随着深部矿产资源的开发不断推进，地下工程面临的地质环境日益复杂，尤其是在高地温、高渗透压和高地应力等多重极端条件的叠加作用下，岩体的稳定性问题愈发突出（傅璇等，2022；谢和平等，2023；Li et al，2024；陶明等，2024）。深部硬脆性岩石在强热—水—力耦合作用下，极易发生突发性失稳破坏，诱发岩爆等动力灾害（谢和平等，2021；蔡鑫等，2024；何满潮等，2024），严重威胁工程建设的安全和效率，成为制约深地资源安全高效开采的关键技术瓶颈之一（Chen et al，2019；He et al，2010；由爽等，2023）。如何准确地识别高地温作用下岩体的力学响应规律并掌握其损伤演化的全过程和失稳破坏的前兆信息特征，进而评价其岩爆倾向性，对于提升深地开采的灾害预测能力和防控水平具有重要的指导意义。
花岗岩作为典型的深部硬脆性岩石，其在高地温条件下的细观破裂机制和力学响应特征成为当前岩石力学研究的热点之一（Ma et al，2024；李琴等，2024；李伟等，2024；王飞等，2024）。国内外学者从不同的角度并运用多种方法，试图揭示温度影响下岩石内部微裂纹的扩展行为和能量释放模式（张志镇等，2010；Chen et al，2024；王治磊，2024）。在岩石的热损伤和破裂机制方面，通过光学显微镜等细观结构观测手段发现热致裂纹的萌生、扩展和聚结是花岗岩高温劣化的主要原因（卜墨华等，2024）。在热损伤演化方面，研究发现花岗岩的变形特性、强度参数和裂纹扩展过程均随温度的升高发生显著变化，声发射监测技术揭示了热损伤发展与微裂隙演化的内在关联（Yang et al，2017；Miao et al，2021）。微观结构特征研究表明，高温作用会重塑花岗岩的孔隙网络结构，压汞法测试显示其孔径分布具有明显的分形特征，且分维数随温度的升高而增大，为热损伤的微观机制提供了重要依据（张志镇等，2016）。在能量演化规律方面，单轴压缩和动力扰动试验表明，温度升高会显著改变岩石的能量存储与释放模式，促使能量耗散路径转变，提高动态扰动下的能量释放效率（尹土兵等，2013；付文姜等，2023）。真三轴岩爆试验进一步揭示，高温环境会显著影响岩爆的破坏特征，表现为弹射动能增大、碎片形态改变等现象，温度和地应力的耦合作用会形成特殊的竞争机制（苏国韶等，2016；李天斌等，2022）。然而，上述研究大多集中在对岩石某一特性的影响研究，缺乏对温度与岩石损伤演化规律以及岩爆倾向性之间关联关系的探究。
综上所述，现有研究虽在温度对花岗岩力学特性和岩爆倾向性方面取得了一定的进展，但将声发射实时监测、细观断裂形态观察与宏观脆性、能量指标进行系统关联，以完整刻画从损伤演化至失稳倾向性的全过程研究尚待深化。为此，本文以常温、55 ℃和75 ℃条件下的深部花岗岩作为研究对象，采用MTS 815 Flex GT岩石力学试验系统开展三轴压缩试验，并结合声发射监测技术与扫描电子显微镜（SEM）观测手段，从声发射演化过程、细观破裂特征及脆性指标与冲击能量指标出发，揭示不同温度下花岗岩的损伤演化规律与岩爆倾向性变化特征，旨在为深部高温岩体工程的稳定性评估与灾害防控提供理论依据和技术支撑。
1 试验设计及方案
