石墨被誉为21世纪支撑高新技术发展的战略资源，已被广泛应用于高新技术、军工、航空航天等重要领域^[1]。石墨矿床类型主要为鳞片状晶质石墨和隐晶质石墨，在我国已探明的石墨矿区中，晶质石墨矿区占比达到80%以上，由于受变质岩和混合岩化作用，晶质石墨矿石具有明显的层理分布特征^[2]。晶质石墨矿藏多为露天矿藏，矿山生产方式以爆破落矿为主，但石墨鳞片易受外力荷载作用而产生断裂，导致石墨的经济价值和应用价值都大幅降低^[3]。因此，针对不同层理角度石墨矿石动力破坏特性开展研究，可以为矿山开采爆破工艺设计提供理论支撑，从采选源头保护石墨鳞片，有效提高矿山生产效率。

受层理效应的影响，岩体的力学性质表现出显著的各向异性。目前，针对高应变率岩石的动力学研究，学者们通常采用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）对层理岩石开展动态压缩实验，在力学特性、破环模式和能耗规律等方面已经取得了大量成果。温森等^[4]利用SHPB对自制层状岩样进行了冲击实验，结果表明，层理倾角为60°时能量吸收率最低，试样破碎程度也较低，该结果与孙清佩等^[5]对不同层理倾角页岩开展的冲击实验获得的结果基本一致。李地元等^[6]对层状砂岩进行了冲击压缩和冲击劈裂实验，总结了层状砂岩的5种破坏模式，实验结果表明，砂岩的动态强度随角度的增大呈现倒U形变化，且能量吸收率也受到层理倾角的影响。Wang等^[7]采用SHPB实验系统和高速摄影对层理岩石裂纹扩展特性进行了研究，结果表明，随着层理角度增大，试件破坏模式逐渐由拉伸破坏转变为拉剪复合破坏，并且当层理角垂直于冲击方向时，试样动态断裂韧性最大。杨国梁等^[8]通过SHPB实验研究了不同加载角度下层理页岩裂纹的扩展规律，发现加载角度与动态起裂韧度呈正相关，与起裂速度具有负相关关系，层理弱面对试样破裂模式具有显著影响。王雁冰等^[9]利用SHPB对不同层理角度的天然岩石试样开展了动态断裂冲击实验，结果表明，层理面影响应力波反射的有效面积，从而影响岩石的破坏特性。

在大量室内实验的基础上，学者们发现矿物自身的组成成分和赋存状态对其力学特性具有重要影响。叶海旺等^[10-12]利用SHPB对不同品位的石墨矿石开展了冲击压缩实验，总结了不同品位石墨矿石的冲击破坏模式和能量吸收规律，发现石墨矿石强度具有随品位增加而弱化的趋势。梁中勇等^[13]对不同层理角度的白云岩开展了单轴压缩、巴西劈裂和扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观测，结果表明，层理面颗粒结构不规则，不成整体，试件一般沿层理面呈脆性破坏。刘磊等^[14]利用SHPB系统对矽卡岩开展了冲击实验，结合SEM和X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）物相分析技术，探究了矽卡岩在不同温度下的动态力学特性和微观破坏机制。包含等^[15-16]通过观察黑云母石英片岩的宏微观破坏过程，发现层理面上的矿物定向排列会导致岩石强度表现出各向异性，岩石破坏模式也受矿物定向排列的影响，表现为张拉—剪切—拉剪混合的渐进式破坏进程。武仁杰等^[17]利用SHPB对层状千枚岩开展了冲击实验，结合三维激光仪观察断面微观特征，发现岩石强度及裂纹扩展受基质体和层理面共同控制，随着层理角度增大，层理面的影响程度加深。

综上所述，目前学者们已经对层理岩石的力学特性和破坏模式进行了大量的研究，但很少有针对石墨矿石的研究。石墨矿石矿物成分复杂，破碎岩成熟度较高，其中矿物多以晶粒形态赋存，石墨鳞片以嵌合结构的形式集中分布在层理面上，其特殊的赋存状态对石墨矿石的力学特性具有显著影响，并且石墨鳞片硬度小于其他矿物，在荷载作用下，石墨鳞片不仅从内部发生断裂破坏，也会被其他破碎矿物撕裂。因此，本文中，拟通过SHPB实验系统对不同层理角度的石墨矿开展冲击压缩实验，利用高速摄影和SEM技术观测试样破坏过程和宏微观破坏特性，探讨不同层理角度石墨矿石在冲击荷载作用下的力学特性、破坏模式和能耗特性的变化规律，以期为矿山合理开采和破碎提供理论指导。

