单向受限应力下镐型截齿破岩特性及其影响因素分析

基于刀具破岩的非爆机械化开采有望成为深部矿山开采的主要替代方法之一。矿岩可切割性是制约刀具破岩的关键因素,其受到受限应力条件和岩石性质的影响。因此,研究不同种类岩石在不同受限应力条件下的可切割性,可为机械刀具破岩提供理论依据和关键技术参数支撑。首先在不同受限应力条件下,对花岗岩、大理岩、红砂岩和磷矿石进行了截齿破岩试验。然后,以试验结果为基础,对脆性指数、受限应力条件与截齿破岩峰值载荷和破岩比能之间的关系分别进行了回归分析。最后,利用熵权法评价了岩石强度特性和受限应力条件对截齿破岩峰值载荷和破岩比能的影响权重。结果表明：所建立的回归模型具有良好的预测精度,单向受限应力和脆性指数对截齿破岩峰值载荷和破岩比能的影响均呈非线性变化;单向受限应力和岩石强度特性对截齿破岩性能均有显著影响,且单向受限应力的影响权重略大于岩石强度特性。研究结果可为深部矿山非爆机械化开采可行性判别以及破岩参数设计提供理论依据。     

盾构刀具冲击破岩传递过程研究

为研究滚刀冲击破岩的传递过程,以盾构机冲击破岩试验台滚刀为研究对象,通过静力加载分析得到滚刀刀轴刚度与刀圈变形量.在振动理论建模的基础上,通过ADAMS对滚刀进行动力学仿真,并对仿真振动信号进行相关性分析.最后在盾构机滚刀冲击破岩试验台上验证了研究结果.研究表明:滚刀冲击振动经过刀体以后衰减与畸变极小,对滚刀施加的冲击振动有97!能够传递给岩石.随着冲击动载荷的增大,滚刀受到的总载荷增大,滚刀侵入深度增大.同时大理岩的破碎块增大,破碎重量增加.     

振动冲击下PDC切削齿在层理岩层的破岩仿真分析

层理岩层是钻井工程中经常遇到的一类岩层,存在地质条件复杂、非均质性强、软硬交错、地层倾角大等特点,PDC钻头在该类岩层破岩效率低,经常发生先期损失。为了提高PDC钻头在层理岩层的破岩效率,以Drucker-Prager准则作为岩石的本构关系,用有限元软件建立PDC切削齿在振动冲击下破岩的仿真模型,研究了层理岩层在PDC切削齿切削过程中的破碎情况及PDC切削齿在不同振动频率和冲击幅度下对层理岩层破岩效率的影响。研究表明:振动频率越高,破岩比功越小,冲击幅值大小与破岩比功无明显相关性,振动冲击载荷有利于提高层理岩层的破岩效率。     

基于数值模拟的冲击载荷下岩石振动分析

钻遇深井硬地层时旋转冲击钻井是应用最广泛的钻井方法之一,基于Drucker-Prager本构关系建立方程,应用有限元数值模拟软件分析各参数对岩石振动的影响,并采用进行室内试验进行验证。结果表明:岩石在钻头的冲击载荷作用下的振动是互扰的,岩石振动,受到岩石自身刚度、密度的影响,当钻头对岩石施加一个高频冲击力时,则刚度越小的岩石振动越大,振动速度越快冲,击载荷下岩石破岩机理的研究对于指导井下钻井冲击工具的设计具有重要意义。     

岩石破碎方法的研究现状及展望

综述了机械破岩(冲击破岩、切削破岩和冲击-切削破岩)和非机械破岩(水力破岩、热-机碎岩、贯通锥形断裂破岩、激光破岩、微波破岩、等离子破岩和电子束破岩)两种岩石破碎方法的研究现状,分析了各自的优缺点,对我国岩石破碎研究的发展趋势进行了展望。     

