微波加热路径对硬岩破碎效果影响试验研究

 不同的微波加热方式会对岩石产生不同的加热效果,功率和时间是影响破岩效果的2个重要参数。对立方体和标准圆柱形玄武岩试样进行了3种加热路径下的微波辐射试验,并对辐射前后的试样进行P波波速和单轴压缩强度测试。结果表明,当试样内产生的热应力先超过岩石的强度极限时,试样就会崩开破坏;当试样温度先达到岩石熔点时,试样以熔化为主。采用高功率微波连续加热岩石,试样在较短时间、较低温度就发生崩开破坏,试样在崩开前波速和单轴压缩强度发生了显著降低,且功率越高,试样崩开的时间越短,波速和强度折减的越快。因此,采用高功率微波连续辐射岩石,借助于其产生的热应力使岩石崩开破碎的特点,可显著降低岩石破碎时的能量消耗,这对于微波单独应用于开采中的破碎工艺及辅助机械破岩掘进等具有重要意义。     

水对微波辐射下硬岩劣化效果的影响试验研究

在微波辅助破岩中,水是影响岩石劣化的重要因素。为了研究在微波辐射下,水对岩石劣化的影响规律,以湖北花岗岩为研究对象,岩石孔隙率、超声波波速、抗拉强度作为参考指标,通过试验法测得水在微波辐射下对岩石劣化的影响规律。结果表明:水是造成岩石劣化的关键因素,微波辐射后浸水冷却能够对岩石产生更大的破坏效果;岩石的损伤程度受试件初始含水率影响显著,饱和试件较干燥试件而言在微波辐射后破坏效果更明显;采用初始含水率为饱和状态、冷却方式为浸水冷却的条件时,微波辐射对岩石强度的折减效果达到峰值。因此,在微波辐射前后充分利用水分这一影响因素能够更好地造成岩石的劣化,降低岩石破碎时能量的消耗,对微波辅助破岩技术的发展具有重要意义。     

多模谐振腔对赤峰玄武岩微波致裂效果研究

岩石微波致裂技术被认为是一种非常有潜力的辅助机械破岩技术和深部岩体应力释放技术,对地下工程施工效率和深部工程施工安全具有重要意义。较短时间(几十秒或几分钟)的微波照射就可以使岩石发生致裂,甚至熔融。采用频率2.45 GHz多模谐振腔对两种规格的圆柱形玄武岩试样进行了不同功率下的微波照射处理,通过红外热成像仪测量不同时间时试样表面的温度分布,获得微波照射过程中试样的升温特性。通过强度和波速评价岩石的微波致裂效果,通过介电特性和微观特征阐述了微波致裂岩石的机理,并研究了微波照射对岩石普氏坚固性和凿岩比功的影响。结果表明:微波照射过程中,试样表面温度呈区域性不均匀分布状态,试样上某一点的温度与照射时间近似成线性增加关系。强度和波速与微波照射时间近似成线性降低关系。辉石(强微波吸收性矿物)吸收微波后产生大量的热量,橄榄石(强热膨胀性矿物)在高温的作用下产生较强的热膨胀作用,导致该玄武岩具有良好的微波致裂效果。微波照射后,岩石的普氏坚固性和凿岩比功发生了一定程度的降低,且微波功率越高,照射时间越长,普氏坚固性和凿岩比功降低的程度越大。     

微波照射后磁铁矿石动力学性能及破碎特征研究

以改善矿石破碎效率和能耗为目的,采用微波照射与霍普金森压杆(SHPB)相结合的试验方法,开展不同微波参数照射前、后磁铁矿石动力学性能及破碎特征研究,对比分析其宏观力学性能与微观结构特征,揭示微波弱化磁铁矿石力学性能的作用机制。结果表明:微波照射功率比照射时间对磁铁矿石的动力学性能的影响更为显著,只有当功率达到一定程度时,照射时间的影响才逐渐显著;随着照射功率的逐渐增大,磁铁矿石试样内部结构的损伤经历原有裂纹扩展、沿晶破裂及沿晶破裂伴随穿晶破裂3个阶段;应力﹣应变曲线弹性阶段的斜率逐渐变小,历时变短,屈服变形阶段逐渐变长,峰后阶段分别呈应变回弹、应力跌落及峰后塑性3种现象;微波对试样的P波波速和强度的弱化影响逐步显著;磁铁矿石试样经历拉伸破坏和拉伸剪切破坏2个阶段。分析认为微波对磁铁矿石力学性能的弱化主要是因为矿石中不同矿物晶粒对微波的敏感性不同而出现差异膨胀形成温度应力,最终导致试样内部发生沿晶体边界发生拉裂或晶体自身沿其内部缺陷发生破裂。因此,在利用微波辅助破岩时,需根据岩石的矿物组成、各矿物的升温特性及破碎块度要求设计微波加热参数,以提高微波辅助冲击破岩的能量利用率和破岩效率。     

