微波照射下玄武岩冲击破碎特性研究_戴俊.pdf

微波照射下玄武岩冲击破碎特性研究 戴俊，张越博，李栋烁，宋四达 西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054 ［ 摘 要］为了研究微波照射和动态冲击荷载下玄武岩的破碎损伤特性，基于分形理论，利用 微波发射装置和 SHPB 霍普金森动态试验装置，通过收集玄武岩碎块进行颗粒筛分，试验研究微波照 射后玄武岩破碎特性变化规律。结果表明 采用分形维数可定量描述玄武岩岩样的破碎程度;在 1300W 微波功率照射后和 0. 4MPa 冲击气压作用下岩石破碎程度更大，为微波辅助机械破岩提供借鉴 和参考。 ［ 关键词］微波照射; 破碎; 分形维数; 塑性; 岩爆 ［ 中图分类号］ TD231. 1［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201805- 0005- 05 Study of Basalt Impact Grinding Characters under Microwave Irradiation DA Jun，ZHANG Yue- bo，LI Dong- shuo，SONG Si- da School of Architectural and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China Abstract In order to study basalt broken and failure characters under microwave irradiation and dynamic impact loading，based on fractal dimension，so microwave irradiation equipment and SHPB Hopkinson dynamic testing equipment were all utilized，through ba- salt fragments collection and then particle sieved was done，broken characters variation principle of basalt after microwave irradiation was studied，the results showed that broken degree of basalt could be quantitative described by fractal dimension，rock broken was lar- ger under 1300W microwave irradiation and impacted by 0. 4MPa are pressure，it referenced for mechanical rock breaking with micro- wave auxiliary. Key words microwave irradiation; broken; fractal dimension; plasticity; rock burst ［ 收稿日期］ 2018－06－01［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 05. 002 ［ 基金项目］ 国家自然科学基金项目 51174159 ; 陕西省归国留学人员择优资助项目 2012035 ［ 作者简介］ 戴俊 1964－ ，男，陕西西安人，教授，博士生导师，主要从事岩土爆破动力学、隧道工程、巷道支护技术和微波破岩等 方面的教学和科研工作。 ［ 引用格式］ 戴俊，张越博，李栋烁，等 . 微波照射下玄武岩冲击破碎特性研究 ［J］． 煤矿开采，2018，23 5 5－9. 岩体破碎作为采矿工程中的一项重要工序，直 接影响着掘进开挖的效率和工程的整体进度。近年 来随着矿业工程开挖深度的逐渐增加，岩体破碎工 作也逐渐向地下深部复杂岩层发展，特别是遇到火 成岩和碳酸盐岩等坚硬地层时，传统的机械破岩法 中所存在的掘进速度慢、刀头成本增加等问题日益 突出，已经难以满足深部开采的工期成本要求。而 微波辅助机械破岩作为一项新型的破岩技术，可通 过预先微波照射使岩体产生损伤，相比纯机械凿岩 法，可使凿岩侵入率提高 3 倍以上，使得破岩效率 有一定的提升。 