微扰动作用下预静载硬岩的断裂特性研究

为了研究预静载条件下硬岩在微扰动作用下的断裂特性变化规律,采用花岗岩制作中心直裂纹巴西圆盘(CSTBD)试样,在MTS Landmark电液伺服试验机上,利用圆弧形加载方式,进行硬岩在平行于预制裂纹方向的预静载荷和微扰动载荷的组合作用下的断裂特性研究。设定预静载荷水平为常规准静态断裂载荷的90%,设定微扰动载荷幅值为常规断裂载荷值的10%,下限为常规断裂载荷的80%,上限为常规断裂载荷值。扰动频率分别为1 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz、30 Hz、50 Hz和70 Hz。研究结果表明:在预静载加载段,岩石试样内部沿预制裂纹方向新的裂纹已经产生发展,并且裂纹扩展的速度随着载荷的增大而增大;在扰动载荷加载段,随着扰动次数的增加,裂纹扩展的速度越来越慢,岩石损伤程度逐渐积累;在断裂破坏段,岩石损伤程度超过了承受极限,裂纹贯穿沿预制裂纹方向贯穿试样,岩石断裂破坏;在预静载作用下,试样已经处于临界失稳状态,扰动作用会诱发试样的断裂失稳破坏,扰动频率超过10 Hz后,减韧效应随着扰动频率的提高并不明显,扰动使得试样的总体变形量有减小的趋势。     

静载荷与循环冲击组合作用下岩石损伤本构模型研究

建立合理的损伤本构模型,对研究岩石在静载荷与循环冲击组合作用下的动态力学性能具有重要的意义. 首先,基于静载荷与循环冲击组合作用下岩石的损伤累积演化模型,结合岩石弹性模量与累积损伤变量的关系,将循环冲击次数引入岩石损伤本构关系中. 接着,假设岩石微元体强度服从Weibull分布,将统计损伤模型和黏弹性模型相结合,并根据Drucker-Prager破坏准则,建立有轴压有围压时循环冲击作用下岩石的动态损伤本构模型.进而,利用岩石动静组合加载试验数据验证损伤本构模型的正确性和可行性. 最后,研究模型中参数对循环冲击过程中应力-应变曲线的影响规律.结果表明,建立的岩石损伤本构模型较好地与试验数据吻合,能较好地反映具有静载荷的岩石在循环冲击过程中的本构关系.岩石的弹性模量、黏性系数等参数对循环冲击时岩石的应力-应变曲线影响较大;而岩石的摩擦角和泊松比等对具有三维静载岩石的冲击疲劳应力-应变曲线影响较小. 循环冲击过程中,岩石的非均匀度逐渐增加. 研究结果有益于完善静载荷与循环冲击组合作用下岩石动态疲劳力学理论体系.      

深部硬岩可切割性及非爆机械化破岩实践

为了系统地认识应力条件、矿岩特性和破岩参数等因素对深部硬岩截割特性的影响,梳理并总结了以往关于深部硬岩截割特性室内试验及非爆机械化破岩现场实践工作。根据3种应力环境对镐型截齿静态和动静组合破岩特性的影响,结合构建的截齿破岩峰值载荷理论及回归模型,发现硬岩在较低围压或无围压条件下具有安全高效的破碎表现;根据高单轴围压下截齿破岩扰动诱发岩爆的过程和机理,揭示了采矿过程中由开采扰动诱发高应力矿柱岩爆的发生机制;基于加卸荷诱导损伤、预切槽和预钻孔等人为诱导缺陷对镐型截齿破岩特性的影响研究,得到人为诱导缺陷可有效提高硬岩的可切割性,获得了改善硬岩可切割性的成套方法;现场试验了多种机械化破岩方法,提出了基于应力解除和动静组合破岩的预切槽硬岩矿体旋转振动连续截割设备及其施工工艺。研究结果可为深部硬岩矿体非爆机械化规模开采提供理论基础和现场实践经验。     

