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。     

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。     

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。     

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。     

2种岩石直接拉压作用下的力学性能试验研究

 利用Instron1342液压伺服机对2种典型硬岩和软岩试样进行单轴试验,包括单轴压缩试验和直接拉伸试验,研究这两种岩石在直接拉压作用下的力学性能,对比2种岩石的单轴抗压强度和单轴拉伸强度。试验过程中监测岩石试样的轴向应变和水平应变,并记录岩石试样的声发射特征,得到2种岩石在单轴拉压下的应力–应变曲线和声发射计数率曲线,对比2种岩石在单轴拉压下的声发射变化规律。试验发现,直接拉伸下2种岩石在加载初期较大范围内基本无声发射事件发生,直到破坏前声发射事件数才突然增大。讨论2种岩石在不同加载模式下的弹性模量和泊松比变化关系,发现单轴压缩下,硬岩的弹性模量随载荷变化先增大而后趋于稳定,当载荷超过单轴抗压强度的80%时又变小;而单轴拉伸下,硬岩的弹性模量初始较大,随后随着载荷增大而逐渐减小。单轴压缩下2种岩石的泊松比为0.2～0.3,而单轴拉伸下岩石的泊松比很小,几乎可以忽略。比较2种岩石的破坏角、内摩擦角以及黏聚力,讨论2种岩石在直接拉压作用下的不同破坏模式。利用三维表面形貌扫描仪对直接拉伸试样的破坏断面进行三维扫描,得到破坏面细观结构图和裂纹面表面粗糙度曲线。     

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。     

高温后砂岩动态压缩条件下力学特性研究

利用分离式霍普金逊压杆装置（SHPB）进行单轴动态压缩实验,研究砂岩经历25℃～800℃高温作用冷却后,密度、纵波波速、峰值强度随温度的变化规律;同时从破坏模式、块度分布以及高速摄影特性角度分析了高温后砂岩的动态破碎特性。研究结果表明：随着温度的升高,试样的密度、纵波波速、峰值强度均逐渐减小,200℃后纵波波速降低的幅度增大,400℃～600℃之间峰值强度降低幅度较小,800℃后峰值强度急剧下降;历高温后砂岩的动态破碎特点主要为拉伸破坏,且随着温度的升高,破碎程度越大,岩块分布趋细粒化。通过高速摄影仪拍摄图象,直观地再现了岩石动态破坏过程,发现纵向裂纹沿加载方向随机分布在岩样四周,且初始载荷时岩石破碎形态不具代表性而是随着应力波多次反射才形成最终的破坏形态。     

含充填物的厚壁圆筒砂岩的力学性质研究

基于单轴和常规三轴压缩试验,采用完整试样、空心及铝棒充填的厚壁圆筒试样,模拟研究支护对圆形巷道的强度、变形和破坏特征的影响。结果表明:充填试样和完整试样的单轴压缩强度和弹性模量大致相同,而厚壁圆筒试样的强度和弹性模量则偏低31.8%和22.4%;厚壁圆筒试样三轴压缩时出现沿圆周层状破坏,其剪切面积随着围压的增大而减少,围压40 MPa时出现明显塌孔;充填试样进入塑性屈服阶段后,充填物才会对试样的力学性质产生明显影响;充填物改变了孔道内部应力状态,使孔道内壁由原来的二维应力状态恢复到三维应力状态,抑制了孔道内壁的侧向变形,防止自由面岩石的脱落;岩石破坏并不代表承载能力消失,充填试样岩石破坏后失去黏结力,载荷主要通过充填物与岩石、岩石裂隙之间摩擦力共同承载。     

振荡冲击器破岩机理数值模拟分析

为了揭示振荡冲击器作用下的井底岩石破碎机理,用数值模拟分析的方法,研究了不同参数对破岩效率的影响,包括不同工作频率、不同循环动载和不同岩石类型,并分别对其进行了定量分析。结果表明,井底岩石的破碎分为3个区域:破碎区,损伤区和无损区,在振荡冲击器的作用下,井底岩石的破碎过程分为3个阶段:钻头的中心齿压碎岩石,边齿对岩石造成破坏,钻头旋转切削破碎岩石。井底岩石的破碎效率随着振荡冲击器工作频率的变化而变化,当工具的工作频率为16 Hz时,破岩效率最高,振荡冲击器的破岩效率随着交变动载荷峰值的增加而不断增加,当其峰值载荷超过10 k N之后,破岩效率增加比较缓慢,振荡冲击器的破岩效率随着地层岩石硬度的变化而变化。这对振荡冲击器的现场应用具有十分重要的指导意义。     

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.     

A correlation between P-wave velocity,impact strength index,slake durability index and uniaxial compressive strength

Impact strength index, slake durability index and uniaxial compressive strength (UCS) are important properties of a rock mass which are used widely in geological and geotechnical engineering. In this study, the mechanical properties of one igneous, three sedimentary and three metamorphic rock types were determined in the laboratory and correlated with P-wave velocity. Empirical equations have been developed to predict the impact strength index, slake durability index and UCS from P-wave velocity, which may avoid the necessity for time-consuming and tedious laboratory testing. To check the sensitivity of the empirical relations, a t test was performed which confirmed the validity of the proposed correlations.      