微波照射下花岗岩尺寸效应试验研究

深地层采矿是未来发展的趋势,而地层中岩块的大小不具有规律性。为了探究微波照射下深层岩石的尺寸效应规律,降低深地层采矿的开挖难度,保证深地层采矿的安全,以微波辅助破岩技术为基础,对不同尺寸的花岗岩微波照射以进行试验研究。采用超声波检测仪测量其内部裂隙发育情况,采用红外摄像机测量其温度变化情况,采用伺服机测量其单轴抗压强度及单轴抗拉强度,最终得到微波照射下花岗岩尺寸效应的普遍规律:1)一定范围内的微波照射能够减弱岩石的尺寸效应,且照射功率越大,减弱效果越明显;2)在相同的照射条件下,微波对花岗岩的加热程度随着试件高宽比的增大而增大,而次加热效果仅与试件尺寸有关;3)存在一个最合适的高宽比,能够既经济又有效地使微波对岩石的损伤效果达到最佳。     

不同微波照射方式下岩石试样的内外升温特征试验

微波辅助机械破岩是实现硬岩非爆破连续开采的重要手段,开展微波照射方式对研究岩石的温度响应以及破坏机制具有重要的理论和实际意义。对花岗岩试样进行不同功率和时间的微波单次与循环加热、单侧与双侧加热试验,并开展试样加热前后的P波波速测试。结果表明,试样反向功率整体上随时间降低,且降低程度随功率增大而增大。试样内部温度高于表面温度,其变化具有明显的阶段特征,且在升温阶段存在"拐点",表面温度从中心以辐射状向边缘逐渐降低。微波加热使试样内部产生热应力并导致裂纹产生和扩展,降低P波波速。采用单次、单侧、高功率和短时间的微波照射方式对试样进行加热,可以使试样温度升高更为显著。     

盐岩拉伸破坏力学特性的试验研究

利用MTS815 Flex Text GT岩石力学试验系统,并利用PCI-Ⅱ声发射测试系统及SMZ1000体视显微镜和CCD实时摄像系统,采用间接拉伸与直接拉伸两种试验方法,对层状盐岩拉伸破坏力学特性进行了综合试验研究。研究获得了两种测试方式的破坏全过程曲线,揭示了间接拉伸、直接拉伸强度相互关系,及其与单轴抗压强度的相互关系。研究表明,直接拉伸试验测得的层状盐岩抗拉强度低于间接拉伸试验,直接拉伸试验得到的结果更加真实反映盐岩的抗拉强度特性,建议尽可能采用直接拉伸试验方法测试盐岩抗拉强度;研究得到了两种拉伸破坏方式的声发射空间分布特征,揭示了与之对应的受力状态和导致破坏的损伤演化规律;不同拉伸破坏方式的岩石断面形貌研究表明,间接拉伸以穿晶断裂为主,直接拉伸以沿晶断裂为主,这种断裂破坏方式的差异是导致不同拉伸测试方式强度差异的原因。     

评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响

 脆性是岩石重要的力学性质之一。岩石脆性与滚刀破岩效率密切相关,但目前还没有统一的用于评价滚刀破岩效率的岩石脆性指标。总结现有的35种脆性指标,将其分为基于强度、应变、应变能、硬度、莫尔包络线、特殊试验和其他等7种类型。为研究岩石脆性与滚刀破岩效率之间的关系,通过滚刀贯入试验,引入归一化比能概念,提出表征岩石脆性的新指标,重点研究基于强度和贯入试验的脆性指标与归一化比能之间的关系。试验结果表明：(1) 滚刀更难贯入高强度岩石;(2) 脆性指标B2和B4与归一化比能之间呈强烈的指数函数关系,随着脆性的增高,归一化比能降低,滚刀破岩效率增高,应优先选用脆性指标B2来评价滚刀破岩效率,其次是脆性指标B4;(3) 将单轴抗压强度约20 MPa定义为单轴抗压强度过渡值,滚刀不适宜切削单轴抗压强度小于20 MPa的软岩。试验结果对评价滚刀破岩效率时岩石脆性指标的选取具有一定的指导意义。     

