磁铁石英岩落锤冲击破碎效果与能量关系

为研究磁铁矿石机械冲击破碎效果与能量的关系,开展了落锤冲击破碎试验、数码显微镜观察试验和原子吸收光谱检测试验,分析了磁铁石英岩冲击破碎特征与矿物分离特征,得到了能量密度与矿石碎块的粒度分维数、平均粒度和矿物颗粒分离效率的理论关系. 研究发现,碎块粒度分布具有分形特征,粒度分形维数和平均粒度较全面的描述磁铁矿石英岩冲击破碎程度;磁铁石英岩经落锤冲击后,发生矿物颗粒分离的碎块粒度与矿物嵌布粒度一致,碎块粒度越小矿物颗粒分离越显著;与二段磨矿产物相比,冲击破碎分离的矿物颗粒形态与光学特征更接近原矿矿物学特征;冲击破碎分离的磁铁矿颗粒全铁品位高于二段磨矿产出的磁铁矿颗粒,可以满足选矿的需要. 结果表明:随能量密度的增大,碎块粒度分维数呈负指数增长的变化特征,碎块平均粒度呈三次多项式降低的变化特征,矿物颗粒分离效率呈三次多项式增长的变化特征; 磁铁矿石冲击破碎过程中通过增大破碎能量密度,提高矿石破碎程度,增大矿物颗粒质量分数,将矿物颗粒筛分后直接进入磁选,可降低单位磁铁矿石加工总能耗.     

基于FDEM的岩石颗粒破碎后碎片形状的统计分析

针对碎片尺寸和形状会影响岩石强度和变形的问题,采用三维扫描技术获得真实岩石颗粒的表面点云数据,然后通过数字图像处理技术重构数字颗粒,利用连续-离散耦合方法（FDEM）模拟单个颗粒在平板压缩下的断裂破碎. 识别颗粒破碎后所产生的碎片,并进行碎片形状的表征和量化,分析碎片形状与颗粒初始形状、碎片尺寸的关系. 为了准确描述裂纹尖端的应力梯度和损伤演化,进行颗粒有限元网格密度的敏感性分析,结果表明,断裂过程区至少需要5、6个界面单元以减弱网格尺寸的影响. 本研究关注颗粒破碎后所产生碎片的整体形态,忽略断裂引起的碎片表面局部起伏和粗糙变化. 尽管所研究颗粒的初始形状存在较大差异,仍发现颗粒破碎后所产生碎片的形状指标分布具有一些共性特征. 碎片的圆度、扁平率、Domokos因子和凸度对颗粒初始形状的敏感性逐渐增强,并且除了圆度外,其他形状指标分布与碎片尺寸之间并未发现显著的相关性. 不同粒径组碎片的圆度分布表明,较大的碎片棱角更明显.     

冲击载荷对煤样表面裂纹扩展特征影响研究

以型煤和原煤试样为研究对象,以自行研发的落锤式冲击加载试验装置、基于细观分析的微结构演化三维自动测控试验装置和煤岩表面微结构动态演化三维细观监测软件为主要研究设备,对冲击载荷作用下煤样表面裂纹扩展规律进行了试验研究.结果表明:冲击荷载使两类试样表面产生自上而下与冲击方向呈锐角分布的裂纹;表面裂纹形态呈锯齿状,且裂纹扩展遇坚硬颗粒时表现为穿晶与绕晶扩展模式相结合,并可能产生分岔,总体呈S型扩展;与型煤相比,原煤表面裂纹的变化频率、形态的粗糙度、分岔频率和穿晶扩展的比例均较低;随着冲击次数的增加,煤样表面裂纹宽度扩展表现为渐进式与突变式2种,表面裂纹扩展方向表现为随着冲击次数增加呈"高速变化-平缓发展-急速变化"3段式;坚硬颗粒阻碍煤岩表面裂纹扩展,原生裂隙对其具有双重作用,非均质性使其起裂位置和扩展路径具有很强的随机性;提出了1种表征煤岩表面裂纹扩展路径的函数;受相同作用后,原煤表面裂纹的分形维数大于型煤;随着冲击载荷增加,煤样表面裂纹分形维数呈减小趋势,各裂纹间分形维数的差异也逐渐减小.     