1.   实验条件及方案

1.1   SHPB实验系统

采用$\varnothing$50 mm的SHPB实验系统进行不同层理倾角石墨矿石的动态冲击压缩实验，如图1所示。该系统由动力装置、子弹、入射杆、透射杆、吸收杆、动态应变仪、高速摄影仪和数据处理系统组成。压杆系统材质为合金钢，密度、弹性模量和纵波波速分别为7 180 kg/m³、210 GPa和5 200 m/s。

图  1  SHPB实验系统

Figure  1.  SHPB experimental system

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1.2   试样制备

为避免石墨矿岩的离散性对实验结果的影响，选取同一块石墨原矿通过调整钻机角度来获取不同角度的层理试样，定义层理角度θ为层理面与冲击荷载法线方向的夹角，制取θ分别为0°、45°和90°，直径和高度均为50 mm的标准石墨矿石试样，加工好的试样如图2所示。

图  2  不同层理角度的试样照片

Figure  2.  Photos of samples with different bedding angles

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1.3   实验方案

实验前在试样两端均匀涂抹黄油，使试样与杆件紧密接触，减少能量损失，并且保证每次子弹回腔距离相同，保证子弹从同一位置射出。通过施加0.3、0.4和0.5 MPa的3组冲击气压，分别对层理角度为0°、45°和90°的3组试样各进行5次冲击实验，选取其中误差较小的3次实验结果进行分析，测得子弹平均冲击速度分别为9.6 m/s（0.3 MPa）、12.2 m/s（0.4 MPa）和14.4 m/s（0.5 MPa）。根据一维应力波理论和应力平衡假设，采用三波法计算试样平均应变ε_s、平均应力σ_s和平均应变率$\dot{\varepsilon}$^[18]：

式中：c₀为压杆纵波波速，l₀为试样长度，ε_i(t)、ε_r(t)和ε_t(t)分别为入射应变、反射应变和透射应变，t为时间，A和E分别为压杆的截面面积和弹性模量，A_s为试样的截面面积。

实验结束后，对3组冲击气压下试样的应力平衡进行分析，如图3所示，入射应变加上反射应变与透射应变曲线基本重合，即ε_i + ε_r= ε_t，因此试样在动力加载过程中满足两端应力平衡^[19]。

图  3  三种冲击荷载下试样的动态平衡曲线

Figure  3.  Dynamic equilibrium curves of samples under three impact loads

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2.   实验结果分析

2.1   动态抗压强度变化

图4给出了不同平均应变率下石墨矿石动态抗压强度随层理角度的变化曲线。可以看出，在同一应变率下，石墨矿石的动态强度随层理角度的增大呈U形分布，该结果与罗宁等^[20]的研究结论基本一致。层理角度为0°时，动态抗压强度最高；层理角度为90°时，动态抗压强度稍低；层理角度为45°时，试样的动态抗压强度最低。由动态抗压强度的变化可以发现，当冲击荷载方向与层理面垂直时，冲击荷载作用下可较好地压密试样内部裂隙，增强其动态抗压强度；当冲击荷载方向与层理面存在夹角时，试样强度随夹角增大而减小，45°夹角时取得最小值，此时在冲击荷载作用下，试样容易产生沿层理面的滑移剪切破坏。

图  4  动态抗压强度与层理角度的关系

Figure  4.  Relationship between dynamic compressive strength and bedding angle

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2.2   破坏应变变化特征

取峰值应力对应的应变为试样破坏应变，表征岩石承受极限荷载下的形变程度。将同一冲击气压下的应变率和试样破坏应变求均值，绘制不同层理角度试样的破坏应变曲线（图5）。各层理角度试样的破坏应变均随着应变率的升高而增大，即随着冲击气压升高，试样破坏时应变率升高，破坏时吸收能量更多，破坏应变增大说明试样破碎程度加剧。由图5(b)可知，不同应变率下试样的破坏应变与层理角度的关系和动态抗压强度与层理角度的关系相似，呈U形分布。0°层理试样的破坏应变最大，90°层理试样的破坏应变居中，45°层理试样的破坏应变小于其他角度试样。并且，当平均应变率为175.42 s⁻¹时，0°和90°层理试样的破坏应变显著增大，表明当应变率足够高时，试样破坏时的层理效应减弱，试样破坏主要受基质体控制。

