文摘

促进超声振动岩石破碎技术的应用在地下rock-drilling工程,有必要调查坚硬岩石的损伤与断裂特征超声激励下的振动。在这项研究中,脆弱的红色砂岩为研究对象,在岩石破裂实验进行了超声振动的激励下,和岩石样本的macrodeformation被应变仪监测。实验结果表明,岩石的应变曲线样品的激发下,超声振动可以分为压实阶段,弹性变形阶段和破坏阶段;静载荷的增加,最大侵入岩石样本的深度和最大破坏深度呈指数增加。研究岩石样本的损伤演化和能量耗散机制的激励下超声振动,建立了数值模型采用颗粒流软件土坡。结果表明,该模型能有效地模拟岩石样本的故障特征超声激励下的振动。通过分析的位移场、应力场,和动态断裂过程的岩石样本,岩石样本的损伤与断裂机制超声振动激励下的显示。此外,超声振动仿真测试岩石样本进行了在不同的静态负载的情况下,岩石裂缝的数量和能量耗散过程实时监控。结果表明,静态加载可以加速裂纹的萌生和扩展,提高岩石破碎能量的利用率。

1。介绍

在地下开采岩体高硬度地层广泛分布,大大影响挖掘效率。传统的岩石破碎方法有大的能源消耗和成本高的缺点。因此,一个高效和低耗坚硬的岩石破碎方法是急需的。作为一种新的岩石破碎技术,超声振动岩石破碎技术首次应用于空间采样和极地探索领域,其研究侧重于发展超声波取样器(1,2]。Wiercigroch et al。3)发展出了一套超声振动的岩石破碎测试设备,建立了相应的动力学模型。在该测试中,首先结合实验研究和理论分析,结果表明,岩石样品的失效速度显著提高高频下轴向振动的影响。赵和Sangesland4)进行了力学分析超声振动切削的岩石破碎过程。发现岩石之间的接触力和钻井工具超声振动下大大减少了钻头的磨损。因此,与传统的岩石破碎方法相比,超声振动岩石破碎技术可以更好地满足高效破碎岩石地下工程的需要,具有较高的应用前景。

在高频超声振动岩石破碎技术,循环荷载由钻井工具应用于岩体诱导的快速疲劳损伤岩石和实现有效的岩体的断裂。研究岩体的损坏和故障特征在循环荷载下被广泛开展。李等人。5)建立了裂隙岩体的疲劳损伤模型在循环压缩荷载。根据测试数据,发现岩体的变形模量增加频率的增加的影响。Bagde和佩特6]研究了循环荷载的影响参数对岩体的动态力学参数通过实验。结果表明,岩石样本的动态轴向刚度和疲劳强度与循环荷载振幅和频率呈正相关。杨et al。7]分析了裂缝参数对岩石样品的力学行为的影响。发现裂纹密度的变化,倾向,和间距可能影响岩石样本的强度和失效模式。利用分形理论,李et al。8]探索法律循环荷载下的岩石碎片,发现循环加载速率越大,程度越高的岩石碎片,分散越均匀。刘和他(9]研究了围压对岩石的力学性能的影响样品循环载荷作用下的疲劳损伤和分析砂岩在围压下的残余应变的方法。得出岩石的剪切断裂表面可能扩大了围压的增加。

在上面的研究中,循环荷载频率低于100赫兹,而以往的研究(10)表明,岩石的力学响应频率随负载的变化。目前,一些研究人员总结了反应和岩体在高频振动的故障特征。通过有限元方法,李et al。11]分析了共振特征谐波激励下的岩石样本。结果表明,岩石样本的共振频率是影响岩石大小和力学参数。基于自主研发的超声振动激励装置,阴et al。12]分析了静载荷的机械强度的影响花岗岩样品和获得一个最优的静态负载最大化岩石样品的损伤程度。周et al。13]研究了花岗岩的变形特征在超声振动激励通过应变实验和岩石的变形过程分为三个阶段,弹性变形、塑性变形和破坏阶段。利用扫描电子显微镜(SEM),赵et al。14)观察了显微裂纹传播超声振动下花岗岩的特点,得出结论:内部长石颗粒最大的花岗岩样品损伤的影响。发现花岗岩的故障时间和最大裂纹扩展长度是最小的。Zhang et al。15)获得的超声振动下的岩石孔隙演变规律,通过核磁共振(NMR)测试。结果表明,高频振动可以更好的促进岩石孔隙的发展。

