冲击载荷下磁铁矿石完全断裂强度的尺寸效应

矿石完全断裂是实现有效机械破碎的前提,为研究磁铁矿石完全断裂强度的尺寸效应,本文开展了落锤冲击加载实验,分析了立方体试件承受的冲击力时程曲线特征、不同尺寸试件的冲击强度与冲击速率的关系和完全断裂强度与尺寸的理论关系。研究表明:立方体试件冲击力的变化经历了冲击力快速上升阶段、稳定加载阶段、冲击力下降阶段和回升与震荡阶段,冲击力有效加载时间为6～8ms;落锤对磁铁矿石的冲击作用表现出显著的尺寸效应,冲击强度随冲击速率的增大而增大,但增长的速率随试件尺寸的降低而升高;随着立方体试件尺寸的增大,完全断裂强度呈先减小后增大的变化特征,存在完全断裂强度最低的矿石尺寸。研究结果对优化破碎机械工艺参数、提高矿石破碎效率具有一定理论指导意义。     

循环冲击作用下岩石能量耗散特征及损伤研究

为研究玄武岩在循环冲击作用下的能耗特征及损伤，采用带围压装置的霍普金森压杆(SHPB)系统设置5种冲击气压梯度对玄武岩试样开展单轴冲击试验和两种围压状态下的循环冲击试验。研究发现，随着循环次数增加，试样单位体积吸收能呈现前期匀速缓慢增长，临近破碎时增长速率急剧攀升的趋势，玄武岩试样单位体积吸收能与冲击气压值呈正相关；施加围压可大大增加玄武岩抵抗外部冲击的能力，破碎时累计比能量吸收值比无围压状态提升10倍以上；随着循环冲击次数的增加，损伤因子D先匀速上升，而后上升速率加大，临近破碎时，岩石吸能效率下降，损伤因子又趋于平稳；损伤因子D达到0.4左右时，玄武岩试样出现较为明显的剪切裂纹。     

岩石循环冲击损伤演化围压效应的实验研究

为研究岩石循环冲击荷载作用下损伤的围压效应, 对大理岩试件在压力试验机上进行模拟冲击加载, 测试受冲击后试件轴向超声波波速。用超声波波速变化量描述试件的损伤度。分析了围压、荷载冲量大小、冲击次数对岩石损伤演化的影响, 得出了大理岩在不同围压下冲击损伤与冲击次数的函数关系。分析了大理岩岩样循环冲击损伤的围压效应。结果表明, 岩石循环冲击损伤具有明显的围压效应, 围压的存在提高了岩石抗冲击破坏的能力。从试验角度证明了在深部矿井中高地应力的存在对钻孔的钻进效率和处于初始应力场中的岩石的爆破破碎效率有重要影响。     

动力冲击下岩石损伤规律的试验研究

为研究岩石在动力冲击下的损伤规律,试验采用一种简易落锤装置,以获取动力冲击,并设计了3组试验,考虑无围压情况下冲击能量和循环冲击次数对岩石损伤规律的影响。通过对砂岩试件加载冲击,利用非金属超声检测仪检测受冲击后试件超声波波速,并根据超声波波速的变化来描述岩石的损伤度。     

基于SHPB试验的磁铁矿石破碎特性与能量耗散研究

为掌握磁铁矿石在冲击载荷作用下的破碎特性,基于霍普金斯(SHPB)压杆装置,开展不同气压对磁铁矿石冲击压缩试验,探究磁铁矿石动态应变率和动态抗压强度与冲击气压的变化规律,解析磁铁矿石在高应变率下的破碎形态和能量规律。研究表明:随着冲击气压的增加,磁铁矿石动态抗压强度先增加后减小,冲击气压为0.6 Mpa时,动态抗压强度最大,其对应平均应变率为102.71s^-1;磁铁矿石平均应变率和峰值应变率均随着冲击气压均呈幂指数形式增加(εe=230.57p^1.46,εm=311.33p^1.81);进入入射杆的能量中,反射能所占比例为29.93%~57.95%,透射能所占比例为3.66%~25.11%,吸收能的能量利用率为36.09%~44.96%。冲击气压为0.5MPa时,磁铁矿石试样破碎效率最佳,能量利用率最高为44.96%。     