试验采用MTS 815 Flex GT岩石力学电液伺服装置，试验设备由控制系统、水压系统、油压系统、温度系统、三轴压力室以及位移、温度、压力高精度传感器组成。本装置最大可承受的轴向载荷为4 600 kN，最大可承受围压为140 MPa。径向应力和轴向应力通过轴向引伸计和环向引伸计测定，其中岩石轴向引伸计的测量距离为-5~5 mm，径向引伸计的量程范围为-2.5~8.0 mm，测量精度达到5‰RO，如图1所示。
经过对工程区进行地温现场测试，得到在常见的800 m深度工作面地温约为25 ℃，2 000 m以深采场地层温度可达55 ℃，3 000 m以深采场地层温度可达75 ℃。因此，本文选取3种不同温度对岩石进行加温、恒温和三轴压缩试验，即常温、55 ℃和75 ℃。三轴试验围压依据工程现场前期原位地应力实测结果（图2）确定，在-2 000 m地层范围内原岩应力为45~70 MPa（朱明德等，2023），本文取其代表值55 MPa作为试验围压。尽管3 000 m地层温度可达75 ℃，但为剥离围压变化对试验结果的影响，本文 根据“固定应力水平、扫描温度梯度”的思路设计试验方案，分析岩石的力学响应与岩爆倾向性差异。
温度—应力耦合试验方案与试验过程如下：
（1）对于需要加温的试样，首先通过温度系统对试样进行加温，当三轴室内温度达到预定值（55 ℃和75 ℃）后停止升温，并以此温度恒温保持2 h。
（2）将围压以4 MPa/min的速率增加至预定值55 MPa后，以30 kN/min的加载速率施加轴向荷载至450 kN，随后改为环向变形控制模式，设定环向变形速率为0.02 mm/min，直至试样破坏，如图3（a）所示。
（3）施加围压及轴向荷载的过程中均配备声发射装置，共布置8个声发射探头（编号为1#~8#），分为上下2组：1#~4#在底部圆周呈90°对称分布，5#~8#在上部圆周呈90°对称分布，且1#与5#、2#与6#、3#与7#、4#与8#上下一一对应。所有探头均以凡士林作为耦合剂，确保与试样表面紧密贴合，并采用夹具固定。声发射探头布置方式如图3（b）所示。声发射系统试验设备为PCI-2型多通道AE检测仪，其中AE传感器谐振频率为150 kHz，前置放大增益60 dB，采样频率设置为1 MSPS（每秒百万采样数），门槛值设定为35 dB。
2 地温作用下花岗岩的损伤演化分析
2.1 花岗岩破裂过程声发射特征分析
同一种岩石在相同应力路径作用下加载过程中的声发射活动性规律基本相似。然而，在不同的温度条件下，其声发射信号在全应力—应变曲线各个阶段的声发射信号特征具有一定差异性。
在岩石的压密阶段和弹性变形阶段，常温和55 ℃条件下的花岗岩试样在加载过程中声发射信号较少，几乎没有显著的声发射活动，在1%应变处声发射累计振铃计数为16 050次，反映出该区域花岗岩结构致密，内部原始裂纹和孔隙数量较少。在此温度下，该阶段加载过程中岩石内部累计损伤极小，所积累的应变能有限，并在变形过程中迅速耗散，因此声发射活动极为微弱。在75 ℃高温条件下，在压密和弹性变形阶段可以检测到一定程度的振铃计数，在1%应变处声发射累计振铃计数为33 372次，虽然整体水平仍较低，但明显高于常温和55 ℃试样。这主要归因于高温引起的矿物颗粒热膨胀差异，导致试样内部产生少量新生微裂纹或使原本接近闭合的微裂纹被激活，从而释放出微弱的应变能。在此条件下，声发射信号表现为零星、分散的小幅活动，反映了高温下岩体内部的微裂纹在早期即已发生一定调整和萌生。