颗粒破碎对岩土体宏观力学性能影响的细观机理分析

采用离散元法建立了岩土颗粒的刚性簇与柔性簇的三轴试验数值模型,分析了两种颗粒模型在加载过程中的宏观力学响应规律,通过对颗粒配位数、孔隙率、颗粒旋转及能量变化的分析,从细观角度对岩土颗粒破碎的机理进行探讨。结果表明,柔性簇颗粒模型在加载破碎后,试样的体积缩小明显,颗粒更容易发生旋转,且颗粒破碎生成的动能、耗散的阻尼能均比颗粒未破碎时大。研究对比发现刚性簇颗粒没有体力能的消耗,这表明颗粒破碎是一个细观变化过程,破碎的颗粒运动更剧烈,产生能量更多,更容易填充试样内部孔隙;相比于刚性簇颗粒,柔性簇颗粒的配位数更低,试样强度较不破碎时更低,说明颗粒破碎会影响岩土的宏观力学性能,增加土体自身受力的不确定性。     

岩石动态断裂性能的Ⅱ型能量型尺寸效应与应变率效应研究

目前对Ⅱ型能量型尺寸效应与应变率效应的物理本质还没有解释清楚.利用霍普金森压杆系统(SHPB)对一种带预制裂纹的半巴西圆盘岩石试件进行加载,对比不同试件尺寸和不同应变率情况下试件的起裂韧度,探究岩石材料动态Ⅱ型尺寸效应和应变率效应的规律.结果表明:岩石起始断裂韧度随着加载速度的增大,近似呈线性增大,表现出明显的应变率效应;在相同的加载速度情况下,岩石的起始断裂韧度随着试件的尺寸增大而增加,且岩石断裂韧度的尺寸效应会随着应变率的增加而增强,即更高的加载速度会使得Ⅱ型能量型尺寸效应更明显.     

铁矿山矿石破碎能量与粒度关系

为研究铁矿石破碎能量与粒度的理论关系,将铁矿石从原矿破碎至精矿粒度的所有阶段看作一个破碎系统.首先对矿石破碎能量与粒度关系的基础理论进行整合分析,构建铁矿石破碎能量理论模型;然后通过现场调研的方法分析铁矿石破碎能量的变化特征,开展室内试验分析各破碎阶段铁矿石样品的粒度分布特征;最后采用数值拟合的方法分析铁矿石破碎系统单位能量随粒度的变化特征,使用矿山各破碎阶段的单位能量、矿石特征粒度和中值粒度验证铁矿石破碎能量理论模型的可靠性.研究结果表明,随着破碎阶段的变迁,铁矿山矿石破碎能量指数增加,且分布不合理,矿石粒度依次呈现指数函数分布、多项式函数分布和朗缪尔幂函数分布的特征,破碎系统单位能量与矿石粒度呈负相关的函数关系,在矿石中值粒度d_(50)为12 mm或特征粒度d_(80)为25 mm时,系统单位能量的变化速率出现转折.所构建的铁矿石破碎能量理论模型扩大了能量计算的粒度范围,可用于拟合铁矿石阶段破碎单位能量与入破粒度和产品粒度的函数公式,为铁矿山矿石破碎能量计算提供理论依据.     

碰撞成核过程形成的破碎晶核粒度分布特征

研究悬浮液中晶体颗粒碰撞后所形成的破碎晶核的分布特征．探讨不同母晶尺寸、搅拌速率及悬浮密度对破碎晶核粒度分布的影响,发现碰撞后所产生的细小晶核数量随其尺寸的增大而减少的规律．大粒度的晶体个体碰撞过程中的能量损失较大,碰撞所产生的细晶数量远远超过单个小粒度晶体所产生的细晶数量;搅拌速率的改变引起的晶体碰撞能的变化对破碎晶核分布的影响与晶体粒度有关;母晶悬浮密度变化对细小破碎晶核分布的影响受到晶体悬浮状态的制约．     

钢筋混凝土柱式桥墩落石冲击分析方法

为研究落石冲击对钢筋混凝土(RC)桥墩安全性能的影响,建立一种考虑截面抗剪能力率相关性的RC柱式墩崩塌落石撞击损伤状态评价方法.首先,通过与钢筋混凝土梁落锤实验结果对比验证数值模拟方法可靠性,考虑桩基与土层相互作用建立了彻底关大桥下部结构落石撞击有限元模型.其次,以KC模型修正的Priestley公式描述混凝土动载抗剪强度,以剪力破坏参数定义截面损伤等级,分析墩柱截面不同撞击场景下的损伤状态.最后,进行混凝土抗压强度、墩柱截面面积、箍筋间距、墩柱长细比参数敏感性分析.结果表明:全局平均等效静力方法应用于落石撞击荷载静力简化存在缺陷,在高冲击强度场景下衰减段长持时使得等效静力偏低;引入墩柱截面抗剪能力率相关性能够更准确地描述落石冲击损伤状态;增大墩柱截面面积和提高箍筋配筋率能够有效地降低RC柱式桥墩落石撞击损伤.     