基于离散元的花岗岩热敏感性及裂纹扩展研究

在一定应力状态下,热诱导产生的应力场和初始应力场相叠加,导致岩石中裂纹萌生,对岩石的力学性质造成影响。基于离散元方法,在不同初始应力状态下,对含有不同倾角预制裂纹模型的热裂过程进行研究。对相关热特征值进行分析,并根据Det.（σ_ij ）准则,结合第二不变量的演化过程,对热裂纹的扩展路径进行理论分析。结果表明：高应力状态下,热敏感性较强（起裂温度较低,裂纹扩展温度区间靠前,裂纹扩展剧烈）,峰值温度较低,而峰值热应力较高;不同角度的预制裂纹也会影响相关热特征值,在同一初始应力状态下,随着预制裂纹角度的增加,热敏感性降低;热裂纹首先在预制裂纹尖端形成,随着温度的升高,应力第二不变量的分布发生改变,热裂纹在第二不变量最大处扩展。研究结果对深部热力破岩和岩石工程稳定性具有一定借鉴意义。     

冲击荷载对具有轴向静应力红砂岩应力波传播速度的影响特性

岩体工程爆破开挖时,距爆源不同距离处的围岩体承受不同大小的冲击荷载和地应力。为研究冲击荷载和地应力对岩石应力波传播速度的影响,利用改进SHPB试验装置对红砂岩进行应力波传播试验,设置7个等级的轴向静应力和冲击速度,分别模拟工程中的地应力和冲击荷载大小。基于试验得到入射波和透射波起跳点的时间差,计算岩石的应力波传播速度,得到静应力和冲击速度对应力波传播速度的影响规律。构建岩石应力波传播速度与冲击速度的关系经验模型,探索拟合参数随轴向静应力的变化规律。通过测量冲击试验后岩石的声波波速,得到受载后岩石声波波速随冲击速度的变化规律,探究动载荷对岩石应力波传播速度的影响机理。研究结果表明,具有轴向静应力岩石的应力波传播速度随冲击速度的增加先增大后减小,二者呈高斯函数的变化关系。轴向静应力显著影响应力波传播速度与冲击速度的变化关系,各个拟合参数随着轴向静应力的增大呈现不同的变化趋势。在不同的轴向静应力工况下,受载后岩石的声波波速随着冲击速度的增大呈现“平缓减小—急剧减小”的变化趋势。研究结果有助于分析深部工程岩体爆破开挖应力波的传播规律以及邻近结构的稳定性分析。     

冲击荷载下岩石裂纹扩展研究进展

为了给深部资源开采和大型地下空间工程中围岩体的变形机理及稳定性控制提供理论基础,通过查阅大量关于表征岩石裂纹扩展的裂纹扩展模型、应力强度因子和断裂韧性的国内外文献,总结了前人的研究成果。依据现有研究,提出了动荷载作用下岩石裂纹扩展的几点建议：（1）综合考虑弹性力学、断裂力学和损伤力学建立岩石材料从微观断裂到宏观破坏这一演变过程的理论模型,使理论模型更加适应岩石材料的非线性特征;（2）采用分形、自组织和混沌等非线性理论表征动荷载作用下岩石内部以及表面裂纹的扩展演化特征;（3）采用颗粒离散元和有限差分模拟岩石材料裂纹扩展演化特征。     

N型组合节理类岩体单轴压缩破坏试验

针对实际工程中平行与交叉裂隙组合呈N字形裂隙岩体的稳定性问题,以N型组合节理为研究对象,开展了N型节理类岩体试件超声波检测试验和单轴静载试验,结合断裂力学理论,分析其强度特征、破坏特征和超声波波速衰减规律。结果表明：（1）N型组合节理类岩体的裂纹类型依次有翼型裂纹和次生倾斜裂纹,其扩展路径最终均趋向于主应力方向,不同于单节理下的裂纹发展规律;（2）当主节理倾角一定时,主次节理夹角和节理条数对试件的物理性能有一定的影响。各组合节理试件的波速衰减率范围在0.9%～9.6%之间,且15°和90°夹角节理试件的波速衰减最快,而60°夹角节理试件的衰减最慢;（3）组合节理类岩体的本构关系、峰值强度和破坏特征均表现出非线性特征。峰值强度分布规律基本服从M型分布,不同于单节理下的U型分布,其中15°、30°、45°、75°和90°夹角试件,以及完整试件呈准脆性破坏,其他夹角试件呈脆性破坏。     