随着荷载继续增加，岩石进入屈服阶段和扩容阶段后，声发射活动在3种温度条件下均出现显著增强，但特征有所不同。在常温作用下，声发射的振铃计数和AE累计能量在靠近峰值强度处呈突发式上升，导致累计振铃计数和累计AE能量在靠近峰值强度处从较低水平瞬间跃升至较高水平，释放出大量应变能，裂纹扩展集中且破坏过程脆性明显。55 ℃试样在峰值强度前表现出比较明显的2次声发射信号的跃升，第一次累计振铃计数和AE累计能量的跃升出现在屈服阶段的中期，表明岩石局部区域发生了应力集中，导致部分闭合裂纹重新张开并形成局部微裂纹簇，释放出一定的能量；第二次跃升发生在载荷达到峰值应力时，伴随着试验过程中清晰的“劈裂声”，形成岩石试样的贯通破坏。在75 ℃高温作用下，由于热应力作用强烈，大量新生裂纹在屈服阶段持续生成并缓慢扩展。声发射信号表现为连续、平稳且逐渐增强，不同于常温和55 ℃条件下的集中爆发。裂纹扩展以渐进形式发生，能量以分散方式释放，表明岩体逐渐形成互联的微裂纹网络，破坏过程更具延性。
为进一步研究温度作用对花岗岩破裂特征的影响，对试样RA-AF参数进行了统计分析，结果如图6所示。RA值反映声发射信号的波形特征，AF值则表征信号的频率特性。一般而言，张拉裂纹对应的声发射信号具有波形陡峭、上升时间短且频率较高的特征，表现为低RA值和高AF值；而剪切裂纹对应的信号波形相对平缓、持续时间较长且频率较低，表现为高RA值和低AF值。
由图6可知，各温度条件下RA-AF数据点整体呈现出典型的“L”型分布特征，表明试样破坏过程中以张拉裂纹为主导。在常温条件下，张拉裂纹占比约为77.58%，剪切裂纹占比为22.42%；当温度升高至55 ℃时，剪切裂纹比例略有增加，达到24.01%；进一步升温至75 ℃，剪切裂纹比例显著提高至33.79%，张拉裂纹比例相应下降。上述结果表明，随着温度的升高，试样破坏模式逐渐由以张拉破坏为主向张拉—剪切复合破坏转变。高温条件下矿物颗粒的热膨胀不均和胶结基质的软化作用增强，削弱了岩石内部结构的整体稳定性，从而促进了剪切滑移裂纹的产生，使岩石破坏机制由脆性张拉破坏逐渐向剪切主导破坏演化。
综上所述，在常温条件下，热应力作用微弱，裂纹主要依赖原生缺陷突然扩展，破坏过程表现为典型的脆性突发破坏，声发射特征为短时强脉冲，能量集中释放。当温度为55 ℃时，适度热应力导致部分裂纹闭合，裂纹扩展过程受到胶结力和摩阻力的控制，破坏过程表现为阶段性突发：在屈服阶段和扩容阶段出现2次明显的局部应力集中与能量释放，声发射信号呈分阶段强峰特征。在75 ℃高温下，热膨胀差异大幅增强，新生裂纹持续生成并逐步扩展，裂纹扩展阻力降低，能量通过微裂纹网络逐渐耗散。即使在压密和弹性阶段，也可观察到一定的声发射活动；整体破坏表现为持续性信号上升，反映出破坏过程由集中突发向渐进耗散转变。即随着温度的升高，岩石从高脆性（常温）向低脆性（75 ℃）转化，声发射信号从“突发强信号”转为“持续性信号”，反映破坏机制从“应力突发释放”到“能量渐进耗散”的转变。
2.2 花岗岩细观损伤形态分析
对不同温度条件下经热—力耦合作用破坏后的花岗岩新鲜断面进行切割、磨片和喷碳处理后，采用蔡司ZEISS EVO 18材料分析扫描电子显微镜对花岗岩的破断面进行扫描，获得不同温度下试样破断面的微观孔隙（裂隙）破坏特征和破断面的发育特征，如图7所示。
