文摘

超高频率影响技术潜力巨大努力打破岩石较低的能源消耗。基于红外无损检测技术,负载(即的影响。(即振幅)和边界。,confining pressure) conditions on granite damage under ultrahigh frequency impact have been investigated to promote the application of this technology in rock engineering. Experimental results demonstrate that the evolution law of the maximum radiation temperature on granite surface reflects the granite damage state. Under ultrahigh impact, granite specimens are damaged effectively with the impact amplitude exceeding 32 μm,试样的失效模式改变围压。根据格里菲斯的理论,疲劳裂纹扩展角的变化从60岁提高到30度,增加围压。和横向断裂发生在上部的标本在超高频率受围压的影响。本研究确定超高频率的振幅阈值影响负载和验证的有效性超高频率技术花岗岩失败受围压的影响。

1。介绍

实现全球碳中立的目标、地质资源钻探需要减少能源消耗和提高钻井效率1]。常规旋转钻井方法,由机械切削力破坏岩石的挑战钻井工具的低效率和高磨损率(2]。轴向冲击和旋转切割是一个典型的措施提高旋转钻井的效率(3]。此外,一些小说和非传统的岩石破碎方法,包括水射流方法(4],弹丸的影响[5),等离子体方法(6)、激光法(7,微波方法(8),提高钻井效率在坚硬的岩石,同时增加能源和材料利用率。然而,受限于设备和钻井成本的环境下,这些创新方法没有被大规模应用。与超声波换能器的发展,由轴向旋转钻探辅助超高频(UHF)影响已成功应用在超硬材料加工领域,被认为是一种有效的方法来解决这些钻井挑战[9]。

为辅助超高频影响技术在钻井工程中的应用,一些学者设计了超高频冲击钻机和验证他们的岩石断裂在实验室条件下的可行性。Wiercigroch等人设计了一种旋转钻探测试装置的帮助下轴向超高频影响和硬岩石钻井进行测试(10]。试验结果表明,辅助超高频的影响可以显著提高钻井速度和降低钻井的力量。哈克尼斯(11)和Cardoni et al。12验证,扭复合作用可以有效地提高岩石破碎效率。和这项技术减少了重量和穿的钻井平台,它具有较高的应用价值领域的行星岩石钻探和取样。上述研究表明,超声冲击钻头在低功率条件下可以实现优越的钻探效果。然而,岩石破裂的机理还不清楚,限制了应用这些演习在实际钻井项目(13,14]。

超高频频率的影响大于20 kHz,高于岩石的固有频率。固体材料、特高频应力波的传播会导致重大的机械和热影响,促进材料的失败(15]。由于认识不足超高频下岩石破坏机理的影响,一些学者进行了实验研究。岩石动态力学特性,通过监测应变演化的花岗岩表面,周et al。16]分析了机械和花岗岩标本在超高频损伤性质的影响。实验结果表明,试样的变形变化从压缩到紧张,开始出现在张力和损害。此外,影响频率和静力花岗岩试样的力学性能有明显影响(17]。保持频率接近岩石固有频率的影响,选择合适的静态力是提高岩石破碎效率的关键(18]。最优影响频率和静力测试30千赫和200 N,分别为(19]。对于岩石温度场演化,赵et al。20.]分析了花岗岩表面温度场的演变特征,建立了岩石损伤的临界判据基于温度变化规律。此外,这项研究显示,疲劳拉伸造成的损害超高频影响和热损伤引起的高温是花岗岩的主要失效机制21]。

上述研究建立了频率、静态力,超高频和温度下的花岗岩损伤阈值的影响。然而,很少有研究了影响振幅的影响(即。、超高频载荷强度)和围压(即。,边界条件)花岗岩失败。这是一个已知的事实,加载和边界条件对岩石的破坏过程有重大影响(22,23]。岩石红外无损检测技术的发展提供了重要的方法理解岩石破裂的机制在超高频的影响。因此,基于红外无损检测技术,振幅和围压的影响的影响在坚硬的岩石失败可以调查。

在这个工作中,影响振幅的影响(即。32、20、24、28日,36岁和40μ米)和围压(即。,0, 10, and 20 MPa) on granite failure under UHF impact is observed and analyzed using an infrared thermal imaging device. First, based on the maximum temperature curves on the entire UHF impact process, the damage process of the specimen under different impact amplitudes is analyzed. Then, the amplitude threshold for granite strength weakening under the test conditions is determined by uniaxial compressive strength testing. Second, the effect of confining pressure on the failure mode of granite specimens was analyzed by the thermal stress distribution on the rock surface under triaxial UHF impact. And the fatigue crack extension angle of the specimens under triaxial UHF impact is discussed by the Griffith crack extension theory. This research has further perfected the understanding of the rock fracture mechanism under UHF impact and provided theoretical guidance for the practical application of UHF impact.