锌锅用热轧钢板解理断裂行为分析简

 通过断裂试样断口的宏观和显微分析、显微组织表征、拉伸和冲击试验以及解理断裂应力条件,讨论分析了锌锅用低强度级别钢板弯曲成形断裂的微观解理断裂行为。结果表明,钢板发生解理断裂的微观机制与冲击试样断裂相同,即晶粒尺寸控制的穿过晶界的裂纹扩展是解理断裂的临界事件。粗大的铁素体晶粒的面积分数过高显著降低了裂纹扩展阶段所需的局部解理断裂应力σf。断口宏观分析判断在钢板边部应存在导致应力集中的初始裂纹源,这极大降低了启动解理断裂的断裂应力并同时提高裂纹源前端的正应力σyy,扩大了解理断裂活跃区至初始裂纹前端,从而不可避免地发生脆性解理断裂。     

深部岩体水耦合爆破裂纹扩展数值模拟研究

为认识深部高地应力岩体水耦合爆破裂纹扩展过程及机理,选择试验验证的RHT本构,采用LS-DYNA对水耦合装药单孔在不同原位应力场下的岩体爆破裂纹扩展进行数值分析。模拟结果表明：水耦合的方法延长了爆炸作用时间,提高了岩体中爆炸应力峰值和PPV（质点振动速度峰值）,增强了爆破致裂岩体的效果;原位应力在深部岩体水耦合爆破中起到增加岩体中应力和PPV的作用。研究表明：在不同的地应力条件下,均存在某一最优水不耦合系数,且最优不耦合系数随原位应力的增加而减小,水耦合时,在原位应力为0,10,20,30,40 MPa的条件下,最优不耦系数分别为5.00、3.30、2.63、1.56和1.25。     

冲击荷载下含层理介质动态裂纹扩展特性研究

利用数字激光动态焦散线实验系统（DLDC）,对含不同层理角度（30°,45°和60°）的3组有机玻璃板（Polymethyl methacrylate, PMMA）试件进行三点弯落锤冲击试验,借助高速相机记录了试件的断裂过程和裂纹尖端的动态焦散斑形状变化过程,得到了其Ⅰ、Ⅱ型动态应力强度因子的变化特征,并分析了其裂纹尖端位移及速度曲线.结合离散格子弹簧模型（DLSM）,对比分析了试件的断裂形态,得到了裂纹尖端的应力场和运动场的变化规律,研究了应力波在层理处的透射和反射特征,最后利用DLSM分析了层理参数对介质断裂特性的影响.结果表明,试件的断裂特征,裂纹的起裂时间等都随层理角度的变化而不同,裂纹在不同角度层理内扩展速度不同;试件的断裂表现出拉剪复合特征;裂纹在抵达层理前速度在某一数值上下波动;层理的弹性模量和厚度都会对试件的动态断裂特性产生影响.     

地应力作用下偏心装药的炮孔裂隙分布

根据爆炸应力波和爆生气体的理论,考虑地应力的作用,结合断裂力学中最大周向应力理论,推导出了偏心不耦合装药条件下初始裂隙和扩展裂隙的计算公式。选取2号岩石乳化炸药和3类典型岩石参数对偏心不耦合装药下的裂隙范围进行了计算,并分析地应力对爆炸应力波引起的初始裂隙的影响。结果表明:炮孔壁上各点的不耦合系数由偏转角度α、炮孔与药卷半径之差决定;炮孔上不耦合系数的不同,致使偏心不耦合装药结构下裂隙分布十分不均匀,耦合侧与不耦合侧裂隙长度存在较大差异;地应力的存在抑制了裂隙的扩展,随着地应力的不断增大,炮孔周边裂隙范围逐渐减小,不耦合侧最短裂隙对应角度α逐渐增大,且其裂隙范围接近粉碎区半径。当3类岩石爆破施工中遇到高地应力时,采用三角形布孔,考虑不耦合侧裂隙很短或者不产在的情况,炮孔间距应控制在0.45~0.70 m之间。     