由图7可知，在常温条件下，花岗岩发生典型的沿晶脆性断裂，断口平整，呈冰糖状，界面棱角清晰，结晶面光滑，无明显塑性变形迹象，且边缘未出现剪切唇。此类脆性断裂裂纹主要沿晶界扩展，尤其是在三角晶界处由于应力集中显著，更容易引发裂纹萌生，如图7（a）和图7（b）所示。在温度为55 ℃条件下，试样破坏面呈现破碎断裂特征，出现较多“碎渣”。该现象是由于温度升高引起的矿物颗粒与胶结物之间热膨胀性质的差异，导致局部内应力在胶结薄弱处集中，进而发生断裂并沿邻近弱面扩展，因此新生微裂纹较少，宏观表现为破碎状断面，如图7（c）和图7（d）所示。当温度升高至75 ℃时，试样断口中出现大量杂乱无序的微裂纹，反映出热应力和热损伤显著促进了裂纹的萌生和扩展。断口表面粗糙，纹路不规则并具有一定的延性断裂行为，这是由于高温加剧了矿物颗粒与胶结物的热运动，在外部荷载作用下颗粒发生位移，导致出现更复杂的断裂形态，如图7（e）和图7（f）所示。
综上所述，岩石作为一种多晶粒材料，晶粒本身的强度高于晶粒之间的黏结强度，因此在外部荷载和温度的共同作用下容易沿晶界发生断裂破坏。由于温度的变化，岩体矿物颗粒与胶结物热膨胀性存在差异，导致岩石内部产生不同强度的热应力，这是造成不同温度下岩石破断形态存在差异性的根本原因。温度变化通过对热应力和热损伤的影响，显著改变了花岗岩的断裂机制：常温下以沿晶脆性断裂为主；随着温度的升高，热膨胀差异导致内应力集中，使55 ℃试样呈现为破碎断裂；而在更高温度下，热损伤累积促使微裂纹大量产生，断裂面粗糙度增加，表现出一定的延性特征。
2.3 花岗岩宏观破坏形态分析
综上所述，不同温度条件对花岗岩试样的宏观破坏形态具有显著调控作用，且破坏特征的演变与岩石内部热应力累积、微结构劣化及力学性能转化密切相关，并与细观观测结果形成良好呼应。随着温度由常温升高至75 ℃，花岗岩的破坏模式由典型的脆性轴向劈裂逐渐演化为劈裂—剪切复合破坏，最终发展为高温下的多裂隙弥散型破坏，反映出明显的脆性减弱和塑性增强的变化趋势。这一转变主要源于矿物间热膨胀性质的差异所引发的热应力积累和内部结构损伤，二者导致微裂隙扩展、矿物边界析出及宏观破裂面形态趋于复杂。
3 地温作用下花岗岩的岩爆倾向性分析
岩爆倾向性评估为分析和预测开挖后可能遇到的岩爆灾害提供了重要依据。岩爆的倾向性是岩体自身具有某种活跃和强烈的岩爆作用。活跃是指在同样条件（地质、地应力、钻探方法和孔径等）下岩爆的难易程度，而剧烈性则是在同样的破坏条件下，岩体的反应特性（声音、弹射等）以及能量释放大小。目前，广泛使用的岩爆倾向性指标（Luo et al，2024）包括冲击能量指数（W cf）和强度脆性指数（B）等。
3.1 不同温度作用下花岗岩的脆性指数
脆性是大多数深部岩石的一种非常重要的性质，在深井开采过程中会遇到明显的区别于浅井的地质条件和问题。岩石的脆性破坏是由于外部压力的不断增大致使裂纹产生、扩展最终造成的断裂破坏，应力—应变曲线表现为无明显的塑性变形，破坏时应力快速降低。因此，研究应力—应变曲线各阶段的特征应力之间的关系对岩石的脆性评价具有重要意义（金爱兵等，2024；张旗等，2024）。从岩石不同温度条件下的应力—应变曲线可知，峰后残余应力难以确定，尤其是常温条件下的应力曲线，这是由于岩体脆性破裂过快，偏应力迅速降低使得仪器出于自我保护机制自动停机，残余强度阶段应力数据无法记录。因此，利用花岗岩峰前阶段的特征应力讨论其脆性特征指标。