国内已相继有专家和学者对微波辅助机械破岩 技术和冲击荷载作用下岩石的破碎机理展开研究 戴俊、潘艳宾 ［1 ］等对比分析了微波照射下石灰岩 和砂岩的强度衰减规律，发现影响其强度弱化的主 要因素有岩体样本的矿物组成、矿物颗粒粒径、冷 却时间和微波功率等;戴俊、宋四达［2 ］等通过对 微波照射后花岗岩进行劈裂试验，并利用 ANSYS 软件建立二相模型进行温度应力模拟，发现存在一 个最佳的微波照射时间范围; 戴俊 ［3－4 ］、李勇［5 ］等 采用有限元软件对微波辐射腔体中岩石强度弱化过 程进行了仿真分析，分析了不同微波场中模型内部 应力屈服区域的分布变化和内部升温效应及热应力 图变化; 单仁亮 ［6 ］等则讨论分析了花岗岩和大理 岩的冲击破碎机理，发现材料本身的力学性质对其 破坏模式有着重要的影响;黄明、邱继业［7 ］等研 究了不同含水状态下弱风化泥质砂岩冲击破碎的分 形规律，采用尺寸－频率分形关系得到泥质粉砂岩 的破碎分形特征;杨宇江［8 ］采用数值分析建立服 从应变软化关系的非均质岩石试样模型，引入多重 分析理论计算了单轴加载过程中单元体积应变的多 重分形谱;谢贤平［9 ］等发现岩石的爆破破碎块度 具有良好分形结构，认为分形理论有助于预测岩石 爆破后的块度分布;邵鹏［10 ］等根据破裂面分维与 碎块分维关系结合损伤演化方程，提出块度分维计 算方法，研究了爆破块度分布;杨军［11 ］利用分形 5 第 23 卷 第 5 期 总第 144 期 2018 年 10 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 5 Series No. 144 October2018 ChaoXing 理论，引入岩体初始损伤得出岩石爆分形损伤模 型; 刘石 ［12 ］等使用 SHPB 装置研究了冲击速度对 块度分布的影响，得到岩石分形维数随冲击速度的 增加而增加。岩石的破碎特性研究较少。而在实际 工程中采用微波辅助机械法进行破岩时，岩体同时 受到微波照射和冲击荷载的作用，因此为了更加接 近实际情况，有必要对微波照射下岩体受到动态冲 击时的破碎特性进行研究。 本文将微波照射和动态冲击荷载相结合，基于 分形理论，提出可以采用分形维数对玄武岩破碎特 性进行定量描述，并根据筛分试验结果进一步提出 高功率微波和低荷载冲击下岩样趋于塑性破坏，从 而减少工程中岩爆的发生。 1试验概况 1. 1试验材料 试验所选用的玄武岩样本取自内蒙古赤峰地 区，具有对微波辐射敏感、密度大、质地均匀、气 孔小和无宏观裂缝的特征。岩样中各成分占比情况 见表 1。试验前将取自同一大试块的岩样加工成 50mm25mm 规格的标准试件。 表 1玄武岩试样中各成分所占百分比 处理方式 主要矿物种类和含量/ 斜长石单斜辉石钛铁矿石英 微波未照射48. 435. 74. 27. 1 微波照射后49. 231. 13. 87. 3 1. 2试验器材 试验采用的岩石加工设备为 SC200 型自动 取芯机; 试验所采用的微波加热设备为南京奥润公 司生产的 ORW10SY3T 高功率大型工业微波炉， 主要由微波发生装置和加热炉腔组成，额定电压为 380V，输出功率范围为0～10kW; 试验采用的动态 冲击设备为西北核技术研究所和洛阳腾阳机械科技 公司联合生产并改造的霍普金森实验系统，主要由 气压驱动系统、压杆系统、数据采集系统和温度控 制系统组成，霍普金森试验装置如图 1 所示。 图 1霍普金森试验装置示意 1. 3试验步骤 1选取 3 组 50mm25mm 玄武岩标准试 件，每组包含 6 个试件。 2在每组中随机抽取 5 个试件，分别采用 功率为 500W，700W，900W，1300W 和 2000W 的 微波持续照射 120s，之后采用喷水冷却的方式使 其温度降到室温。每组中剩余的 1 个试件用于空白 对照，不作任何处理。 3将 50mm 的霍普金森试验装置安装完毕 后，使子弹分别以 0. 2MPa，0. 3MPa 和 0. 4MPa 的 冲击气压对 3 组试件撞击。 4对撞击后的玄武岩试件碎块进行筛分试 验，所选用的筛孔直径分别为 2. 5mm， 5mm， 10mm， 15mm， 20mm， 25mm， 30mm 和 35mm。筛选完成后 进行统计称重，分别计算出筛余百分比。 5对数据整理分析，基于分形理论得出不 同微波功率和冲击气压下对应的玄武岩岩样的分形 维数，对其破碎特性进行定量描述和分析。 2计算原理 岩石的破坏形式可以用岩块的分形来表示，冲 击压缩实验条件下岩石的破坏过程即为岩体从内部 受到微观裂隙损伤到宏观破坏的分形过程。