Porothermoelastic Analysis of the Response of a Stationary Crack Using the Displacement Discontinuity Method

Thermally induced volumetric changes in rock result in pore pressure variations, and lead to a coupling between the thermal and poromechanical processes. This paper examines the response of a fracture in porothermoelastic rock when subjected to stress, pore pressure, and temperature perturbations. The contribution of each mechanism to the temporal variation of fracture opening is studied to elucidate its effect. This is achieved by development and use of a transient displacement discontinuity (DD) boundary element method for porothermoelasticity. While the full range of the crack opening due to the applied loads is investigated with the porothermoelastic DD, the asymptotic crack opening is ascertained analytically. Good agreement is observed between the numerical and analytical calculations. The results of the study show that, as expected, an applied stress causes the fracture to open while a pore pressure loading reduces the fracture width (aperture). In contrast to the pore pressure effect, cooling of the crack surfaces increases the fracture aperture. It is found that the impact of cooling can be more significant when compared to that of hydraulic loading (i.e., an applied stress and pore pressure) and can cause significant permeability enhancement, particularly for injection/extraction operations that are carried out over a long period of time in geothermal reservoirs.     

劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性

通过开展花岗岩和大理岩巴西圆盘声发射试验，结合扫描电镜进行破裂面微观形貌分析，探讨了劈裂荷载下岩石声发射特性与微观破裂机制的关系。结果表明:基于RA（上升时间与幅值的比值）和AF（平均频率）的变化趋势，不同裂纹模式（拉伸裂纹、剪切裂纹以及复合裂纹）的分布和破坏强度受岩石结构影响，但岩石裂纹演化过程不受其影响。相应地，两种岩样破裂信号均以400～499 kHz为主，100～199 kHz的信号次之，但不同破裂阶段的峰值频率变化趋势显著不同。在微观形貌上，花岗岩劈裂面的微观形貌以层叠状、台阶状及平坦状为主；而大理岩以光滑多面体状为主。此外，结合频率?尺度缩放关系可推测，400～499 kHz的信号应主要来自钾长石、大理岩矿物颗粒内部的破裂；100～199 kHz的信号应主要来自石英矿物颗粒内部不连续分离以及压密阶段矿物颗粒之间的滑移。      

掏槽孔超深深度对爆破效果的影响

煤矿岩巷钻爆施工中,速度的关键在于掏槽.随着岩巷掘进工程量不断增大,虽然炮孔深度逐渐增大,但是掏槽孔超出普通孔的长度并没有改变,基本保持在200 mm及以下.针对掏槽孔超深与炮孔利用率这一问题,本文在超深系数η的基础上,引入裂隙区重合度φ的概念,利用数学建模方法,分析了不同超深深度爆破时的岩石应力状态,建立了超深深度及岩石碎胀系数之间的关系,并确定了掏槽槽腔主要参数的计算公式及取值范围,发现存在最优掏槽孔超深系数η和裂隙区重合度φ,使得炮眼利用率最高.利用LS-DYNA数值模拟分析了掏槽孔超深爆破时爆炸应力波的传播规律和孔底岩石的受力特征,并比较了200、300、400和500 mm不同超深深度的应力波强度变化特征并应用于岩巷掘进现场,对比了超深爆破方案和普通爆破方案的单循环进尺、炮孔利用率、眼痕率及大块率等爆破效果指标.结果表明,当超深深度为400 mm时,炸药爆破能量充分用于破岩,能量利用率最高,爆破后形成重叠的裂隙区,增大了后续爆破的自由面,提高了爆破破岩的效率,对岩巷钻爆法施工的参数优化有一定的指导意义.