图  5  各层理角度下石墨矿石的破坏应变

Figure  5.  Failure strains of graphite ore at various bedding angles

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2.3   动态弹性模量变化特征

弹性模量是反映岩石抵抗弹性变形能力的重要参数。在动荷载作用下，石墨矿石的应力-应变变化具有明显的非线性特征，因此选择峰值应力的40%和60%时的应力差与应变差之比来计算煤岩的动态弹性模量：

式中：σ_0.6和σ_0.4分别为峰值应力60%和40%时的应力，ε_0.6和ε_0.4分别为σ_0.6、σ_0.4所对应的应变。

如图6所示，弹性模量随层理角度的增加呈现先减小后增大的趋势，90°层理试样的弹性模量最大，45°层理试样的弹性模量最小，此现象与强度和应变规律相似，表明试样强度低，更容易产生破坏，层理面降低了试样的性能，使得弹性模量降低，这也说明岩石各个参数的变化不是独立的，岩石参数的变化存在相互影响。

图  6  不同应变率下石墨弹性模量随层理角度的变化

Figure  6.  Elastic modulus of graphite ore varied with bedding angle at different strain rates

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2.4   能量耗散特性

图7给出了0.3 MPa冲击气压下能量-时间的变化曲线，可以看出，试样破坏时，能量演化过程大致分为3个阶段：第1阶段试样较完整，内部裂隙较少，在外力作用下，试样内部原生裂隙被压实，吸收能较少，反射能占比较高；第2阶段为裂纹扩展阶段，能量与时间增长呈线性关系，反射能增速变缓，吸收能增速变快，说明此时试样吸能效率增大；第3阶段为平台稳定阶段，此阶段能量整体维持在一个水平^[21]。

图  7  0.3 MPa冲击气压下能量-时间的变化曲线

Figure  7.  Energy-time curves under 0.3 MPa impact pressure

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为进一步分析不同层理角度对石墨矿石能量吸收效率的影响，定义吸收能与入射能之比为能量利用率ω，即：

式中：W_s(t)为吸收能，W_i(t)为入射能。

图8给出了不同平均应变率下能量利用率与层理角度的拟合关系曲线，可以看出，同一层理角度下，应变率越高，石墨矿石的能量利用率越低，能量利用率总体在0.20～0.45，并且随着层理角度的增大，石墨矿石的能量利用率先降低后升高，0°层理试样的能量利用率最高；90°层理时，由于冲击荷载方向与层理角度相同，试样破碎变为由层理面主导，导致90°层理试样的能量利用率降低。

图  8  能量利用率与层理角度的关系

Figure  8.  Relationship between energy utilization ratio and bedding angle

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试样吸收能主要包括裂纹扩展和岩石破碎耗能W_d、试样碎片飞散动能、热能和其他耗能。其中破碎耗能占吸收能的90%以上，因此忽略其他能耗，以破碎耗能近似等于吸收能，即W_s= W_d。为避免试样尺寸差异的影响，采用能耗密度反映单位体积石墨矿石的能量吸收能力：

式中：w_η为能耗密度，W_s为吸收能，V为试样体积。

图9给出了不同平均应变率下能耗密度与层理角度的关系曲线。可以看出，石墨矿石的能耗密度随层理角度的增大呈先减小后增大的趋势，能耗密度在45°层理时取得最小值，在0°层理时取得最大值。同时，随着平均应变率升高，能耗密度也随之增大，这说明等体积试样消耗了更多的能量，试样破碎度更高。

图  9  能耗密度与层理角度的关系

Figure  9.  Relationship between energy dissipation density and bedding angle

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2.5   破碎粒径与耗能特征

使用40.00、20.00、10.00、5.00、2.50、1.25和0.63 mm标准方孔石子筛对每次冲击压缩实验后的试样进行筛分，因篇幅限制，仅展示0.4 MPa冲击气压作用下筛分后的碎块块度，如图10所示。

图  10  不同层理角度冲击破碎尺寸统计

Figure  10.  Statistics of particle size at different bedding angles

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采用破碎粒径平均尺寸d_s表示矿石的破碎程度，直观描述石墨试样冲击破碎后破碎块度分布情况，表示为^[22]：

式中：d_i为不同孔筛筛上矿石的平均尺寸，η_i为对应碎块质量的百分比。

绘制不同层理角度石墨矿石试样的能耗密度与平均破碎尺寸的关系曲线，能耗密度越大，说明试样破碎时吸收的能量越多，岩石会产生更多的破碎面和更小的破坏尺寸。如图11所示，破碎粒径平均尺寸随能耗密度的增大而减小。层理角度为0°时试样破坏程度最大，碎块的平均尺寸最小；层理角度为45°时主要沿层理面发生破坏，导致试样能耗密度较低，破碎后粒径较大。其拟合关系式表示为：