2。实验的方法

2.1。样品制备

中等颗粒粒度的圆柱直径的标本 毫米的高度 mm准备后,国际社会力学(ISRM)标准。花岗岩标本的主要矿物成分如表所示1,自然标本的物理力学参数如表所示2。

2.2。超高频冲击试验设备

本研究中使用的单轴超高频冲击试验装置如图1(一),包括超声波驱动电源,压电陶瓷换能器,超声波角、工具头,计时器,体重,支架,花岗岩标本,加载不同的振幅影响适用于花岗岩标本。超声波驱动电源转换成220 V交流电的频率从50 Hz到30千赫和输出超声波发生器。超声波发生器由压电陶瓷换能器,超声波角、刀架,产生超高频率的影响力量。如图2,压电陶瓷换能器将交流电转换为能量的频率30千赫到超高频率机械波能量相同的频率。然后,高频机械波的振幅放大的超声波角和传播工具。和工具头获得超高频率冲击力打破顾虑样本。通过调节超声波的力量驱动电源,范围从0 ~ 1200 W,振幅的影响可以选择从0到40μm。重量转移的静态力(200 N)通过括号工具头,使刀架在密切接触表面的标本和提高能量传输效率的影响。

2.3。围压的应用方案

为了应用围压圆柱试样在不影响超高频冲击荷载,围压应用程序是一个简单的机械装置设计如图1 (b)组成的液压泵,液压缸,推力转移,围压应用程序块,夹紧块。液压泵的液压输出转换为机械力由液压缸和机械力应用于将传输块。然后,围压应用程序块转换机械力通过推力块转移到径向约束压力,挤压变形。最后,张性变形的夹紧块,围压是应用于端面的标本在一个相对统一的方式。

2.4。测试程序

根据研究的目的,测试分为两部分进行涉及影响振幅和围压的作用下花岗岩失败超高频通过分析岩石表面辐射温度的影响。实验参数的测试如下:超高频频率是影响30千赫,静态力200 N, 1200 W超声波驱动力量。每组包含3个标本进行重复测试。

如图3(a),在整个超高频冲击荷载振幅的20日,24日,28日,32岁,36岁,40岁μ米,岩石表面的红外辐射温度监控拍照每秒钟通过热红外成像仪。每个图片都包含一个矩阵 像素代表的空间分布在岩石表面红外辐射温度的值。通过使用文本编辑软件和Tecploct软件过程的温度数据,曲线进化辐射温度的影响在每个像素在岩石表面。振幅的影响下岩石损伤与断裂超高频影响可以调查基于红外温度演化。然后,花岗岩试样的单轴抗压强度是衡量超高频影响不同振幅下120秒量化岩石强度弱化的程度。

如图3(b),只有围压选择的变量来研究围压的作用下花岗岩断裂超高频的影响,和测试程序如下:(1)首先应用于围压花岗岩标本缓慢,然后,应用超高频冲击负载的顶面标本为180秒30千赫频率的影响的静态力200 N, 40振幅的影响μm。(2)超高频冲击荷载后,超高频影响设备立即删除,岩石的红外辐射信息加载面测量。(3)花岗岩标本取出后卸围压观察骨折模型。(4)如果没有宏观裂缝表面的标本,标本上的裂纹垂死的测试执行的纵切面观察内部mesodamage花岗岩。

3所示。温度标准花岗岩失败

3.1。数学岩石应力和红外辐射温度之间的关系

在岩石表面的温度变化明显岩石加载过程中,变形、损坏,可以通过红外热像仪观察(24]。一些学者认为微裂隙的发展之间的关系和热红外辐射特性(25- - - - - -27]。这些研究表明,热弹性效应和frictional-thermal效应的主要机制是岩石表面的热辐射的一代,特别是弹性和脆性岩石像花岗岩。岩石表面的热辐射温度不仅反映了岩石内部应力的分布和强度也揭示了岩石破裂的过程。对岩石材料、红外辐射温度之间的数学关系在岩石表面和内部应力加载下面的方程所示(25]。