冲击载荷下脆性岩板损伤断裂演化的实验模拟研究

在矿山运输系统中,井壁围岩冲击损伤破坏对经济和安全效益的影响是至关重要的,因为动态冲击载荷对井壁围岩和支护结构会产生严重的削弱破坏作用,室内研究表明,岩石样品如岩板在动态载荷的冲击作用下会失效。为研究在低速冲击载荷作用下,脆性岩石损伤断裂的演化过程,利用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置中压缩气体发射球体子弹对脆性岩板进行变角度冲击损伤实验,岩板受到冲击后,边缘出现凹坑,表面裂纹从撞击凹坑直达岩板边缘,实验中样品的表面裂纹能有效代表试样内部的开裂状况,能有效反映冲击能量的耗散、破裂区面积与裂纹表面积随入射能量呈非线性增长趋势,同时与入射角度相关,但当破裂区面积急剧下降时,裂纹表面积反而急剧上升,表明裂纹的发生发展有明显的孕育期,在入射能量达到临界值前,主要表现为裂纹孕育增长,在达到临界值后,发生宏观断裂破坏,裂纹面积呈负增长,破裂区面积增大。实验结果分析表明在实际工程中,围岩和支护结构的抗冲击的最优化设计角度范围在15°～30°。     

冲击载荷下脆性岩板损伤断裂演化的实验模拟研究

在矿山运输系统中,井壁围岩冲击损伤破坏对经济和安全效益的影响是至关重要的,因为动态冲击载荷对井壁围岩和支护结构会产生严重的削弱破坏作用,室内研究表明,岩石样品如岩板在动态载荷的冲击作用下会失效。为研究在低速冲击载荷作用下,脆性岩石损伤断裂的演化过程,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置中压缩气体发射球体子弹对脆性岩板进行变角度冲击损伤实验,岩板受到冲击后,边缘出现凹坑,表面裂纹从撞击凹坑直达岩板边缘,实验中样品的表面裂纹能有效代表试样内部的开裂状况,能有效反映冲击能量的耗散、破裂区面积与裂纹表面积随入射能量呈非线性增长趋势,同时与入射角度相关,但当破裂区面积急剧下降时,裂纹表面积反而急剧上升,表明裂纹的发生发展有明显的孕育期,在入射能量达到临界值前,主要表现为裂纹孕育增长,在达到临界值后,发生宏观断裂破坏,裂纹面积呈负增长,破裂区面积增大。实验结果分析表明在实际工程中,围岩和支护结构的抗冲击的最优化设计角度范围在15°～30°。     

Energy consumption in rock fragmentation at intermediate strain rate

In order to determine the relationship among energy consumption of rock and its fragmentation, dynamic strength and strain rate, granite, sandstone and limestone specimens were chosen and tested on large-diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) equipment with half-sine waveform loading at the strain rates ranging from 40 to 150 s⁻¹. With recorded signals, the energy consumption, strain rate and dynamic strength were analyzed. And the fragmentation behaviors of specimens were investigated. The experimental results show that the energy consumption density of rock increases linearly with the total incident energy. The energy consumption density is of an exponent relationship with the average size of rock fragments. The higher the energy consumption density, the more serious the fragmentation, and the better the gradation of fragments. The energy consumption density takes a good logarithm relationship with the dynamic strength of rock. The dynamic strength of rock increases with the increase of strain rate, indicating higher strain rate sensitivity. Foundation item: Projects(50674107, 10472134, 50490274) supported by the National Natural Science Foundation of China     

岩石爆破破碎机理的分形研究

应用分形几何理论，研究了爆炸载荷作用下岩石块度的分布特征，发现在双对数坐标下，爆破块体粒径的质量累积百分数与粒径间呈直线关系，表明其块度分布具有分形结构。根据该直线的斜率ｂ，由公式Ｄ＝３－ｂ可求得相应的分维。分维可作为描述块度分布特征的一个有序参量，其值反映了爆破块度分布的离散程度和块度的均匀程度。     