点载荷试验在确定碎裂岩基承载力上的应用

在勘察过程中,对碎裂岩石很难取得岩块试样进行单轴抗压试验,由点载荷试验可求得点荷载强度指数,进而换算出岩石单轴抗压强度,对岩基承载力进行评价。文章通过工程实例,介绍了点荷载试验方法,并应用该方法结合波速试验、旁压试验对碎裂岩基中的人工挖孔嵌岩桩端阻力进行了评价,与岩基载荷试验对比表明该方法是行之有效的。     

煤层顶底板岩石点荷载强度与拉压强度对比试验研究

 利用自主研制的点荷载仪,通过室内对煤矿顶底板常见岩性岩石进行点荷载试验、单轴抗压试验、抗拉试验对比分析,研究由点荷载强度快速准确确定单轴抗压强度及抗拉强度的方法。试验结果表明：点载荷强度较低的粗砂岩极易受到加载速率和加载方向影响,其预测值与实际值的误差相对较大;而对于点荷载强度较大的岩石,3种强度的线性相关性较高。点荷载试验的应用,为煤矿顶底板岩石强度确定及岩体分类提供了重要依据。     

Influence of microwave treatment on mechanical behaviour of compact basalts under different confining pressures

The realisation of microwave-induced fracturing of hard rocks has potential signiflcance for microwave-assisted mechanical rock fracturing and stress release in deep rock masses.In this context,compact basalts were treated by microwave heating in a multi-mode cavity at a frequency of 2450 MHz,and then,we investigated the mechanical behaviour of basalt samples after microwave treatment under uniaxial compression and conventional triaxial compression(CTC)tests.After microwave exposure,cracks appeared on the surface and inside of the rock sample,and the temperature of the sample's surface was unevenly distributed.The results show that the conventional triaxial compressive strength(CTCS)of basalt samples decreased linearly with microwave exposure time,and the higher the confining pressure,the smaller the reduction in the strength of basalt samples after microwave treatment.Under uniaxial compression,microwave exposure greatly affected the axial deformation,suggesting that deformation resistance of the samples gradually decreases with increasing microwave exposure time.Under triaxial compression,some microcracks induced by microwave exposure closed due to the effect of confining pressure,resulting in the confining pressure inhibiting any rightward shift of the axial deformation curve.Furthermore,under uniaxial compression,the elastic modulus and Poisson's ratio of basalts also decreased in a quasi-linear manner with elapsed microwave exposure time.Under triaxial compression,microwave exposure has slight influence on elastic modulus and Poisson's ratio.After microwave treatment,the changes in rock strength and deformation mainly result from changes in between the mineral structures.Confining pressure results in the closure of microcracks produced by microwave exposure,so that effects of microwave treatment on strength and deformation decrease,thus reducing the influence on elastic constants.The cohesion decreases with increasing microwave exposure time and shows an approximately linear decrease over time.In the basalt samples,new microcracks in various directions generated by microwave exposure can increase the discreteness of test results,while the discreteness of test results caused by microcracks gradually reduces with increasing confining pressure.     

Experimental investigation on the effects of microwave irradiation on kimberlite and granite rocks

This study is a part of an overall research project on the effects of microwave(MW)irradiation on rocks for assisted rock breaking systems as well as mineral processing at McGill University.For the first time,this paper highlights a comprehensive investigation on the effects of microwave irradiation on Canadian kimberlites.Potential contribution to the continuous rock excavation and rock weakening effect prior to implementation of mechanical techniques was explored.Two different kimberlite rocks,i.e.volcaniclastic kimberlite(VK)and hypabyssal kimberlite(HK),and granite samples were studied.Some important physical properties of the rock samples were measured including rock quality designation(RQD),specific gravity,porosity,and specific heat capacity.Rock samples were treated for various exposure times using a multi-mode MWunit at different power levels ranging from 2 kW to 15 kW.The effect of MW irradiation on rock samples was investigated.The results indicate that the mechanical properties including unconfined compressive strength(UCS)and Brazilian tensile strength(BTS)were significantly dropped as a result of MWirradiation.Finally,the effect on rock abrasivity using the Cerchar abrasivity index(CAI)has also been discussed.     

