微波辅助机械破岩试验和理论研究进展

微波辅助机械破岩是微波加热技术和机械破岩技术相结合的一种混合型破岩方法。岩石内不同矿物成分对微波能具有不同的吸收特性,各矿物不同的热膨胀产生的内应力使岩石内发生沿晶断裂和穿晶断裂,使试样产生损伤和微裂纹,这会引起岩石强度的降低。辐射功率和辐射时间是影响岩石力学特性的重要参数,一定功率的微波辐射处理后,试样的点荷载强度、单轴抗压强度和抗拉强度发生显著降低,微波功率越高,辐射时间越长,对试样强度的折减效果越明显。数值研究结果与试验研究结果基本一致,增加功率的同时降低辐射时间对试样强度折减具有更好的效果。岩石点荷载强度、单轴抗压强度和抗拉强度的降低能够显著提高机械破岩设备刀具的侵入率和刀具寿命,解决机械刀具的磨损问题。微波辅助机械破岩对钻孔、TBM掘进和实现金属矿矿岩连续开采都具有重要影响作用。     

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。     

淹没条件下超高压水射流破岩影响因素 与机制分析

超高压水射流辅助破岩是提高机械钻速的有效途径,水射流破岩效果影响因素及机制研究是其关键之一.选取100～200 MPa 共5档驱动压力和3种岩样,实验研究淹没条件下水射流驱动压力、喷距、作用时间和喷射角4个因素对冲蚀切割破岩效果的宏观影响规律.采用全解耦流固耦合数值分析方法,对超高压射流破岩过程中耦合系统应力场进行计算,建立岩石宏观断裂规律与微观破坏机制间的联系.研究表明,淹没条件下超高压水射流冲蚀切割破岩存在最优喷距和喷射角:100 MPa时最优喷距约为15倍喷嘴直径,200 MPa时约为20倍喷嘴直径,随压力的增加而增加;最优喷射角为12°～14°.超高压水射流作用下岩石的破坏发生在毫秒量级,主要是拉伸和剪切破坏作用,是由射流冲击应力所造成.研究可为超高压射流辅助钻井技术中水力参数优选及钻头设计提供参考依据.     

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。     

较低功率微波辐射三类硬岩失水升温损伤规律与声发射特征

微波辅助破岩是实现硬岩高效低损伤开挖的新方法，不同硬岩的吸波能力、失水、升温与损伤规律有一定的差异，对不同硬岩的对比研究对精准高效破岩有重要的理论与工程意义。以花岗岩、石灰岩、砂岩三类硬岩为研究对象，通过对比预处理和微波辐射前后试件的质量变化，获得三类硬岩的失水规律；通过红外热成像仪监测微波场内硬岩表面升温和破裂全过程，获得不同含水状态下三类硬岩升温和宏观裂纹扩展特性；通过干燥状态下三类硬岩辐射不同时间后的纵波波速、声发射及SEM微观结构的变化阐述了硬岩损伤随辐射能量递增机制。结果表明：在较低功率微波辐射300 s内，水对硬岩质量和升温的影响明显，具体表现为：水的蒸发溢出是质量损失的主导因素、水对升温有明显促进作用、含水状态对表面区域平均温度的影响程度按辐射时间分为较小(0～50 s)、较大(50～200 s)和稳定(200～300 s) 3个阶段，其中，饱和吸水对升温影响最显著，且饱和吸水率高的砂岩和石灰岩分别在55,240 s时于腔体内炸裂。干燥状态下不同硬岩随升温的损伤规律表现为：石灰岩因表面温度差异大导致裂纹扩展较砂岩和花岗岩更为明显；COMSOL数值模拟持续辐射420,600...     

