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。     

微波照射下玄武岩骨料热响应研究

为探究多模微波照射下玄武岩的热响应机理,采用工业常用频率2.45GHz多模谐振腔,利用其特有的均匀电磁场加热均匀等优点,对圆柱形玄武岩试样进行了不同功率下的微波照射处理。通过谐振腔内部热电偶结合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。通过对测量得到的升温数据和经过微波照射的玄武岩试样外观形貌变化进行观测记录,结合多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics分析岩石内部温度以及热应力分布情况。结果表明:采用较低功率照射时,玄武岩吸收能量较少不足以引起宏观裂纹;当采用较高功率对选取试样进行照射时,试样迅速升温,并产生炸裂现象。     

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。     

三角形矿物尖锐程度对微波照射岩石效果的影响

微波照射岩石损伤的过程十分复杂,岩石内部矿物形状的尖锐程度差异会对微波照射岩石的损伤效果产生影响,本文以岩石中广泛存在的三角形矿物为研究对象,针对5种含不同尖锐程度三角形矿物的试样,采用COMSOL多物理场仿真分析软件,建立二维二元介质矿物模型,对微波照射后矿物试样的电磁场、温度场、应力场及塑性区发展过程进行分析研究。结果表明,试样的电磁场不随三角形矿物尖锐程度的改变而发生显著的变化,但其中心最高温度和温度梯度峰值随尖锐程度的降低而增大;随微波照射时间增加,越尖锐的三角形矿物试样第一主应力峰值越大,且第一主应力因形状尖锐程度不同而导致的差异逐渐增大;越尖锐的矿物试样塑性区发展面积越大,其形态特征差异随照射时间的增加愈加明显;微波照射尖锐程度较高的三角形矿物对岩石损伤的效果更好。     

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。     

微波照射冻结石英砂岩热融软化特性及损伤机制研究

冻结岩石的强度和硬度均比常温岩石高数倍,导致冻结岩层的开挖成本高、开挖效率低。提出一种基于微波照射的冻结岩层辅助开挖新思路,该方法的效果不取决于岩石是否含有吸波矿物,适用地层广泛。以不含吸波矿物的石英砂岩为研究对象,探究其在微波作用下的热融软化规律;并基于微波照射前、后试样细观孔隙结构的观测,总结了微波作用下饱和冻结石英砂岩的热融软化机制。研究表明:(1)微波作用下饱和冻结石英砂岩经历了孔隙冰快速融化、融水剧烈汽化和试样干燥3个阶段;(2)微波作用对饱和冻结石英砂岩的强度具有显著的软化效应,饱和冻结砂岩在微波照射至汽化结束阶段,强度下降至冻结状态的1/5;(3)微波照射下饱和冻结石英砂岩的软化主要由汽胀效应和热胀效应2个过程引起,汽胀效应主要造成试样颗粒间孔隙扩展,而热胀效应则造成试样颗粒内部断裂。研究成果为微波照射辅助破碎冻结岩石提供了理论和试验支撑。     

粗砂岩高温作用后力学效应的试验研究

利用RMT-150B岩石力学试验机进行单轴压缩试验,研究高空隙度粗砂岩经历100 ℃～900 ℃高温后,波速、抗压强度、平均模量、变形模量以及极限应变随温度的变化规律.尽管试验结果离散较大,但仍具有明显的总体规律.当粗砂岩经历温度在100 ℃以内时,波速变化不明显;超过100 ℃,波速随温度大致成线性降低.当试样经历温度100 ℃～500 ℃时,强度、平均模量有所增加,变形模量稍有降低;超过500 ℃以上,则强度、平均模量、变形模量有所减小,峰值变形增大.温度对试样的力学特性有两种不同的影响:一方面,温度增高产生热熔变形可以使部分原生裂隙逐渐愈合,裂隙数量减少,密实程度提高,改善了矿物颗粒之间的接触状态,摩擦特性得以增强,试样的承载能力和抗变形能力得以强化;另一方面,不同热膨胀率引起跨颗粒边界的热膨胀不协调引起结构热应力,试样内部产生微裂隙,同时胶结物刚度降低也会影响试样的变形,使试样承载能力和抗变形能力减弱.     

微波辐照下混凝土的升温变化机制研究

微波加热辅助骨料回收已成为一种新型的再生骨料提取技术,开展微波照射下混凝土试样的温度响应和变化规律的研究具有重要的理论和实际意义.对混凝土试样进行不同功率和加热时间的微波加热试验.结果表明试样的温度随着加热时间的增加逐渐增加,增加输入功率时,试样的温升速率和最大温度也不断增加,且温度变化与加热时间近似呈线性关系.增大微波输入能量,能够有效地提高温升速率.微波加热会使得试样出现温度分布不均匀的现象,随着加热时间的增加,温度分布的不均匀性在逐渐减小.     