煤矿砂岩SHPB动态压缩力学性能试验与分析

为研究煤矿砂岩冲击载荷作用下的动态力学特性,利用分离式Hopkinson压杆对皖北矿区祁东煤矿的砂岩试件进行冲击压缩试验,得到了试件应变率变化时程曲线和动态应力一应变曲线。试验结果表明：采用3种冲击气压加栽,入射波形均近似为梯形波;试件应变率随冲击气压提高而增大,应变率曲线中有一段近似恒应变率平台,可实现恒应变率加栽;试件动态破坏形态在低应变率下为径向外围剥落式拉伸破坏模式,在高应变率下则为颗粒状粉碎破坏模式。随应变率增加,碎块尺寸减小且碎块数量增加,具有明显的应变率效应;试件动态抗压强度与平均应变率近似乘幂关系,显示出较强的相关性。     

Damage and fragmentation of rock under experiencing impact load

1 INTRODUCTIONThe dynamic fragmentation of brittle materialsexperiences an extremely complex process ,invol-ving micro-cracks nucleation,propagation and coa-lesce , which breaks the solid into fragments . Butthe process canfall into two successive phases gen-erally : damage stage and fragmentation phase .The most widely applied theoretical models of theprocess , such as those based on the pioneeringstudies of Grady[1], Glenn et al[2],involve sometype of relatively si mple global energy ba…     

Kinetic energy and its applications in mining engineering

Reduction of energy consumption in comminution is of significant importance in mining industry. To reduce such energy consumption the energy efficiency in an individual operation such as blasting must be increased. By using both new investigations and previous experimental results, this paper demonstrates that (1) kinetic energy carried by moving fragments in rock fracture is notable and it increases with an increasing loading rate;(2) this kinetic energy can be well used in secondary fragmentation in crushing and blasting. Accordingly, part of the muck pile from previous blast should be left in front of new(bench) face in either open pit or underground blasting. If so, when new blast occurs, the fragments from the new blast will collide with the muck pile left from the previous blast, and the kinetic energy carried by the moving fragments will be partly used in their secondary fragmentation.     

动态载荷作用下岩石颗粒破裂过程的数值模拟

目的 为了研究岩石颗粒在动态载荷下的损伤破坏机理与动力破碎过程．方法 用RFPA（岩石破裂过程分析）探讨不同动态应力波作用对于岩石颗粒试样破坏模式的影响．结果 数值模拟结果表明，在不同的应力波峰值和不同的应力波作用时间作用下，试样表现出不同的破裂模式．结论 在应力波峰值较低时，裂纹的萌生从试样的中部或底部开始；当应力波赋值较大时，裂纹的萌生从加载点开始以裂纹带的形式向下延伸．在相同的应力波峰值作用时。波长较长时试样主要表现为径向破裂为主；而波长较短时试样则表现为两翼破坏．在动态应力波作用下，试样中萌生出更多的分叉裂纹，随着应力波波长的增加。分叉裂纹的数量也随之增加．这与静态载荷作用下形成只一条主裂纹的情形是不同的。     

A novel rock bolting system exploiting steel particles

The effectiveness of rock bolting in ground control has been extensively investigated, mainly for resin based systems. Alternative coupling materials are needed to have good mechanical performance and to reduce the economic impact. This study proposed a new bolting system exploiting steel particles as coupling material. The applicability of this system was assessed by laboratory and field pullout tests, assisted by digital imaging correlation (DIC), infrared thermography (IRT) and acoustic emission (AE). The results indicated that, for a 20 mm diameter bolt, the suitable steel particle size and corresponding inner diameter of borehole were 1.4 and 28 mm, respectively. For bolts installed in steel tubes, the particles improved the loading capacity compared to the resin bonded ones. Additional pullout tests on cement blocks indicated that steel particles can be effective for hard rock, whilst resin was a better choice for bolting of soft rock. Similar understanding was obtained by pullout tests in engineering fields, which demonstrated that the steel particles coupled bolts can provide favorable effects in hard rock mass, while the effects were negligible when installed in extremely soft coal mass. The wide set of multi-technique measurements helped to understand the mechanisms involved in the performance of the bolting system with coupling steel particles.     

岩石爆破逾渗断裂行为与块度分布研究

岩石是一种内部空间结构具有强烈随机性的高度无序介质，其爆破损伤断裂和破碎过程极为复杂．运用逾渗理论和重整化群方法分析了岩石损伤断裂的临界性质，阐明了岩石断裂破坏的物理机制，建立了临界参数与岩石宏观物理性质之间的联系，揭示了临界参数的物理意义．根据破裂面分维与碎块分维的关系结合损伤演化方程，提出了块度分维计算式，研究了爆破块度分布规律．