高温后HVFA-SHCC的单轴压缩力学性能及本构关系

采用40mm×40mm×160mm棱柱体试件,研究了高温后大掺量粉煤灰-应变硬化水泥基复合材料(HVFA-SHCC)的单轴压缩力学性能,探讨了不同目标温度(100、200、400、600、800℃)和不同冷却方式(自然冷却、浸水冷却)条件下HVFA-SHCC试件抗压强度、弹性模量、压缩韧性、破坏模式及质量的变化.采用扫描电子显微镜(SEM)对试件的微观结构进行分析,获得了高温后HVFA-SHCC单轴压缩性能的劣化机理.结果表明:当温度低于200℃时,温度对试件力学性能及质量损失的影响较小;400~800℃时,试件内部结构变得疏松,残余力学性能劣化严重,尤其是800℃时,试件的抗压强度仅为常温状态的39.9%,弹性模量为常温状态的32.3%,压缩韧性指数为常温状态的59.0%,质量损失率达15.5%;浸水冷却试件的残余力学性能得到了一定程度的提高.同时,基于试验结果,建立了高温后HVFA-SHCC的单轴压缩本构方程.     

超高压水射流辅助破岩钻孔研究进展

将喷嘴出口压力大于140 MPa定义为超高压水射流.介绍了早期超高压水射流钻孔试验及其应用,综述了超高压水射流辅助深井钻孔技术的发展状况,概括了超高压水射流辅助破岩机理和岩石性质与水射流结构参数对破岩效果的影响规律.在此基础上,对今后超高压水射流辅助破岩技术的研究提出了一些建议.     

不同冷却模式下花岗岩强度对比与热破坏能力表征试验研究

不同冷却模式下热对花岗岩的破坏能力不同,其细观破裂程度和宏观力学特性表现也不同。在20℃空气中自然冷却和20℃恒温水中热冲击急剧冷却2种模式下花岗岩单轴抗压强度和表面降温规律的对比试验研究的基础上,引入"热冲击因子",建立不同冷却介质环境下热传递数值模拟方法,从传热角度探究不同冷却介质对花岗岩强度劣化机制,找到能够清晰描述热对岩石破坏能力的物理量,从而对热的破坏能力做进一步的定量划分。研究结果表明:(1)2种冷却模式下,因热冲击急剧冷却模式的换热系数远大于自然冷却的换热系数,热冲击因子数值变大,动态热应力相应也随之变大,试件内部破裂严重,裂隙密度增多,力学强度劣化更严重;(2)20℃恒温水中热冲击冷却模式下,花岗岩的抗压强度仅为20℃空气中自然冷却模式下的抗压强度的85%~90%;(3)不同冷却模式下热传递过程中,花岗岩试件内部形成的温度梯度、热冲击因子、热应力的演化过程和规律一致,其最大值总是出现在靠近试件表面的位置;(4)热冲击因子能较好地表征热破坏能力,花岗岩的单轴抗压强度与最大热冲击因子具有很好的相关性;(5)根据热冲击因子的演化规律,可以确定花岗岩试件内部破裂最严重的具体时间,热冲击因子可以实现对热破坏能力的定量表征。     

不同含水率红砂岩静动态劈拉试验及细观分析

研究水-岩耦合作用下岩石力学特性及细观结构,对减少由地下水造成的深部岩体工程病害具有重要意义。采用直径为100 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置与电液伺服压力试验机,进行不同含水率下砂岩试件的动静态劈裂抗拉试验,而后对试件破坏断口进行电镜扫描观察,分析断口形貌特征,依靠SEM图像数字处理技术,进一步得出红砂岩拉伸破坏规律。试验结果表明:红砂岩的劈拉强度随含水率的增加而降低,有明显的遇水软化现象;相比于静态抗拉强度,动态抗拉强度大幅提升,且有显著的应变率强化效应;随着含水率的提高,砂岩试件拉伸破坏时,碎块数量逐渐增多,尺度逐渐减小;饱水岩样的动态劈裂拉伸破坏相比于干燥岩样表现出一定的塑性特征。对断口微裂隙的面积等信息进行定量化处理,分析动态劈拉破坏中的水-应变率效应,得出水在不同应变率下砂岩试样的动态劈拉破坏裂纹扩展中具有均衡作用;微裂隙数量与面积随应变率的提高有增加趋势,破坏断口细观形貌特征存在应变率相关性。     