微波作用下水分对岩石波速和强度的影响

为研究微波处理对含水岩石的损伤机制,采用2.45 GHz多模谐振腔对赤峰玄武岩、北山花岗岩和昆明砂岩这3种岩石进行了干燥和浸水岩石的微波加热试验,通过P波波速和单轴压缩强度评价微波处理对干燥和浸水岩石的损伤特性。结果表明:岩石种类不同,水分对微波处理后岩石的升温特性、P波波速和单轴压缩强度的影响也不相同;赤峰玄武岩含水量较少,对升温特性和波速影响较小;北山花岗岩和昆明砂岩为弱微波吸收类岩石,水分对升温速率和波速的影响较大,对强度的影响较小,这是由于微波先把岩石内的水分蒸发掉再和岩石反应,导致干燥岩石和浸水岩石的强度基本一致。     

川东北碳酸盐岩酸化损伤及力学特性试验研究

通过岩芯静态酸蚀试验并结合矿物微观组构分析和岩石力学特性试验,从不同尺度和性质研究了酸液对碳酸盐岩储层岩石力学特性损伤问题及其规律,并通过压裂室内模拟试验研究了裂缝起裂和扩展演化规律以及酸液化学作用对体积缝的影响。该研究有助于指导现场储层酸压改造设计及优化技术参数,对于提高碳酸盐岩储层深度酸压增产改造技术具有重要的工程意义。试验结果表明:酸液对碳酸盐岩试样主要以表面溶蚀为主,微细观结构形成了溶蚀缝洞和微裂隙,矿物含量方解石由73.43%减至47.51%,方解石含量高且易酸化,属可压性较高储层;酸液对岩石物理力学特性劣化衰减具有明显的时间效应,酸岩反应后试样纵波波速迅速降低,岩石单轴抗压强度和弹性模量均随酸化时间增长而降低,破坏模式仍呈现拉伸劈裂破坏,但破坏方式有脆性向延性转化的趋势;碳酸盐岩水力压裂和酸化压裂的泵注压力随时间演化和声发射特征具有一定的相似性,但酸压裂缝更为复杂,裂缝表现出粗糙的溶蚀孔缝,且酸压起裂泵压明显小于水压起裂泵压。     

岩石破碎功、坚固性系数、强度关系的实验研究

为了探索岩石突出等地下工程灾害中的岩石破碎功能关系,以岩石破碎理论为基础,进行了不同岩石的破碎和坚固性捣碎实验、破碎粒度筛分分级实验、岩石单轴抗压强度实验。通过对不同岩石的坚固性系数与破碎比功和单轴抗压强度等实验结果进行了回归,分析了三者之间的关系。研究表明,岩石坚固性系数与岩石破碎比功、岩石单轴抗压强度之间线性相关,同时验证了岩石破碎功能关系符合裂纹学说。实验结果对计算岩石动力灾害中的岩石破碎所需能量提供了实验基础和理论依据。     

地基层状岩石纵波波速与密度相关性试验研究

岩石声学特性研究多以单一岩石为研究对象,几乎没有涉及层状岩石,而地基工程中常常遇到层状岩体问题.试验岩样采自地基层状岩体样本,测定了不同密度的玄武岩、花岗岩、石灰岩以及三者组成的层状岩石的纵波波速.运用回归分析的方法,分别研究了不同岩性以及层状岩石的密度和其纵波波速的关系.研究表明:单一岩石和层状岩石的纵波波速和密度之间存在很好的线性关系;结构面的存在引起层状岩石波速的降低;建立了层状岩石纵波波速与密度的数学关系式.     

微波照射花岗岩力学性能试验研究

采用工业微波炉对花岗岩进行不同微波功率照射试验,分析经微波照射后的应力-应变曲线、抗拉强度、抗压强度和弹性模量等变化规律,探究微波照射对岩石力学性能的影响.研究结果表明:超过3.33 kW功率照射时,裂隙压密阶段的应力-应变曲线显著变长,随着微波功率的提高,试件破坏形式由脆性破坏向延性破坏转变;花岗岩的峰值应力、抗拉强...     

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...     