然而,上面的实验研究主要使用花岗岩样品一样硬岩石,很少分析岩石样本的破碎法在高频振动从能源的角度来看。在这项研究中,脆弱的红色砂岩为研究对象。超声振动的岩石破碎试验获得的进步的断裂特征不同静态加载下岩石样本,和静态加载断裂的影响范围进行了研究。此外,超声振动激发实验岩石样本被颗粒流模拟软件土坡和岩石样本的显微裂纹演化和能量耗散规律在这一过程中进行了探讨。

2。超声振动激励下的岩石破碎实验

2.1。样品制备

实验中使用的红色砂岩是一种常见的硬脆岩石来自四川省,中国。首先,岩石的块被加工成一个标准的圆柱试样直径50毫米和100毫米的高度,如图1。的大小、平面度、并行性和垂直的岩石样本按照国际岩石力学学会(ISRM)标准(16]。其次,计算岩石样本的物理参数。红色砂岩样品的平均密度在一个自然状态为2.7克/厘米³,平均纵波速度是4110米/秒。第三,岩石样本的基本力学参数是通过单轴压缩试验获得的。平均单轴抗压强度和弹性模量是92.5 MPa和5.4的绩点。核磁共振技术获得的岩石的平均孔隙度为7.5%。减少不同固有频率的影响实验结果,岩石样本的固有频率是衡量敲门方法(17,样品的固有频率 赫兹是选择。图2显示了岩石的固有频率测试结果示例。

2.2。测试系统

测试系统包括两个部分,一个超声波高频激振装置和信号采集系统。图3显示了超声波高频激振设备。振动加载设备主要包括超声波发生器,振荡器,工具头和活塞式空气压缩机。振荡器将电信号转换为机械振动信号,超声变幅器放大振动振幅和作用于岩石通过工具头与它和空气压缩机使用可调静载荷应用于岩石样本。信号采集系统包括高频信号采集仪器、信号分析软件,和应变仪,该系统用于监测岩石样本的轴向应变在激发。

2.3。测试过程

在该测试中,三组超声振动激励测试设计、振动频率和振幅20 kHz和70年μm,静态加载的每组被设置为0.15 MPa, 0.2 MPa,分别和0.25 MPa。过度兴奋的时间会导致岩石温度的上升,从而影响测试结果的压力。为了避免这种情况,区间采用激振方法在该测试中,如图4。应变数据记录和岩石样本观察激发后每40年代。一段时间后,下一个激励进行了岩石破裂发生之前,和岩石样本的累计时间故障被记录。

3所示。分析测试结果

3.1。岩石样本的动态破坏过程

岩体的macrodeformation反映了岩石样品的损伤规律。裂纹的萌生和扩展可以增加macrodeformation [18]。岩石破碎时,应变计的失败发生和应变值逐渐返回0。实验表明,岩石样品的断裂发生在40年代的静载荷下0.25 MPa。图5显示了strain-time岩石样品在这个过程的曲线。变形的岩石样本过程可分为三个阶段,压实阶段,弹性变形阶段和破坏阶段。

(1)压实阶段:在这个阶段,天然裂缝存在于岩石和迅速压缩超声振动载荷的作用下,岩石的应变值样本线性增加

(2)弹性变形阶段:如图53.4秒后,振动激发,应变曲线趋于平坦,曲线的斜率接近0。这时,岩石相当于一个弹性体,轻微的弹性形变的影响下发生振动载荷

(3)损伤阶段:7.1秒后振动激发,新的微裂隙不断生成的岩石样本。轴向压实的影响下,非线性变形量开始生长,裂缝逐渐发展和渗透,形成宏观裂纹。最后,岩石断裂发生在13.3秒

3.2。进步的岩石破裂的过程

通过记录每个振动激发,岩石破裂后岩石破裂的进步的规律。发现岩石样品的断裂规律在不同的静态负载下是相似的。图6显示了典型的岩石的破裂过程示例静态负荷为0.15 MPa。岩石的岩石之间的接触面积和工具头不断碎成粉末,和一个圆形断裂带首先激发表面形成的。进步的振动激励,断裂带的面积和深度增加。同时,宏观裂纹不断从禁区边缘生成和传播在径向和轴向的方向。当两个相邻的宏观裂纹相连,破碎块生成并脱离岩石样本。可以看出局部破坏岩石的样本发生超声振动的激励下,和岩石是激发表面越近,伤害就越大。除此之外,有一个最大侵入深度的岩石样本。在达到最大侵入深度,快速渗透到宏观裂纹,然后可以造成岩石破裂。