遥感-岩石力学(Ⅴ)——岩石粘滑过程中红外辐射的影响因素分析

利用双轴加载实验装置和热红外成像仪器对岩石剪切滑移过程中的红外辐射进行了成像实验。研究表明,摩擦速率、正应力、摩擦面粗糙度、岩石强度与矿物颗粒硬度是影响岩石粘滑过程红外辐射的重要因素(1)摩擦以等速率进行时,岩石摩擦裂隙表面平均红外辐射温度的时间曲线为直线型,局部最高温度的时间曲线为3次曲线型,而岩石表面平均红外辐射温度与所受机械功线性相关。当所受机械功相等时,摩擦速率越高,温升幅度越小;(2)红外辐射强度与正应力线性相关;(3)摩擦面粗糙度对平均红外辐射温度影响不大,但对局部最高辐射温度影响较大;(4)岩石强度或其矿物颗粒硬度越高,红外辐射温度就越高。     

不同含水岩石蠕变试验电磁辐射频谱分析

通过研究饱水、自然、干燥状态的岩石在荷载作用下与电磁辐射强度频谱之间的关系、加载环境下岩石蠕变变形破坏孕育、发生、发展过程中的电磁辐射效应及规律，获得岩石蠕变断裂的电磁辐射信息特征，确定不同含水状态及应力变化与电磁辐射强度频谱间的关系。可有效预测岩体的状态，对预测预报岩体的动力灾害提供有效的预测手段。     

饱和破碎岩石压实变形特性的试验研究

破碎岩石的变形性质是影响采空区覆岩垮落与地表沉陷的重要因素。利用一种专门的破碎岩石压实试验装置,在MTS815.02岩石力学试验系统上完成了饱和破碎岩石压实过程中的变形特性测定,得到了煤、页岩和砂岩3种岩样压实过程中的应力–应变关系,分析了粒径和强度对破碎岩石应力–应变特性的影响。研究结果表明:破碎岩石在压实过程中应力与应变之间近似呈指数关系;在相同的应力状态下,岩块强度越高试样应变越小;大粒径试样在加载初期应变增长率小于小粒径试样的应变增长率,随着应力的增加,大粒径试样的应变增长率大于小粒径岩样的应变增长率;饱和破碎岩石在相同的应力状态下的应变明显比在自然含水状态下大。     

松散岩块压实破碎规律的试验研究

通过对松散岩块压实破碎的试验研究,得出松散岩块的压实破碎规律。研究结果表明,岩块的破碎大部分发生在压力水平较低的情况下,一般相对压力小于0.5～0.6,当压力超过这个范围时,岩块的破碎率就很小了,颗粒的级配基本保持不变。岩块压实破碎后,当颗粒级配趋于稳定时,对于强度较低的岩块,所产生的细颗粒的成份较多;而对于强度较高的岩块,所产生的各级颗粒的含量相差并不明显;对于强度不同的岩块,其级配曲线具有很强的相似性和相关性,并可用二次多项式进行描述。     

裂隙岩体的一体两介质模型抗剪性能研究

 裂隙薄弱层与岩石接触面的抗剪强度是影响裂隙岩体稳定的重要参量。采用一体两介质力学模型研究裂隙岩体接触面的力学性能。按照著名的Barton试验所采用的粗糙界面,以砂浆和混凝土构造5种JRC曲线的接触面,并采用自创的双指标描述系统--考虑粗糙度的改进分维值指标Rd和考虑起伏度的形状因子? 对接触面形貌进行定量描述。Rd-? 描述系统的优点在于：不仅能描述粗糙程度,还能解释同一粗糙界面上当受力方向不同时,其界面抗剪力学性能显著不同的事实。通过直剪试验,分析岩体接触面的破坏状态及剪切应力–剪切位移曲线,确定影响抗剪强度的主要因素为接触面粗糙起伏形貌、法向力、界面材料的黏结强度等,并借助试验结果,拟合得到考虑上述影响因素,以Rd-? 描述系统表达的剪切强度公式。将提出的剪切强度公式与其他试验获得的剪切试验结果做对比分析,证实该剪切强度公式的正确性。