冲击载荷下磁铁矿石破坏机制实验研究

合理处理大块矿石对于提高矿山生产效率具有重要意义,利用落锤冲击设备对磁铁矿石试件进行不同冲击速度的动载试验。基于波动力学分析了矿石呈不同破坏特征的作用机理,建立了磁铁矿石动载破坏模型,研究了动载下磁铁矿石呈“哑铃状—整体破碎—哑铃状劈裂”的破坏机制。研究表明,因介质波阻抗的不同,动载冲击下的拉伸波与压缩波主导了矿石轴向与环形裂纹的产生;在矿石自由面处,拉伸波的叠加碰撞使矿石不断地发生层裂破坏形成新生断面,且在两自由面相交处的破坏程度较高;不同应力波作用区域形成粗糙度不同的特征断面,破碎大块矿石具有最优动载条件。     

循环冲击下砂岩力学及损伤特性研究

为研究循环冲击状态下砂岩力学及损伤特性,采用分离式Hopkinson压杆试验装置对红砂岩进行不同入射幅值的循环冲击试验,通过Weibull分布统计损伤模型分析了红砂岩损伤演化规律。研究结果表明：以90 MPa入射应力进行循环冲击试验时,随着循环冲击次数的增加,动态强度先增大后减小,最大应变以及平均应变率则正好相反,第一次冲击有助于提高红砂岩的抗压强度;随着入射幅值的增大,当以100 MPa、110 MPa、120 MPa入射应力冲击时,动态强度、变形模量和循环次数逐渐减小,最大应变和平均应变率逐渐增大,基于Weibull分布的损伤模型可以反映此材料的损伤演化特性,累积损伤随着冲击次数的增加而增大,累积单位体积吸收能与累积损伤规律具有较好的一致性,岩样出现失稳破坏为大块时的累积损伤均在0.8左右,没有明显的变化。研究结果为矿山岩体安全防护及正确评价岩石稳定性提供理论依据。     

循环冲击状态下砂岩力学及损伤特性研究

为研究循环冲击状态下砂岩力学及损伤特性,本文采用分离式Hopkinson压杆试验装置对红砂岩进行不同入射幅值的循环冲击试验,通过Weibull分布统计损伤模型分析了红砂岩损伤演化规律。研究结果表明,以90MPa入射应力进行循环冲击试验时,随着循环冲击次数的增加,动态强度先增大后减小,最大应变以及平均应变率则先减小后增大,第一次冲击有助于提高红砂岩的抗压强度;随着入射幅值的增大,当以100MPa、110MPa、120MPa入射应力冲击时,动态强度、变形模量和循环次数逐渐减小,最大应变和平均应变率逐渐增大。基于Weibull分布的损伤模型可以反映此材料的损伤演化特性,累积损伤随着冲击次数的增加而增大,累积单位体积吸收能与累积损伤规律具有较好的一致性,岩样出现失稳破坏为大块时的累积损伤值在0.8左右,没有明显的变化。研究结果为矿山岩体安全防护及正确评价岩石稳定性提供理论依据。     

循环加载岩石界面滑移位移演化特征试验研究

在岩土工程实践中,岩石界面摩擦滑移会引起工程失稳问题,严重威胁着人们的生命财产安全;岩石界面的滑移问题往往处于一种往复加载状态,目前大多数学者对于岩石界面滑移问题的研究往往是在单一的加载状态下进行的,而对于往复加载状态研究较少;为了研究循环加卸载作用下界面滑移位移场演化特征,设计并开展了花岗岩试件恒定围压下的双剪模型试验研究。利用CCD相机采集界面滑移过程中的散斑图像,并利用白光数值散斑相关方法对该组花岗岩试件在实验过程中的位移场、摩擦滑移位移在循环加卸载情况下的演化特征进行研究分析。试验结果表明:①在循环加卸载作用下,随着循环次数的增加,位移场会发生明显的摩擦滑移,且当循环到一定次数,试件会发生整体黏滑现象;②随着循环次数的增加,位移场随着循环加卸载发生明显的时空演化特征,空间上存在明显的剪切位移增大和减小区域,同时随着循环次数的增加位移存在明显的累积,表现为位移演化的分区性及剪切位移场累积效应。时间上存在剪切位移演化相对于剪切应力的滞后性;③相同剪应力水平下,随着循环次数的增加,垂直位移整体趋势有所降低,界面咬合程度增加,水平滑动位移有所增加,界面分区滑动机制改变,加载端和自由端存在明显的黏滑现象;④在试件发生整体黏滑前后,剪切位移随着循环次数的增加发生不同的变化;黏滑前,随着循环次数的增加,剪切位移缓慢增大,黏滑后,随着循环次数的增加剪切位移明显增大;即黏滑前后,界面滑移速率由小变大。     

