与辐射时间关系图。从图中可以看出，微波辐射后岩石试样的强度均呈现下降趋势，不同功率辐射后的岩石强度下降程度不一。对微波辐射后的砂岩强度值进行拟合发现，3 kW功率水平下砂岩强度近似直线下降，而在5 kW功率水平下，砂岩强度呈非线性下降，且随着辐射时间的增加砂岩强度下降的趋势变缓。在同样辐射240 s以后，相对于未经过微波辐射的岩石，在3 kW和5 kW功率水平下辐射后的砂岩强度下降量分别是44.34 MPa和61.42 MPa，下降幅度分别为22.89%和31.66%。

可见功率越高则强度下降的幅度也越大，且随着辐射时间的增加，岩石动态冲击后强度离散性变大。

微波辐射具有选择性加热的特点，如：石英几乎不吸收微波，长石和滑石属于弱吸波物质，而方解石和赤铁矿属于强吸波物质。在不同矿物边界，因不均匀热膨胀而产生的热应力作用会引起砂岩内部产生裂纹并使裂纹增多。光学薄片分析砂岩内含有黏土类胶结易挥发物质，水分及一些易挥发物质可能因快速升温而被加热挥发，使砂岩孔洞不断变大，裂隙不断发育。在加热的初始阶段，一些吸附水和束缚水在升温的过程中发生逃匿（矿物内的吸附水在温度达到100 ℃时会产生逃匿，束缚水逃匿温度为150~300 ℃，结构水逃匿温度要达到300 ℃以上，而结晶水在400 ℃后才会发生逃匿^[18-19]），加上黏土矿物中一些易挥发物质发生挥发等，致使砂岩微孔隙增多，纵波波速下降，T₂图谱显示短时间的辐射只会使得孔隙率分量增大而峰值位置变化不大；随着辐射加温，在水分蒸发产生的孔隙压力以及温度升高产生的热应力作用下，孔隙开始变大，砂岩内原生裂隙不断发育使得内部损伤快速增加，砂岩纵波波速进一步降低且T₂曲线峰值也开始右移；随后矿物之间经过一段时间的热传导后，挥发物质逃匿，热梯度降低，砂岩纵波波速降低的幅度逐渐减小，微波辐射对试样产生损伤的速度逐渐减小。随着温度的进一步升高，矿物的不均匀热膨胀所产生的热应力超过岩石以张拉为主的强度极限时，试样内部裂纹贯通，波速进一步降低，T₂曲线出现第3个峰值点。

波速和孔隙率的变化能够反映岩石内部结构的变化，同时也会导致岩石动态压缩强度发生变化。究其原因在于内部孔隙、微裂隙和裂纹等均会对应力波的传播产生影响。可以概括为：在冲击力的作用下，孔隙和裂隙为动载冲击应力波提供了良好的反射界面，反射的拉伸波进一步加剧微裂纹的扩展、成核与聚集，导致强度降低。经过短时间辐射后的砂岩，其内部裂纹发育不够，使得拉伸波并不能使裂纹快速扩展，而且孔隙、裂隙在冲击力作用下并不能快速闭合，加之内部晶体表现出惯性，这些原因导致应力—应变曲线中弹性阶段的斜率以较小的幅度减小。随着辐射时间的加长，其内部孔隙和原生裂隙在热应力和热膨胀的作用下不断扩大和延伸，内部损伤加大。当裂隙和孔隙发育到一定程度时，在冲击应力波的作用下，内部裂纹尖端产生拉应力而使试样破坏，此时岩石由弹性阶段快速进入屈服阶段，然后岩石破坏^[20-21]。如图9所示，高速摄像仪器所拍摄的砂岩冲击破坏过程也能说明这一点。短时间辐射后岩石内部孔隙裂隙较少，由于泊松效应试样发生径向破坏。随着裂纹增多，冲击过程中应力波会使裂纹得到发展，试样出现交叉型裂纹。值得注意的是，宏观裂纹在冲击过程中先闭合后扩展。微波辐射使得岩石强度降低的原因很大部分得益于热应力使得岩石内部孔隙、裂纹发育。

在工业生产中，动载冲击破岩设备广泛运用于金属及非金属矿山中，包括凿岩机、潜孔钻机和钢丝绳冲击钻机等。美国矿山局提出并采用射弹冲击破碎岩石，获得很好的岩石破碎效果^[22]。由上述试验结果可知，微波辐射加热能够快速地使岩石产生损伤，从而降低岩石强度。当前微波设备向高功率密度和小体积发展，如：美国BURLE 94604f磁控管单磁控管功率已经达到75 kW，江苏麦克威GLCWM单个磁控管已经达到100 kW。因此，微波设备结合机械设备破岩的方式将极大地提高硬岩的破碎效率。

为了调查微波辐射对砂岩抗冲击能力的影响，对砂岩在经过微波辐射前后的波速、孔隙度和动态力学强度进行试验研究，得到如下主要结论：

（1）微波辐射能够使砂岩快速升温，且辐射功率越高则升温速率越快。对砂岩在微波辐射前后的波速和孔隙度进行对比发现，辐射后波速明显降低，孔隙率明显增大。经过短时间辐射后，岩石的微孔隙会大量增加，随着辐射时间的增加，大孔隙和裂纹增多。

（2）在因矿物吸波能力不同而产生的热梯度和矿物热膨胀等热应力的作用下，砂岩的动态力学强度迅速下降。在冲击过程中，短时间辐射后的岩石破坏以泊松效应下的轴向破坏为主，经过长时间辐射后，裂纹的增多导致出现交叉型和环向型破坏。