由2.1节分析可知，前期部分原生孔隙闭合、裂隙压密，随着偏应力的持续增加，在破坏过程中，岩体的体积由压缩向膨胀转变，且体积—应变曲线产生弯曲转折，出现拐点。在此基础上，裂纹体积应变也出现明显的改变，应力—应变曲线开始达到扩容阶段。因此，采用易于选取的体积—应变曲线的拐点即损伤应力和相应的轴向应变来表示脆性指数B（Zhang et al，2016），计算公式如下：
表1 不同温度下深部花岗岩的脆性指数Table 1 Brittleness index of deep granite at different temperatures |
| 温度 | 脆性指数B |
|---|---|
| 常温 | 0.62 |
| 55 ℃ | 0.30 |
| 75 ℃ | 0.25 |
由表1可知，随着地层温度的升高，岩体的脆性指数减小，具有脆性向塑性转化的趋势，这与应力—应变曲线峰后跌落速率减缓的特征相一致。一般而言，花岗岩的脆性指数越高，岩石的岩爆倾向性越强。因此，随着温度的升高，花岗岩岩爆发生的潜在可能性呈下降态势。进一步分析脆性指数的变化梯度可知，从常温到55 ℃时，脆性指数的平均变化率为0.0107/℃，变化量为0.32；而从55 ℃到75 ℃时，该变化率仅为0.0025/℃，变化量为0.05。通过对比发现，低温区（25~55 ℃）的脆性衰减速率约为高温区（55~75 ℃）的4.3倍。
结合不同温度下声发射信号特征图（图4和图5）、花岗岩破坏面的电镜扫描（图7）和宏观破坏形态分析（图8）来看，在常温至55 ℃阶段，在热应力作用下，初始高脆性结构胶结薄弱处优先破坏，宏观上从单一劈裂转为复合破坏，声发射信号提前爆发，对应脆性指数大幅下降；在55 ℃至75 ℃阶段，SEM图像［图7（e）、7（f）］显示，在75 ℃高温条件下试样内部微裂纹数量明显增多，热损伤累积以新生微裂纹萌生为主，但这些裂纹以短小、分散和非贯通裂纹为主，裂纹间连通性较弱，尚未形成有效的贯通破坏通道。此类裂纹主要起到应变协调与能量渐进耗散的作用，而非诱发瞬时失稳破坏。因此，尽管微裂纹密集发育，岩石整体仍保持一定的承载，使宏观脆性指标并未出现大幅下降，且声发射信号趋于分散，故脆性指数下降趋缓。
3.2 不同温度作用下花岗岩的冲击能量指数
冲击能量指数（Wcf ）作为评估岩爆风险的经典量化参数，因物理意义明确，且能直接反映“能量积聚—释放”这一岩爆核心机制，在地下工程、矿山开采等实践中应用广泛。其本质是通过量化岩石在受力过程中的能量分配特征来判断岩爆潜力：其计算以全应力—应变曲线为基础，通过积分分别求解峰值应力前岩石吸收并储存的弹性应变能和峰值应力后岩石破坏时耗散的塑性应变能，再通过二者的比值来计算。相较于仅依赖单一力学参数（如单轴抗压强度）的评价方法，该指标的优势在于：不仅能体现岩石储存能量的能力，还能反映其释放能量的效率，可捕捉岩石从稳定变形到突发冲击破坏的能量临界状态，其具体计算如式（2） 所示。W cf即代表冲击能量指数（Xin et al，2023）：
式中：F 1为峰值前区面积；F 2峰值后区面积。
当W cf>3.0时，为强岩爆倾向性；当2.0<W cf<3.0时，为中度岩爆倾向性；当1.0≤W cf≤2.0时，为弱岩爆倾向性；当W cf<1.0时，为无岩爆倾向性。