静载荷的影响,进一步研究岩石断裂、失效模式的不同静态加载下岩石样本进行比较,如图7。它可以发现静载荷越大,岩石破裂所需时间越短。相比0.15 MPa,静载荷下岩石破裂所需的时间在0.2 MPa和0.25 MPa的静载荷是缩短了73.48%和85.43%,分别。静载荷的增加也增加了最大侵入深度的岩石样本,和宏观裂缝的纵向传播较深,导致更大的碎片在失败。图7 (b)显示最大侵入深度的变化曲线和最大裂纹扩展深度与静态负载。静载荷的增加,最后失败的岩石样本成指数增加。

岩石变形和破坏的过程是伴随着能量转换和微裂纹演化。因此,能量耗散规律和裂纹演化的超声振动激励下的岩石样品可以分析从介观的角度来看,这有利于说明高频振动下的岩石破裂的内部机制。

4所示。颗粒流模拟超声振动激发试验

4.1。颗粒流数值模型的建立

基于离散元素分析、土坡软件可以用于研究如磐石般坚韧的材料的损伤与断裂机制从技术的角度来看。模型在土坡软件是由粒子组成的,墙壁、联系人、债券和其他单位。如磐石般坚韧的材料是构造成不同大小的粒子的集合,和相邻两个粒子接触模型的连接。当颗粒流程序,材料的本构关系和材料特征模型不需要定义,但材料的宏观和mesomechanical参数需要的总和。提出的平行键模型Potyondy [19],和现有的研究[20.,21)证明,该模型能准确地模拟岩石材料的微裂纹传播。因此,并行债券模型用于模拟脆性红砂岩在这项研究中。

在并行债券模型中,可以传播力和力矩。图8显示了平行键模型。平行键添加相邻粒子间接触,和接触范围是一个正方形区域。在土坡方法中,平行键上的应力模型可以计算如下: 在哪里和代表法向力和切向力应用于键键,和代表平行键区域的面积。

mesomechanical参数模型的直接确定其macromechanical行为,和macromechanical参数可以通过单轴压缩试验。红色砂岩样品直径50毫米和100毫米的高度是由平行键模型,建立和颗粒流程序(22)确定模型的mesoparameters编译。模型包括6965个粒子,0.35毫米的最大粒子半径和最小粒子半径为0.25毫米。表1显示了特定mesomechanical参数。图9展示了单轴压缩之间的对比仿真结果和测试结果。可以看出,与这些mesomechanical岩石模型参数可以准确反映红色砂岩的力学特性。因此,该模型可以用来模拟岩石破裂超声激励下的振动。

当使用土坡来模拟超声振动岩石破碎,可以模拟激振载荷通过添加速度边界(23]。根据超声振动负荷的应用原理,振动位移边界荷载可以表示如下: 在哪里是激发表面的位移;振幅;是超声振动频率;是激发时间。通过区分励磁表面的位移,速度边界可以获得如下:

4.2。能理论在土坡

岩石变形和破坏的过程是伴随着能量转换,和能量耗散反映了岩石内部损伤的发展特征样本。当用于数值模拟土坡时,各种能量的变化在测试期间可以实时跟踪24),可以促进对仿真结果的理解。假设没有岩体和外部世界之间的热交换过程中岩石变形和破坏。根据能量守恒定律,外部施加的总工作负载在岩石上可以描述如下:[25] 在哪里弹性应变能和吗是耗散的能量。在仿真,以下涉及能量:平行债券应变能( ),粒子应变能( ),摩擦能量( ),塑性变形能量 ,和动能( )。其中,并行债券应变能( )是所有的债券所产生的应变能模型;粒子应变能( )指应变能之和存储在弹簧接触;摩擦能量( )指的是能源消耗的交错摩擦模型中粒子;塑性变形能量( )指的是塑性变形消耗的能量,和动能( )指粒子运动所产生的能量,包括粒子的旋转和翻译。总应变能可以计算如下:[26]

耗散的能量和动能可以由以下方程:计算(27] 在哪里代表平行键键的数量;代表了平行的正应力债券;代表并行债券的切向应力;和是正常的刚度和切向刚度;和惯性矩和并行债券的横截面积;是转矩;联系人的数量;是粒子数;切向接触力;和分别代表粒子质量和速度;代表了滑移量,它可以计算如下:

根据方程(5),耗散的能量可以推导出,表示如下:

总能量的计算公式是 在哪里接触力,是粒子位移,是粒子的角度,是墙的数量。

5。仿真结果和分析

仿真结果和实验结果失败的岩石超声振动激励下的比较,如图10。岩石样本从数值模拟获得的失效模式是高度相似的室内实验结果。它表明,数值模型与这些mesoparameters也可以反映岩体的力学性能在高频振动激励下,进一步验证该模型的准确性。

5.1。位移场和损伤演化

图11显示分布的岩石样本的内部位移场的激发下,超声振动。计算步骤的增加,位移场逐渐扩散的扇形小面积低于表面激发整个岩石顶部,并逐渐趋于稳定。位移场显示一个明显的分层效果,可分为三个主要的层。第一层是形成的扇形高层位移场激发下表面,而第三低级位移场分布在底部区域,这个地区和粒子位移振动载荷的影响。除此之外,有一个大位移差结的第一层和第二层,和粒子债券结的两层更容易断裂,导致微裂隙的生成。

图12显示了裂纹萌生和扩展过程激发的超声振动下的岩石样本。在这个图中,剪切裂缝在红色标记为蓝色和拉伸裂缝。超声振动的激励下,剪切破坏首先发生在最大剪应力的面积激发表面以下的岩石样本。应力集中的作用下,激发表面断裂的边缘区域,和一群裂缝产生和扩展最大剪应力的方向。作为一个结果,一个x形宏观裂缝区岩体中逐渐形成。当断裂带发展两端自由表面,形成断块和皮从岩石表面。岩体的破坏模式与在实验室,实验结果是一致的。

图13显示的比例剪切裂缝和超声振动激励下的拉伸裂缝。拉伸裂缝主要是在整个生产过程中产生的。粒子债券在岩石的断裂是由最初的兴奋阶段的剪切破坏。裂缝的不断发展和扩张,拉伸裂纹的比例迅速增加,逐渐趋于稳定。当岩石断裂发生时,拉伸裂纹的累积比例达到74.2%。声发射计数的变化超声振动激励下的图所示14。岩体的损伤程度在振动可以通过以下方程:表达(28] 在哪里表示损伤系数;和代表当前的计算步骤和裂缝的总数累积在岩石裂缝;和代表的半径和长度 - - - - - -裂纹。如图14岩体的破坏过程可分为四个阶段,最初的振动激发阶段,裂纹萌生阶段,快速裂纹扩展阶段,缓慢的裂纹增长阶段。在最初的振动激励阶段,不产生声发射信号。在裂纹萌生阶段(a、b),慢慢的裂缝数量的增加,累积剪切裂缝在此阶段占81.8%。在快速裂纹扩展阶段(b, c),快速裂纹数量的增加,损伤曲线通常显示一个线性增加的趋势。此外,拉伸裂纹的比例从18.2%增加到73.4%,增加了303.3%。当损伤系数增加到0.88时,缓慢的裂纹增长阶段(c, d),岩体的损伤率减慢。

由于力量和速度加载不能应用于墙边界同时在土坡软件,研究人员发现,静载荷的增加可以提高系统的振动振幅(29日]。因此,不同的静态加载可以通过改变振动振幅特征。静载荷的影响,进一步研究岩体微裂隙的演化,四个超声波振动激发试验(U1-U4)岩石样本设计,和超声振动的振幅被设置为70毫米,75毫米,80毫米和85毫米。图(15日)展示了进化的比较微裂隙岩石样本在四个工作条件。它可以发现静载荷加速了裂纹萌生和促进裂纹扩展,和裂缝岩石的累积数量增加与静载荷的增加。图15 (b)显示的数量的比例曲线拉伸裂缝在不同静态加载。可以看出,拉伸裂缝产生的激发过程的比例由静态载荷的影响较小,而拉伸裂纹的比例始终保持在75%左右。

5.2。压力场分布

图16显示了岩石样本的内部应力分布在不同的周期数。在超声振动荷载下,岩石样本的内部压力不断增加;总是有一个明显的高压力集中激发表面附近地区,而岩石的应力变化区域远离激发表面振动载荷的影响。此外,一个小范围的高压区域可以观察到其他地方。这是由于微裂隙扩展和融合形成宏观裂纹,应力集中也发生在振动荷载作用下裂纹尖端。振动载荷作用下,裂纹尖端也将产生应力集中。同时,十字路口的压应力和拉应力发生在岩体的断裂。