图  11  不同层理角度试样的能耗密度与平均破碎尺寸的关系

Figure  11.  Relationships between energy dissipation densities and average particle sizes of samples with different bedding angles

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式中：$d^{(0)}_{\rm{s}}$、$d^{(45)}_{\rm{s}}$和$d^{(90)}_{\rm{s}}$分别为0°、45°和90°层理时的试样的平均破碎尺寸，mm。

3.   石墨矿石宏细观破裂特征及破坏模式

3.1   石墨矿石微观成分及结构

本次实验岩样取自湖北某石墨矿山，为石墨片岩型矿石，该矿区层理结构面发育，矿岩层理特征明显。利用XRD、X荧光光谱仪（XRF）和SEM对石墨矿石试样进行矿物成分和微观结构分析，如图12所示。测试结果表明，其成分主要为云母43%、石英40%、长石5%、方解石4%、石墨3%、黄铁矿3%、绿泥石1%、磁铁矿1%。由图12可知，白云母呈条状集中分布，定向排列；长石呈他形粒状，总体定向排列，接触边界较平直，部分绢云母化；石英呈他形粒状，分布具有明显的定向性，接触界限呈参差状；磁铁矿和黄铁矿呈长轴粒状定向排列分布。石墨鳞片相互交错形成含空隙的胶结结构，在层理面上集中分布，定向排列，与周围矿物接触界限明显，接触边界呈港湾状。

图  12  矿石成分及微观结构特征

Figure  12.  Ore compositions and microstructure characteristics

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由上述分析可知，石墨矿石具有非均匀性，由多种强度不一的矿物或破碎物质组合形成层状或带状薄层，其中矿物多呈定向排列，云母呈条状结构定向排列分布，为不稳定晶粒结构，易发生变形破坏；长石多沿裂隙边缘发生蚀变；石英表面光滑具有波状消光，边缘痕迹清晰，裂痕不规则，呈参差状，这导致石英最小内能面不连续，在荷载作用下易发生穿晶破坏；所有矿物在层理面形成脆弱结构，矿石破碎度较高。石墨自身具有极好的润滑性，矿物层间抗滑能力较弱，而石墨鳞片本身强度弱于周围其他矿物，这导致对石墨矿石施加荷载时，层间互相滑动较容易，鳞片易被周围矿物撕裂，导致破坏程度加深。并且石墨鳞片受垂直于结晶层的荷载作用时易从内部断裂，导致石墨矿石层理面强度弱化严重^[23-24]。

3.2   石墨矿石宏观破坏形态

从图13可以看出，石墨矿石试样冲击破坏过程中，由于试样与杆件接触边界存在约束，试件两端横向变形受到限制，此时试样中部相对自由，受荷载作用快速压缩，在试样中部破裂面易发生张拉和剪切作用并存的混合破坏。从整体的破坏形式上看，试样从靠近入射杆一端出现裂纹，并沿试样轴向扩展，宏观破坏沿着层理产生，这导致试样在破坏后呈片状。0°层理时，试样主要以冲击应力波贯穿层理面和基质体的轴向破坏为主，同时在试样中部区域层理面上产生拉破坏。45°层理时，试样以沿层理面的剪切破坏为主，此时由于应力波传播速度高于裂纹扩张速度，试样局部产生压剪破坏。90°层理时，试样以沿层理面的轴向劈裂破坏为主，局部存在少量压剪破坏。

图  13  石墨矿石试样破坏实物照片

Figure  13.  Failure photos of graphite ore

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总体来说，层理面的存在造成石墨矿的破坏模式表现出各向异性。不同层理角度石墨矿石试样的破坏模式主要分为3种：0°层理试样为贯穿层理面和基质体的张拉破坏；45°层理试样主要为沿层理面的剪切破坏，同时沿基质体产生剪切微裂隙；90°层理试样主要是沿层理面的张拉破裂。

3.3   石墨矿石微观破裂特征

通过对石墨矿石宏观破坏模式的分析可知，试样破坏主要沿层理面产生，并且不同层理角度试样的破环模式表现为各向异性。为进一步探究石墨矿石的动态破碎特征，对试样断口进行电镜扫描，扫描图像如图14所示。