三轴压缩条件下单裂隙花岗岩破坏特性研究

基于常规三轴压缩室内试验分析不同倾角和张开度的单裂隙花岗岩宏观破坏特性,进一步结合颗粒流离散元分析法,对裂纹扩展、能量转化等规律进行探究,结果表明:裂隙倾角α对岩石力学特性影响显著,随着α增加,弹性模量呈现单调增大趋势,同时三轴抗压强度表现出先减小后增大规律,在约60°时达到最小值;随着裂隙倾角的增加,岩石破坏模式逐渐由拉剪混合破坏向宏观剪切破坏转变;裂隙张开度增大,将导致岩石三轴抗压强度大幅下降,围绕初始预制裂隙形成更宽的破碎带;岩石破坏过程中,裂纹数量整体呈“S”型累积,其突变点与应力 应变曲线的弹、塑性和破坏特征点一致;能量耗散与细观劣化特征具有较好的相关性,岩石结构劣化及失稳破坏本质上是能量储存、耗散、释放的过程。     

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。     

深部矿井岩石水稳性微观机理及强度软化特性研究

为了研究深部矿井岩石水稳性性质及遇水后强度软化的规律,对巨野煤田千米深部矿井岩石进行了系统的水解试验,表现出6种水解变形破坏形式,结合极限膨胀量特征总结了4类水稳性特征类型,并从饱水试验空隙率的角度论证了分类的合理性。在此基础上,分析了岩石水稳性差异的微观机理,认为微观结构的差异是影响水稳性特征类型的主要原因,而岩石内部高岭石、伊利石和伊蒙混层的相对定量含量是另一原因。岩石饱水后其强度软化明显,而岩石水稳性特征类型对其软化特征具有明显影响并具有一致性,其中饱水后抗拉强度试验中岩石主要呈现层状破坏,而岩石抗剪强度软化的关键是内摩擦角值的变化。不同饱水时间抗拉强度试验表明,岩石抗拉强度随饱水时间的增加呈指数规律减小,最后趋于稳定值;重复浸水–压缩试验表明,多次重复浸水–压缩使得岩样的最终破坏应力下降,出现了强度疲劳现象,其值小于饱和试样一次性加压破坏时的应力,更小于天然状态试样加压破坏时的应力。这是因为岩石每次浸水后内部结构的膨胀效应使得其内部结构发生了软化,从而降低了岩石的结构连接强度。     

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.     

露天煤矿冻岩边坡饱和砂岩冻融损伤试验与劣化模型研究

 高海拔多年冻土区露天煤矿岩质边坡常年处于冻融交替环境中,边坡浅部病害显著。为了分析边坡上岩石在冻融环境中的劣化规律,利用采集于木里地区露天矿边坡钻孔中的砂岩试样进行了室内饱和冻融循环试验,并建立了饱和岩石冻融劣化的理论模型。岩样冻融循环试验结果显示随着冻融循环次数的增大,饱和砂岩的微裂隙率逐渐增大,单轴和三轴抗压强度以及表示岩石质量的常见物理参数逐渐降低。基于岩石在冻融循环过程中的微裂隙变化,提出并推导了微裂隙扩展因子,理论建立了岩石强度随冻融循环变化的劣化模型和本构关系,利用劣化理论模型所计算的岩石强度与试验结果吻合较好。分析岩石微裂隙的变化规律,可以获得饱和砂岩在冻融循环环境中的劣化是由于岩石内部的微裂隙在水成冰相变过程中产生的巨大复合应力超过了岩石微裂隙开裂强度,而导致微裂隙逐渐失稳扩展,岩石整体性被削弱等结论。     