轴压影响下砂岩循环冲击力学性质及损伤演化特征

采用能够施加轴压的霍普金森压杆系统对砂岩试样进行循环冲击试验,分析循环冲击过程中试样的应力-应变曲线变化规律,并使用波速测量装置监测单次冲击后试样的纵波波速值,探讨轴压影响下砂岩试样循环冲击损伤演化特征。结果表明,轴压0 MPa、15 MPa、25 MPa、35 MPa时,采用相同速度发射子弹,试样分别在第19次、9次、6次、4次发生宏观破坏。不同冲击次数后试样动态应力-应变曲线形态有所区别,主要体现在峰后曲线斜率、峰值应力等方面。在本次实验所施加的轴压范围内,试样破坏所需的循环冲击次数随着轴压增加而减少,平稳发展阶段累积损伤变量及首次冲击产生的损伤变量值均有所降低。轴压作用改变了试样内部微裂隙闭合或扩展程度,对循环冲击试样累积损伤发展趋势产生显著影响,轴压与循环冲击产生耦合损伤,共同影响岩石动态力学性质。     

冲击荷载下煤系砂岩应变率效应及能量耗散特征

在煤矿巷道掘进过程中,巷道围岩在动载作用下变形将会增大,为研究煤系砂岩在冲击荷载作用下的力学特性及能量耗散,以河南陈四楼煤矿巷道围岩中的砂岩为研究对象,利用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆试验装置对煤矿砂岩开展单轴单次冲击压缩试验和循环冲击压缩试验,对冲击荷载作用下煤矿砂岩的应变率效应、能量耗散特征和破坏模式等进行分析。研究结果表明:在单轴单次冲击荷载作用下,随着平均应变率的增加,砂岩试样的峰值应力和峰值应变均增大,割线模量逐渐降低,砂岩试样的塑性增加,强度提高;且峰值应变与平均应变率呈线性递增关系,峰值应力近似与平均应变率的1/3次幂呈递增关系;随着平均应变率的增加,砂岩试样的单位体积吸收能呈线性增加趋势,且试样破碎程度不断增大,在压应力持续作用下砂岩试样内部裂纹不断交叉扩展,沿轴向发生劈裂破坏。在循环冲击荷载作用下,随冲击荷载作用次数的增加,砂岩试样的平均应变率和峰值应变均逐渐增大,峰值应力、割线模量和第2类割线模量均随着冲击次数的增加而逐渐降低;在固定冲击气压下进行循环冲击时,随着冲击次数的增加,入射能基本保持不变,反射能和吸收能均逐渐增大,透射能逐渐减小,砂岩试样的单位体积吸收能随冲击次数增加呈先缓慢增加后突然增加的趋势;在循环冲击荷载作用下,砂岩试样吸收能量的能力增强,随着冲击次数的不断增加,试样内部微裂纹分布增多且扩展速度加快,主要发生受拉破坏,沿轴向加载方向产生贯穿于砂岩试样的环状破坏面。     

循环冲击下弱风化岩石力学特性与渗透率演化

低渗透弱风化花岗岩型稀土矿床中蕴含大量的中重型稀土,但矿体渗透性严重影响溶浸效率,提出利用爆炸冲击载荷对稀土矿体产生多次扰动,在确保矿体保持稳定性的前提下使内部细观结构发生变化,进而提高矿体渗透性。为探究爆炸冲击载荷多次扰动下弱风化花岗岩的力学特性及渗透系数的变化,利用Hopkinson冲击试验机、RMT-150C液压伺服试验机、核磁共振仪,对试件进行逐级循环冲击实验和冲击后的静态压缩实验,并测量试件的孔隙度与渗透系数。研究结果表明:逐级循环冲击下弱风化花岗岩存在裂隙压密阶段,但不明显;裂纹扩展阶段存在明显的应力松弛平台,且随冲击速度的增加愈加明显;动态峰值应力与临界应变随冲击速度的增加呈递增趋势;冲击后的静力学特性表现为随着冲击次数的增加,裂纹压密阶段持续时间增加,弹性阶段持续时间减少,裂纹起裂应力σ_(ci)、裂纹损伤应力σ_(cd)、单轴抗压峰值强度σ_f逐渐下降,临界应变逐渐增大。试件中含有小中大3种孔隙类型,在逐级循环冲击下整体表现为中等孔隙占比增加,小型、大型孔隙占比基本不变,有效孔隙度逐渐增加,第1次冲击后这种变化较为明显。弱风化花岗岩经过3次冲击后,渗透系数达到最大,长期强度下降约13%。     