以反映负荷下岩石的宏观力学性能,颗粒之间的接触力的转移过程可以可视化土坡模型中力链形式。图17显示了接触力链分布在岩石超声振动的激励下,在压缩力和红色标记为黑色和拉伸应力。厚的力链,接触力越强。岩石是由超声振动加载后,强大的压力激发表面形成链浓度区域,和强烈的应力链扩散的下部风扇的形状。其余的岩体是由振动影响较小的负荷,和力链是均匀分布的。宏观裂纹的传播深度沿传播路径的强大压力链和到达自由表面,然后造成岩体的失败。

5.3。能量耗散

图(18日)显示了超声振动激励下的能量演化曲线。因为在整个生产过程中产生的动能是非常小,它可以被忽略。振动激发的初始阶段,几乎所有的输入能量转化为应变能和应变能成指数增加。当岩石的内部压力不断增加,超过弹性极限时,粒子键的断裂发生,和mesocracks逐渐形成,导致连续生成和消散的能量增加。更多的输入能量转化为摩擦能量和塑性变形能量,和应变能的增加是逐渐低于输入能量。应变能到达峰值时,岩石发生故障时,迅速和应变能释放摩擦能量和塑性变形能量的形式,而耗散能量迅速上升。塑性变形能量的增加表明岩石中的微裂隙不断向前发展,而摩擦能量的增加表明,更频繁的交错颗粒之间的摩擦导致岩体内部能量的增加。

能量耗散系数定义为:

能量耗散系数曲线反映了能源利用率的变化过程中岩石断裂。如图18 (b)振动激发的初始阶段,能量耗散率迅速增加。在这个过程中,岩石的弹性变形不断发生在振动载荷下,和输入能量部分转化为样品的应变能,和其他形式的能量耗散粒子摩擦摩擦所产生的能量。当耗散系数达到50%的峰值,这个系数开始下降,直到岩石发生故障。这是因为耗散能量的比例随应变能显著增加;随后,快速释放的应变能和累积mesocracks扩张,岩石能量耗散系数曲线上升直到完全摧毁,曲线趋于稳定。

图19比较了演化曲线在四个静态负载下的能量耗散系数。在最初阶段,这四个曲线基本重合,表明静态负荷对应变能和摩擦能量几乎没有影响。与静载荷的增加,岩石样本先进的故障时间和能量耗散率的失败也会增加。它表明,静态加载促进塑性变形的岩石样本,加速岩石损伤与断裂的速度。

6。结论

在这项研究中,该实验室测试和离散单元模拟测试的岩石断裂进行了超声振动的激励下,脆性和故障特点和损伤机制红砂岩超声激励下的振动进行了分析从宏观和mesoperspectives。得出如下结论:(1)根据应变曲线从测试,获得岩石样品的变形过程可以分为三个阶段,压实阶段,弹性变形阶段和破坏阶段。超声振动的激励下,岩石最大侵入深度;达到这个深度后,宏观裂缝迅速渗透,可以造成岩石破裂。静态负载加速岩体的失败率,和有一个良好的指数关系的最大侵入深度和岩石的最大破坏深度(2)颗粒流软件土坡是用来模拟岩石破裂超声振动的激励下,模拟故障模式的岩石样本测试结果是完全一致的。基于模拟岩石断裂分布,岩石的破坏机制的激励下超声振动。具体来说,剪切破坏首先发生在最大剪应力的岩石样本,以及应力集中使激发表面裂缝的边缘区域,扩大对最大剪应力方向;逐渐形成一个x形宏观裂缝带内岩石和自由表面两端发展,最终造成岩石破裂(3)应力场和位移场的仿真结果表明,内部的明显的分层效果的激励下位移场的岩石超声波振动具有重要意义,和粒子的粒子在高和低的结岩位移领域更有可能破裂并产生微裂隙。有高压和强链激发表面的面积,集中地区和压应力和拉应力的交集发生在岩体的断裂(4)超声振动激励的过程中,输入能量主要是新一代的裂缝和交错颗粒之间的摩擦。静载荷可以有效改善岩石断裂能量的利用率,缩短故障时间的岩体

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(51874282),江苏省六大人才高峰计划(没有。gdzb - 052),中国的重点研发项目Pingmei神马集团。作者感谢这些支持。