多孔烧结陶片吸水特性实验方法

建筑被动蒸发降温效益以多孔材料吸水特性为基础。以广泛应用的多孔烧结陶片为例,相关参数测试方法标准并不一致。笔者参考国际标准采用"单面浸泡法"测试了3种多孔陶片的毛细吸水系数及毛细饱和含水率,实验结果表明,在第1吸水阶段,材料孔隙率与毛细吸水系数及毛细饱和含水率呈现显著正相关关系。参考中国标准,采用"整体浸泡法"和"真空饱和法"测试了上述3种材料在水中浸泡24h后的含水率,并与"单面浸泡法"测试结果进行了对比研究,结果显示,后者实验结果分别比前两者低3.25%和21.58%。研究表明,第1阶段吸水速率高的材料具有更高毛细饱和含水率,此种陶片更适宜蒸发降温应用。测试方法上单面浸泡法优于整体浸泡法。采用重复性误差衡量实验精确度,分析结果表明上述实验的重复性误差均低于2.40%。     

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.     

Dynamic fragmentation of microwave irradiated rock

The microwave-assisted rock fragmentation has been proven to be a promising approach in reducing cutting tools wear and improving efficiency in rock crushing and excavation.Thus,understanding the influence of damage induced by microwave irradiation on rock fragmentation is necessary.In this context,cylindrical Fangshan granite(FG)specimens were exposed to microwave irradiation at a power of 6 kW for different durations up to 4.5 min.The damages of the specimens induced by irradiation were quantified by using both X-ray micro-CT scanning and ultrasonic wave measurement.The CT value and Pwave velocity decreased with increase of irradiation duration.The irradiated specimens were then tested using a split Hopkinson pressure bar(SHPB)system to simulate rock fragmentation.A momentum-trap technique was utilized to ensure single-pulse loading on the specimen in SHPB tests,enabling valid fragment size distribution(FSD)analysis.The dependence of dynamic uniaxial compressive strength(UCS)on the irradiation duration and loading rate was revealed.The dynamic UCS increased with increase of loading rate while decreased with increase of irradiation duration.Using the sieve analysis,three fragmentation types were proposed based on FSD,which were dictated by both loading rate and irradiation duration.In addition,an average fragment size was proposed to quantify FSD.The results showed that the average fragment size decreased with increase of loading rate.A loading rate range was identified,where a dramatic reduction of the average fragment size occurred.The dependence of fragmentation on the irradiation duration and loading rate was also discussed.     

饱水冻结花岗岩动态力学性状的应变率效应

从某场地钻取典型花岗岩岩芯试样,借助75 mm直径SHPB装置和低温冻结设备,分别对-15 ℃和25 ℃饱水花岗岩试件施加应变率大小近乎相等的4种冲击荷载,以探究饱水冻结花岗岩动力学特性的应变率效应。试验结果表明:同等应变率冲击加载下,饱水冻结花岗岩的峰值强度更高,抗剪切强度增加,动态弹性模量变为近似直线型增长;相比25 ℃饱水花岗岩,-15 ℃饱水冻结花岗岩破坏需要更高的冲击应变率,破坏时的峰值应变减小。饱水冻结花岗岩内部复合结构裂纹的形成与耗散能紧密相关,耗散能越大,裂纹越多,用耗散能表征的损伤变量值可以判断岩石的破碎程度,-15 ℃冻结饱水花岗岩破坏时的损伤变量值为0.22。研究方法为确定高寒地区冻结岩体的动力学参数提供依据。     

高压水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对高压水射流破岩过程进行了模拟，结果表明，水射流破碎岩石主体所用的时间为毫秒量级，普通连续水射流破岩的主要形式是卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏，并呈“阶跃式”发展。在此基础上，探索了水射流参数对破岩效果的影响，数值计算与试验结果吻合良好，表明利用该方法分析水射流破岩过程和机理是可行的，所得结论可作为水射流破岩体系设计和优化的依据。