循环加载下冲击倾向性煤能量耗散与损伤演化研究

为研究强冲击倾向性煤在多级循环加载条件下的能量耗散特征及损伤演化过程,在实验室开展了陕西某矿煤样的多级循环加载试验,试验研究结果表明:在多级应力循环下煤样的耗散能先迅速降低,后缓慢增加,当循环上限应力达到63%破坏载荷时,耗散能开始急剧增加;而能量耗散率先迅速降低,后逐渐稳定;煤样加卸载阶段弹性模量均有增大趋势,加载阶段弹性模量先迅速增大,后缓慢增加,而卸载阶段弹性模量变化较为平稳。采用累积耗散能定义循环加载中试件的损伤变量,并建立煤样损伤演化方程,通过试验和数值计算测定各个参数。理论和试验研究表明,基于能量耗散分析建立的冲击倾向性煤损伤演化方程能够较好反映煤样的损伤演化过程。     

等幅循环加载岩石变形局部化带位移演化规律

岩石是一种非均质天然工程材料,在工程中往往处于一种循环往复加载状态之中,研究循环加载过程中岩石的变形局部化演化规律,为岩土工程结构的稳定性提供理论支持。将循环加载简化为等幅循环和分级等幅循环2种加载条件,开展红砂岩试件的2种循环加载方式下的实验研究,采用CCD(Charge-Coupled Device)相机对试验过程中试件的变形图像进行采集,基于数字散斑相关方法分析了等幅循环加载过程中试件变形局部化带位移演化规律。分析发现:循环加载全过程中,局部化带位移随加卸载应力呈现波动上升变化;相对于加载应力的变化,位移演化存在时间滞后性,且随着循环次数的增加位移存在明显的累积效应。循环加卸载过程中,局部化带位移顶点相对于加载应力顶点的滞后时间数值于循环前期呈平稳波动、循环后期呈上升波动;局部化带位移底点相对于卸载应力底点的滞后时间数值随循环次数的增加呈现平稳波动。整个循环过程中,当加载或卸载到同一应力水平时,局部化带的位移随着循环次数的增加而增大;每次循环过程中的同一应力水平下,卸载过程的位移数值大于加载过程的位移数值。随着循环次数的增加,局部化带位移存在明显的缓慢演化阶段和加速演化阶段。在试件破坏前,卸载底点处的局部化带位移值明显趋近于加载顶点处的局部化位移值,该局部化带位移演化特征可以作为循环加载过程中岩石试件或结构失稳破坏的一个前兆信息。研究可为循环荷载下的岩土工程材料或结构的失稳破坏提供新的特征力学监测量,即在某一特定应力环境中,当低应力状态的变形量值与相对高应力状态的变形量值都随时间发生增大且低应力对应的变形量值增加速率明显大于高应力对应的变形量值增加速率时,岩土材料或结构将会发生失稳破坏。     

循环动荷载作用下岩石动态响应分析

为研究循环动荷载作用下岩石的动态变化,利用SHPB装置对长径比为2.0的试件进行冲击作用,分析试件在0.04,0.06,0.08,0.10 MPa气压冲击用下应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变变化情况,结果表明:随着冲击气压的增加,试件反应出的峰值应力增加,试件受首次冲击的峰值应变减小。选用0.06 MPa气压对长径比为2.2,2.4,2.6的试件进行循环冲击作用,结果表明:长径比2.0的试件平均峰值应力为70.56 MPa;长径比2.2的试件为71.15 MPa;长径比2.4的试件为83.54 MPa;长径比2.6的试件为91.09MPa,且随着长径比增加,试件所能承受的动荷载次数减少。     

基于矿物学特征的磁铁矿石破碎解离预测研究

为研究矿石矿物学特征对破碎后矿物解离程度的预测机制,以水厂铁矿沉积变质型磁铁矿石为研究对象,采用偏光显微镜观测矿石结构、构造与粒级组成,对比冲击破碎与二段磨矿产品的品位特征,分析磁铁矿石的破碎性质,预测矿石破碎后不同粒度范围下矿物颗粒的解离程度。结果表明,水厂铁矿磁铁矿石的结构构造简单,破碎过程中易产生沿晶断裂,冲击破碎至嵌布粒度的磁铁矿颗粒解离程度高于二段磨矿后磁铁矿颗粒的解离程度。矿石结构与构造特征可以反映矿石破碎与矿物解离的难易程度,通过分析磁铁矿石原矿矿物的粒级组成,可以有效预测矿石破碎后不同粒度范围内的矿物解离程度。研究结果丰富了矿石碎磨特性的分析方法,为矿山改进矿石加工工艺、实现节能增效提供了理论依据。     