高温作用对3种砂岩物理参数特征的影响分析

基于3种煤层顶底板砂岩经历400～1 000 ℃高温前、后进行了X射线衍射和物理参数测试,分析高温作用对3种砂岩试样矿物成分及物理参数的影响。试验结果表明:高温后3种砂岩矿物晶体发生了相变,矿物成分发生较大变化;经历400 ℃高温对3种砂岩试样物理参数的影响甚微,超过400 ℃高温后试样视密度、波速与温度呈负相关,体膨胀率和烧失率与温度呈正相关。高温后3种砂岩试样视密度与纵波波速呈正相关,烧失率、体膨胀率与纵波波速呈负相关,高温后3种砂岩的物理参数之间具有一定关联性,岩石物理参数是对岩性特征宏观表述。研究结果可为局部区域煤层自燃对隧道围岩稳定性、安全性评价以及支护设计提供一定的参考。     

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。     

不同深度玄武岩的三点弯曲细观破坏实验研究

 现有深部岩石力学研究大多是从某一深度取出岩样,然后施加不同围压用于模拟不同深度,由此来研究不同深度情况下岩石的物理力学行为这一情况,然而实际中如果深度发生变化,不仅围压发生变化,岩石自身的微细观结构也会发生变化。针对此情况,选取北京门头沟一个有特点的区域,该区域从地表到深度1 100多米都有玄武岩。借助带加载装置扫描电镜(SEM)系统实时观察中心预制缺口不同深度玄武岩、偏心单裂纹及双裂纹玄武岩的细观破坏行为,揭示深度导致岩石力学性能变化的细观机制。研究发现,三点弯曲玄武岩试样中裂纹多数从预置缺口处萌生,进而发展成一条连续主裂纹。不同深度玄武岩的破坏荷载及断裂能随埋深呈增加趋势,主要原因是随着深度增加玄武岩更为致密,孔隙率小;相同偏心距下,偏心单、双2组试样峰值荷载和断裂能都几乎相同,且都随偏心距的增大而线性增加,主要原因是偏置裂纹试件缺口附近受到剪切力和弯矩的双重影响,但随着偏心距离的增加,弯矩影响在逐渐减少,这导致了峰值荷载和断裂能增加。     

岩石室内的水压致裂研究

本文根据石英粉砂岩、层凝灰岩、页岩三类岩石共97个试件的室内三轴水压致裂实验的研究,得到以下几点认识:(1)在水压致裂的全过程中,岩石的变形以环向为主.主破裂前σ-ε呈线性关系;致裂瞬间ε突然增大,σ-ε呈非线性,但岩石材料仍可视为弹性.(2)致裂时的应变速率随围压的增大而线性下降.(3)水压致裂法与劈裂法所得的岩石抗拉强度基本一致,前者略高.(4)低围压条件下试件致裂时的孔压差(孔压减围压)随围压的升高而升高,当围压超过某一值后,它却随围压的升高而降低.(5)岩石水压致裂所需的环向正应力(拉应力)随围压的升高而降低.(6)水压致裂的AE率图象与常规三轴的截然不同,前者反映张性破裂机制,后者反映剪性或压剪性破裂机制.(7) AE率图反映出水压致裂是沿一个或有限的几个面发生,而常规实验的破裂往往在全体积内发生.(8)水压致裂主要为张性破裂.许多张性总破裂由多次破裂组成.张破裂为环向正应力所致,由内孔壁沿径向扩展至外壁.     

矿物颗粒形状的岩石力学特性效应分析

岩石作为矿物颗粒的集合体,其宏观力学特性主要影响因素为矿物的细观形态特征。基于颗粒流理论,建立了4种代表颗粒形状用于模拟石英砂岩的矿物颗粒,并采用球度指标对矿物颗粒形状进行参数量化。通过石英砂岩的室内三轴试验校准了颗粒流模型的细观参数,在此基础上进行四种矿物颗粒形状试样的岩石三轴力学模拟试验。研究结果表明：颗粒的球度越大,试样的启裂强度、损伤强度和峰值强度均越低。随着颗粒球度的增加,试样的弹模降低,泊松比增大。内摩擦角和黏聚力则随球度的增大而下降。根据岩样数值试验中的变形数据,研究了不同颗粒形状剪胀角随着塑性剪切应变的演化规律。     

岩石冲击倾向与其波速变化的相关性研究

为探求岩石受载过程中波速变化规律与其冲击倾向的关系,建立单轴压缩下不同冲击倾向岩石波速随变形的变化关系式,并通过实验室试验对其进行初步验证。研究结果表明：(1) 当岩石冲击倾向性较强时,随着应变量的增加,波速开始基本没有变化,当所加荷载达到约90%峰值应力后,波速发生急剧下降;当冲击倾向性较弱时,波速基本呈线性降低。(2) 定义波速衰减因子的概念,用来表征岩石冲击倾向性的强弱,并初步确定其判别准则。(3) 对3种不同冲击倾向性岩石进行单轴压缩及波速测试试验,试验结果与理论关系式吻合较好。