在哪里(K)的增量是岩石表面红外辐射温度,T的绝对温度加载岩石,参数校正系数(K), 信号转换因子。

方程(1)表明,岩石表面的红外辐射温度的增量成正比的主要压力的总和。没有摩擦热和散热由于岩石破坏,岩石表面的红外辐射温度将增加逐步加载时间和主应力。岩石的破坏过程,可以通过不稳定的波动分析红外辐射温度。

3.2。最高温度岩石破裂的标准

最大的进化法则,平均最低气温在岩石表面是遥感岩石力学的重要指标(28]。图4显示温度的曲线(即。,maximum, average, and minimum temperature) on granite surface with loading time under UHF impact. The results demonstrate that only the maximum temperature curve exhibits typical stage-change characteristics (i.e., temperature grows linearly in stage I, temperature rises sharply in stage II, and temperature fluctuates rapidly in stage III) with the development of granite failure. Under different loading conditions, as microcracks emerge and expand in the rock, anomalous changes of infrared radiation temperatures on the rock surface include transient rising, rapidly falling, and first decreasing and then increasing [29日]。我在舞台上,在弹性变形,热弹性效应导致线性热弹性与加载时间的增加。超高频冲击载荷并没有有效地破坏了岩石,和里面的主要微裂隙岩石在这个阶段仍然关闭。在第二阶段中,结束后的弹性变形、微裂隙的出现和增长产生大量的摩擦热,导致岩石表面温度急剧上升。在第三阶段,在连续超高频的影响下,宏观裂缝的产生会导致大量的能量耗散使温度急剧波动。总之,这些变化在最高红外辐射温度显示超高频影响下岩石的破坏阶段。

4所示。振幅阈值下的花岗岩破坏超高频的影响

4.1。最高温度下进化超高频不同振幅的影响

图5完整显示了最长时间曲线在超高频的振幅影响20日,24日,28日,32岁,36岁,40岁μm。结果表明,最高温度曲线表现出类似图变化特征4振幅的32、36和40μm,揭示了微裂隙的产生和扩展和当地的宏观断裂的发生在花岗岩标本。此外,随着振幅的影响增加,弹性变形阶段越短,越快岩石损伤与断裂的外观。当影响振幅的值是20,24日和28日μ米,最高温度曲线变化平稳,表明岩石的弹性变形。

4.2。振幅对花岗岩的力量削弱的影响在120秒的超高频的影响

图6显示的效果影响振幅在花岗岩在同样强度弱化超高频持续时间的影响,定量地验证了振幅对岩石破裂的影响。测试结果表明,花岗岩的单轴抗压强度显著降低当振幅的影响达到32岁,36岁和40μ60 m。抗压强度减弱,在40 MPaμ米,只有三分之一的振幅强度的28μm。相比之下,保持样品的抗压强度170 MPa的振幅20左右,24日和28日μm。总之,重大损害时振幅的影响超过32μm,超高频下的岩石断裂效率影响振幅增加而提高。在本试验条件下,最优的振幅值花岗岩断裂是40μm。

4.3。下的花岗岩断裂理论分析UHF不同振幅的影响

超高频冲击载荷应用于花岗岩标本以下方程所示。

在哪里超高频的振幅影响负载,超高频频率影响,是时间的影响。

与传统的冲击载荷(即不同。,the frequency usually less than 100 Hz), the UHF impact load has a super-higher impact frequency (i.e., usually greater than 20 kHz) and the smaller amplitude (i.e., usually less than 60 μ米),这将导致不同的岩石断裂机理。尽管超高频冲击负载的价值很低,岩石颗粒在一定范围内可以获得极高的加速度。如方程所示(3)[21),岩石颗粒的加速,10吗⁶的时代,在传统的冲击载荷。根据牛顿第二定律,巨大的激励力量岩石颗粒之间产生,导致疲劳损伤。

图7说明了振幅的影响在加载应力波的传播。超高频影响加载应力波是不够的传播在花岗岩标本振幅很小,哪些地方花岗岩试样在静态压缩。和负载能量消散在摩擦热导致的角和花岗岩表面之间的摩擦。当振幅超过32μ米,超高频冲击载荷应力波是充分的传播在花岗岩标本,导致巨大的岩石颗粒之间激发压力,导致疲劳破坏。

5。围压对花岗岩失败的影响在超高频的影响

5.1。失效模式的花岗岩进行不同围压

基于上述研究振幅,振幅最优的40岁μ米被选为后续实验。图8显示了花岗岩的失效模式标本超高频受围压影响下0,10和20 MPa。超高频的影响下为180秒,上层分裂发生在0 MPa的围压和mesodamage发生在围压10 MPa无宏观裂纹的岩石表面,和横向断裂发生在20 MPa的围压。大量研究表明,围压增加岩石的强度,抑制宏观裂缝的生成(30.- - - - - -33]。因此,10 MPa的围压下,微裂隙的扩展和渗透的标本明显抑制围压,这是标本的完整性的原因。比较的故障模式0 MPa,围压的显著差异发生在围压20 MPa,这值得进一步讨论。