图  14  试样断面微观扫描图像

Figure  14.  Microscopic scanning of specimen cross-section

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由图14可知，石墨鳞片在层理面上集中分布并沿层理面定向排列（图14(a)），鳞片在层理面上相互交错形成具有空隙的胶结集合体。在冲击荷载作用下，试样沿层理弱面产生破坏，破坏后呈片状碎块，从石墨矿石微观结构分析，石墨鳞片本身具备强度低和自润滑性的特点，胶结集合体在应力作用下容易相互错动和滑移撕裂。并且石墨鳞片与其他矿物接触界限相互交错，应力波在石墨鳞片接触界限上发生相互反射和透射，导致鳞片边缘易生成裂纹，当存在一定层理角度时，应力易使鳞片发生台阶状断裂和穿晶破坏（图14(c)）。

对0.5 MPa冲击荷载作用下破坏后的试样断口进行扫描，得到的断口扫描照片如图15所示。可以看出，0°层理时，冲击荷载垂直入射，石墨鳞片在剪切作用下从内部起裂，发生剪性滑移破裂，破坏程度较大。当存在一定层理角度时，应力使层理产生滑移断裂，此时石墨鳞片主要发生以剪性破坏为主的穿晶破坏，并且由于其他矿物硬度高于石墨，在二者接触面发生撕裂，进一步加剧石墨鳞片的破坏，岩粉较多。90°层理时，裂隙最先从鳞片间的空隙产生，使鳞片发生分离，此时以张拉破坏为主，剪性穿晶破坏较少，石墨鳞片完整性较高。

图  15  石墨碎块断口扫描照片

Figure  15.  Scanning photos of graphite fragment fracture surfaces

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3.4   致裂机理

通过对石墨矿石宏微观破坏特征分析可知，不同层理角度的石墨矿石试样的破坏模式主要分为拉伸破坏、剪切破坏和混合破坏3类，试样裂纹扩展主要受基质体和层理面共同控制。0°层理时（图16(a)），冲击荷载与层理面垂直，试样主要发生贯穿层理面的张拉破坏，裂隙直接贯通基质体，由于端部受杆件约束，在试样中部沿层理弱面产生次生环形裂纹。当存在一定的层理角度时（图16(b)），层理弱面改变了试样内部的应力状态，此时主要发生层理面控制的沿层理面方向的剪切破坏，同时沿主裂隙末梢生成次生裂隙，该破坏形式最易产生压剪层裂，试样破坏程度较高^[25]。90°层理时（图16(c)），应力波与层理面平行，且传播速度远大于裂纹扩展速度，因为层理面胶结强度更低，此时试样主要发生沿层理面的张拉劈裂破坏，应力波作用时，矿物晶粒更易产生沿晶断裂，裂纹沿层理弱面扩展并贯通，最终形成沿冲击荷载方向的拉伸劈裂。因此，石墨矿石试样随层理面与冲击荷载夹角增大的破坏形式可总结为张拉破坏—剪切破坏—张拉劈裂破坏的演化过程。

图  16  不同层理角度试样的破坏形式

Figure  16.  Failure forms of specimens at different layer bedding angles

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4.   结　论

(1) 对不同层理角度的石墨矿石试样开展了冲击压缩实验，发现随着层理角度的增大，试样的动态强度、破坏应变和弹性模量先减小后增大，总体呈U形变化，存在显著的层理劣化效应，且45°层理时劣化作用最强。

(2) 层理石墨矿石在冲击荷载作用下的破坏模式主要有3类：拉伸破坏、剪切破坏和混合破坏。大层理角度和小层理角度试样以拉伸破坏为主，中等层理角度试样更易发生剪切和混合破坏，90°层理试样主要沿层理面产生劈裂拉伸破坏，可有效减少石墨鳞片的内部断裂。

(3) 不同层理角度石墨矿石的能量耗散特性变化规律与强度特征类似。能量利用率和能耗密度随着层理角度的增大也呈现先减小后增大的趋势。45°层理能有效促进层理裂隙发育直至发生破坏，破坏后块度最大。0°层理能有效抑制能量透射，导致试样破坏程度最高，碎块的平均尺寸最小。

(4) 通过矿石和试样断口的微观分析，发现层理面上矿物多呈晶粒形态定向排列，因而石墨鳞片不仅受应力波作用导致内部断裂，当层理角度合适时，也容易被其他坚硬矿物撕裂。因此，将层理面与应力波传播方向垂直，诱导石墨鳞片接触面在拉应力作用下断裂，可有效减少鳞片自身破坏，在实际生产中可采取调整爆破应力波传播方向、减小峰值应力和扩大拉应力破坏范围的方式减少石墨鳞片破坏。