气液复合加载的岩爆模型试验研究

 针对现有岩爆模型试验设备及方法存在的不足,采用自主研发的气液复合型岩爆模型试验装置,进行不同应力梯度下的大尺寸岩爆模型试验。通过对试件宏观破坏现象、内部变形规律及声发射特征参数的分析,研究岩爆发生、发展过程及破坏机制。结果表明：岩爆的发生与荷载梯度、能量的集聚程度和破坏时能量的释放速率密切相关,模型荷载梯度差值不一导致局部应力集中程度不同,影响试件破坏前期能量的耗散与集聚及岩爆时刻能量的释放速率,竖向破坏荷载梯度差值越大,局部应力集中程度越高,能量释放速率越快,转化为动能的能量越多,岩爆现象越易发生。模型试件破坏时,顶部竖向最大荷载值 处于与单轴抗压强度 比值为0.5～0.7范围,梯度荷载条件下,动静组合加载是试件破坏荷载降低的主要原因,其试验方法符合工程岩体的实际受荷。     

Inconsistency of changes in uniaxial compressive strength and P-wave velocity of sandstone after temperature treatments

It is generally accepted that the uniaxial compressive strength(UCS)and P-wave velocity of rocks tend to decrease simultaneously with increasing temperature.However,based on a great number of statistical data and systematic analysis of the microstructure variation of rocks with temperature rising and corresponding propagation mechanism of elastic wave,the results show that(1)There are three different trends for the changes of UCS and P-wave velocity of sandstone when heated from room temperature(20
C or 25
C)to 800
C:(i)Both the UCS and P-wave velocity decrease simultaneously;(ii)The UCS increases initially and then decreases,while the P-wave velocity decreases continuously;and(iii)The UCS increases initially and then fluctuates,while the P-wave velocity continuously decreases.(2)The UCS changes at room temperaturee400
C,400
Ce600
C,and 600
Ce800
C are mainly attributed to the discrepancy of microstructure characteristics and quartz content,the transformation plasticity of clay minerals,and the balance between the thermal cementation and thermal damage,respectively.(3)The inconsistency in the trends of UCS and P-wave velocity changes is caused by the change of quartz content,phase transition of water and certain minerals.     

卸荷条件下岩爆机理的试验研究

岩体卸荷和加荷条件下的力学特性有本质区别，高地应力地区地下工程开挖过程中发生的岩爆是一种典型的开挖卸荷现象。对粉砂岩试样进行了保持轴向变形不变的卸围压试验，在试验结果分析研究的基础上，对卸荷导致的岩爆进行了研究。研究表明。处于三轴应力状态下的岩体，如果某一方向的应力突然降低造成的岩石在较低应力水平下破坏，那么原岩储存的弹性应变能会对外释放，释放的能量将转换为破裂岩块的动能，进而町能引起岩爆。采用提前钻孔释放能量的方法。将工作面前方围岩中的能量提前释放，在即将开挖的围岩四周形成一个低应力的保护壳，能够减缓或降低岩爆的发生。     

高围压卸荷条件下大理岩破碎块度分形特征及其与能量相关性研究

 高应力条件下,岩石卸荷的力学响应特征及发生机制是高地应力地区岩体工程开挖稳定性评价及控制的关键问题。基于不同卸荷速率和初始围压条件下三轴高应力大理岩卸围压试验,结合分形理论和能量原理,研究高应力卸荷条件下岩石破裂块度分布规律及其与能量耗散和释放的相关性。高应力条件下三轴卸围压大理岩试样碎块分形性质具有较强的局部性,仅在小于某一特征尺度(分形特征尺寸阈值)范围内表现出较好的分形性质,其碎块分维数均大于2,分维数随卸荷速率增大而单调减小,但初始围压对分维数的影响与卸荷速率密切相关。相对常规三轴压缩岩样,高围压下卸荷岩样虽然峰值点附近耗散和储存应变相对少得多,但其峰值前、后应变能转化速率相对大得多,特别是峰后的弹性应变能释放速率和环向膨胀消耗应变能速率。高应力卸荷条件下卸荷速率越快、初始围压越高,峰前损伤和峰后破裂贯通历时越短,峰值点处耗散应变能和储存弹性应变能越大,峰前、峰后应变能转化速率越快,破碎岩样的分形特征尺寸阈值越大,分维数越小,张性破裂程度和性质越强。     

Estimation of strength and deformation properties of Quaternary caliche deposits

The aim of this study was to develop and evaluate statistical models for predicting the uniaxial compressive strength (UCS) and average Young’s modulus (E _av) for caliches, using some index and physical properties. The caliche samples, from Adana, southern Turkey, were of low strength and difficult to sample. X-ray diffraction and microscopy were undertaken and the following physical parameters established: unit weight, apparent porosity, Schmidt rebound number, Shore hardness, P-wave velocity, slake durability, point load, uniaxial compressive strength and average Young’s modulus. Simple and linear regression variable selection analyses were performed. The best relationships were obtained for UCS with P-wave velocity and unit weight and for average Young’s modulus with P-wave velocity, porosity and slake durability. Empirical equations are proposed, although it is emphasised that these may only be applicable for caliche of a similar geological character.