5.2。下的花岗岩失效模式分析UHF受围压的影响

图9反映了红外热辐射的分布和强度(即。,internal stress) on the loading surface under UHF impact subjected to the confining pressure of 10 and 20 MPa. Under the confining pressure of 10 MPa, the infrared radiation temperature decays radially from the center of the loading surface towards the edges, and the specimen remains intact with mesodamage after UHF impact. Under the confining pressure of 20 MPa, the penetration of transverse fracture causes a large release of loading energy along the fracture plane, which expands the range of the maximum infrared radiation temperature on the loading surface. And the maximum radiation temperature increases by nearly 110°C with the 10 MPa increment of the confining pressure.

红外辐射温度的特征与岩石应力状态呈正相关,这揭示了横向裂缝的产生机制下的标本超高频受围压的影响。如数据所示10(一)和10(b),形成环形压缩区边缘的标本,抑制宏观断裂的试样表面,结合压缩下的中央热膨胀应力和围压。在超高频的影响下,热应力的纵切面标本主要集中在从加载面(图10毫米10(b))。因此,这部分的岩石更紧凑,减少脆弱,导致剪切渗透发生从加载面10 ~ 15毫米,上部保持完整片段(图10(c))。如图8,横向裂缝的深度符合单轴超高频影响下的有效疲劳破坏深度;因此,横向裂缝是由二次剪切疲劳拉伸裂缝渗透。

图11显示了疲劳裂纹扩展模型内花岗岩在超高频影响和揭示了裂纹扩展角是依照格里菲斯强度理论。超高频影响一绺头发下面的方程所示(14]。 在哪里是单位质量的粒子,振幅的影响,是频率的影响。

根据格里菲斯裂纹应力模型图11(b),疲劳裂纹扩展方位角β岩石内部可以表示由以下方程。

当围压是10 MPa,花岗岩的压力满足吗 ,和最大主应力方向平行于围压 。基于压缩的规则是积极和拉伸是负的,超高频冲击应力和围压被认为是积极的,如图11(一个)。因此,疲劳裂纹扩展的方位角是一致的 ;即裂纹扩展的一个角30度(即, )如图10(b),当花岗岩的压力满足 ,裂纹扩展的角度应小于60度(即, )。总之,下的疲劳裂纹扩展角超高频受围压影响应该30至60度范围。

6。结论

基于红外辐射温度特征,本研究首先研究振幅阈值(即。超高频的影响下,加载参数)的花岗岩失败,然后分析了围压(即的效果。、边界条件)花岗岩宏观断裂模式和疲劳裂纹扩展角。测试结果验证的效率超高频打破花岗岩受围压影响负载。花岗岩与现有研究相比,振幅阈值确定有效的打破,和振幅和围压的影响被认为同时探讨花岗岩失败机制在超高频影响如下:(1)最高红外辐射温度的演化特征可以作为标准花岗岩破坏状态下对超高频的影响:温度线性增加代表弹性变形的岩石没有任何损伤,急剧上升的温度代表微裂隙的发展,和温度的快速波动代表了裂缝的扩展和断裂的一代(2)在试验条件下,超高频影响负载可以有效地破坏花岗岩标本至少32的振幅μ振幅(40 m。在优化的影响μm),超高频影响荷载应力传播穿过岩石,互相开一些岩石颗粒振动加速度的10⁶次,导致快速疲劳损伤花岗岩标本(3)横向断裂发生在上部的标本进行围压,这是完全不同于单轴超高频影响下的轴向分裂。中心结合压缩下的热膨胀应力和围压,环形压缩区形成的边缘标本,抑制损伤出现在这个地区。最终,剪切应力下疲劳裂纹穿透形成了横向裂缝(4)格里菲斯强度理论的基础上,疲劳裂纹扩展角的变化从60岁提高到30度随着围压下超高频的影响

数据可用性

在研究过程中使用的所有数据出现在提交文章,可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

感谢是由于资金支持中国的国家自然科学基金(项目名称:超声波振动破坏岩石的研究机制,项目号41572356)和技术的支持重点实验室的钻探和开采技术在复杂条件下的国土资源部。