如图4和图5所示，常温条件下花岗岩的应力—应变曲线在峰后阶段表现出显著的回弹现象，即应力随着应变的减小而减小，这种现象属于典型的Ⅱ类破坏行为（Wawersik et al 1970；陈绍杰等，2010）。常温条件下，花岗岩内部裂纹扩展速度极快，且未受热损伤的岩石基质具有极高的脆性，导致其峰后软化模量的绝对值超过刚性试验机的加载系统刚度。在破坏瞬间，岩石积聚的弹性应变能释放速率远大于裂纹扩展所需的耗散能速率，多余能量转化为动能，引发猛烈的动力失稳，增加了岩爆发生的可能性。鉴于回弹现象导致常规积分无法准确计算峰后耗散能，为定量评价其岩爆倾向性，采用临界垂直跌落模型对具有回弹现象的曲线进行修正估算。即假设峰后应力路径为从峰值点垂直跌落至残余强度，以此计算最小耗散能。
运用上述原理对不同温度下岩体的岩爆倾向性进行了预测分析，结果见表2。
表2 不同温度下深部花岗岩冲击能量指数及岩爆倾向性Table 2 Impact energy index and rockburst tendency of deep granite at different temperatures |
| 温度 | 峰值前区面积 | 峰值后区面积 | 冲击能量指数 | 倾向性等级 |
|---|---|---|---|---|
| 常温 | 123.88 | 13.25 | 9.34 | 强岩爆 |
| 55 ℃ | 206.07 | 61.52 | 3.35 | 强岩爆 |
| 75 ℃ | 202.03 | 104.10 | 1.94 | 弱岩爆 |
由表2可知，随着温度的升高，深部花岗岩的岩爆倾向性逐渐减弱。在常温和温度为55 ℃条件下，花岗岩均表现为强岩爆倾向性，说明在此温度区间内岩石内部弹性能储存和释放的特性，使其发生岩爆的风险较高；当温度升高至75 ℃时，岩爆倾向性降为弱级，岩爆发生风险显著降低。这是因为温度上升会让岩石内部生成微小裂隙，这些裂隙在岩石受载过程中能够消耗更多峰值前的应变能，使得岩石可储存的弹性能减少。由于岩爆是岩石内部弹性能突然释放导致的，因此弹性能释放量的降低使得岩爆发生的可能性随温度的升高而降低。
4 结论
（1）温度升高对花岗岩损伤演化规律具有一定的影响。在常温和温度为55 ℃条件下，压密与弹性阶段声发射活动微弱，屈服至扩容阶段出现突发式高能信号，反映应力驱动下的集中式破坏；当温度升高至75 ℃时，压密与弹性阶段已存在微弱声发射活动，屈服至扩容阶段信号转为连续平稳增强，体现微裂纹渐进扩展与能量分散耗散的破坏机制。声发射信号表现为从“突发强脉冲”到“持续性信号”的转变。
（2）温度显著改变花岗岩的细观与宏观破坏模式。常温下，花岗岩发生典型沿晶脆性断裂，断口棱角清晰、结晶面光滑，宏观以单一轴向劈裂破坏为主；当温度为55 ℃时，矿物与胶结物热膨胀差异导致局部内应力集中，试样呈破碎断裂特征，宏观表现为劈裂—剪切复合破坏；当温度升高至75 ℃时，热损伤累积促使大量杂乱微裂纹萌生扩展，断口粗糙且具延性特征，宏观呈现为多裂隙弥散型破坏，实现从高脆性到低脆性的明显转化。
（3）岩爆倾向性随着温度的升高逐渐弱化。常温下花岗岩脆性指数为0.62，应力—应变曲线呈典型脆性跌落特征，岩爆倾向性强；当温度为55 ℃时，脆性指数降至0.30，冲击能量指数为3.35，仍保持强岩爆倾向性，但脆性弱化趋势明显；当温度为75 ℃时，脆性指数进一步降低至0.25，冲击能量指数降低至1.94，岩爆倾向性转为弱级。高温下微裂纹的发育消耗了更多应变能，降低弹性能储存和释放效率。
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