弹性范围内不同加载速率下的波速特征及能耗分析

为了探究不同加载速率下波速-应力的变化规律以及能量损耗特征, 采用硬岩材料大理岩进行了单轴压缩下弹性范围内不同加载速率下的试验研究, 测试了加载速率对波速以及能量的影响规律。结果表明, 加载速率的变化不会影响波速-应力之间的总体变化规律, 波速-应力依然符合线性关系, 但低加载速率和高加载速率下的线性关系显现不明显; 不同应力条件下加载速率-波速曲线呈现了3个阶段, 分别为压密-弹性过渡阶段、弹性阶段和弹性-损伤过渡阶段, 整体上加载速率对波速的影响不大; 大理岩在不同阶段吸收的总能量较为稳定, 弹性能在压密-弹性过渡阶段和弹性阶段较为稳定, 而在弹性-损伤过渡阶段出现缓慢的减小, 耗散能在整个阶段都出现了明显的减小。     

落锤冲击破碎下矿石碎屑分布特征实验研究

为了研究矿石冲击破碎后的块度分布情况,利用落锤冲击实验装置,对磁铁矿石试件进行不同冲击高度的破碎实验。通过定义碎屑形态特征、引入分形理论,系统地研究了碎屑的尺寸特征、分形维数等变化规律。研究表明,随着输入能的提高,相同宽厚比的碎屑累积数量与累积质量减少,长宽比则反之;相同长厚比的碎屑数量逐渐降低;长板状碎屑逐渐减少,片状碎屑逐渐增加,碎屑以长板状、柱状与板状居多;由"质量-频率法"与"特征尺度法"所求得的分形维数均逐渐增大。经比较得出,在"特征尺度法"中以碎屑的最大宽度作为特征尺度计算分维值最准确。     

温度对大理岩力学性能的影响

采用RMT-150C岩石力学试验系统开展不同温度作用（20、200和800 ℃）下大理岩的单轴、三轴试验及温度循环作用后大理岩的单轴压缩试验,系统地分析了大理岩在不同温度以及温度循环作用下的物理力学特性。试验结果表明：随着温度的升高,大理岩的变形特性表现为塑性变形明显、弹性模量降低、峰值应变增大。和常温下试件相比,加热到200 ℃后,试件的黏聚力提高,内摩擦角降低;加热到800 ℃后,试件的黏聚力降低,内摩擦角基本相同。在200 ℃循环作用下,随着作用次数的增加,大理岩试件的峰值强度、弹性模量均呈现出降低的趋势。随着温度的升高,大理岩的纵波波速发生不同程度的降低;与单次加温相比,随着循环加温次数增多,纵波波速降低,但是降低幅度很小。常温以及200 ℃温度作用下,试件的破坏基本为宏观单一断面的剪切破坏; 800 ℃高温作用下,部分试件产生了很多条破裂面;温度循环作用对岩石试件破裂形式没有显著影响。     

含倾角结构面的胶结充填体动态力学特性研究北大核心

为探求充填过程中多次充填产生不同倾角充填面对充填体产生的影响,制备含不同倾角结构面的胶结充填体(CTB)试件以及完整试件,并采用分离式霍普金森压杆(SHPB),对CTB试件进行单次与循环冲击破坏试验。试验得出:在单次冲击试验中,完整试件峰值应变和平均应变率小于含结构面倾角的试件,随着试件倾角的增加,试件的动态抗压强度逐渐降低;含结构面倾角试件表现出两种不同的应力-应变曲线特征。循环冲击试验下,结构面倾角越大试件抵抗冲击的能力越弱;含结构面倾角试件在第一次循环冲击下的应力-应变曲线与完整试件特征一致,而当循环次数增加时,应力-应变曲线特征与单次冲击下类似,在达到动态峰值应力前后,出现了显著的低应力波峰现象。随着结构面倾角的增加,充填体基体之间结构的致密性降低,导致结构面上裂纹数量的增多以及裂纹宽度的扩大,在微观结构上验证了结构面倾角的增加会引起结构面处剪应力的增大及充填体破坏模式发生改变,同时充填体容易沿着结构面处发生断裂。