将岩体 等效为四面锥体，在发生破坏时，四面椎体演变成 4 个小椎体和一个中心体，随后小椎体继续演变成 更小的椎体和中心体。破碎过程中的分形维数 n 能 很好地表征岩石破碎程度以及破碎性质。根据分形 理论，将冲击试验中施加能量与分形维数结合，可 以建立质量和粒度的分形维数计算方程，如式 1所示。 Y M r Mz r rm 3－D 1 式中，r 为岩石碎块粒度; rm为岩石碎块最大尺度; D 为分形维数; M r 为尺寸小于 r 的碎块累计质 量; Mz为岩样碎块总质量。 对式 1两端取对数，则可以将其转化为线 性形式，如式 2所示。 lnY lnM r / Mz 3 － D ln r/ rm 2 通过 筛 分 试 验 数 据 可 得 出 以 ln r/ rm 和 lnM r / Mz 为横、纵坐标的散点图，观察散点 图数据分布特点，通过合适的拟合函数求出 D 的 值，即为分形维数。 3计算结果及分析 不同冲击气压下各组试样累计筛余百分含量统 计见表 2～4。 通过将筛分试验数据代入式 2 中的 ln r/ rm 和 lnM r / Mz ，可分别计算出不同功率微波照 6 总第 144 期煤矿开采2018 年第 5 期 ChaoXing 表 20. 2MPa 下试样累计筛余百分含量统计 微波功率/W 粒径范围/mm 0～2. 52. 5～55～1010～1515～2020～2525～3030～35 01. 3610. 519. 1741. 5371. 2096. 31100100 5003. 656. 3923. 7332. 4157. 5178. 0597. 22100 7006. 397. 7612. 3219. 1731. 0443. 3688. 09100 9001. 373. 6514. 6117. 3426. 9338. 3477. 14100 13000. 461. 836. 8511. 4113. 6916. 8928. 30100 20000. 291. 371. 834. 566. 398. 229. 13100 表 30. 3MPa 下试样累计筛余百分含量统计 微波功率/W 粒径范围/mm 0～2. 52. 5～55～1010～1515～2020～2525～3030～35 05. 2114. 1350. 0190. 0092. 32100100100 5004. 078. 6521. 7939. 8068. 9191. 95100100 7000. 421. 595. 559. 5512. 5722. 7631. 83100 9000. 872. 337. 039. 5412. 6917. 8958. 75100 13001. 253. 7412. 7217. 7329. 1136. 4078. 87100 20000. 10. 371. 386. 738. 0810. 8610. 86100 表 40. 4MPa 下试样累计筛余百分含量统计 微波功率/W 粒径范围/mm 0～2. 52. 5～55～1010～1515～2020～2525～3030～35 08. 6221. 8754. 6077. 1096. 32100100100 5006. 3516. 5346. 1685. 3597. 01100100100 7006. 9215. 0136. 4959. 8080. 5691. 23100100 9006. 1715. 2232. 8660. 1081. 2090. 05100100 13002. 937. 3819. 2232. 5651. 2463. 3581. 77100 20001. 773. 9711. 2827. 4545. 6373. 1184. 45100 射后玄武岩试样在不同冲击气压条件下的块度分布 值，并将其绘制成散点图，如图 2～5 所示。 图 2试样平均尺寸与照射功率大小分布曲线 由图 2 可知，得到 3 种冲击压力下玄武岩碎块 平均尺寸随着照射功率变化的规律。同一气压下， 微波功率越高碎块平均尺寸越大，功率增加到 1300W 后，碎块的平均尺度增幅不大。在 0. 2MPa 和 0. 3MPa 的冲击气压作用下，试样平均尺寸几乎 相同，而当冲击气压升高到 0. 4MPa 时，在 2000W 微波 功 率 下 试 样 平 均 尺 寸 由 32. 5mm 减 小 到 21. 0mm。 图 3 0. 2MPa 条件下岩样碎块分布 图 4 0. 3MPa 条件下岩样碎块分布 由图 3～图 5 可知，在不同冲击气压和微波功 7 戴俊等 微波照射下玄武岩冲击破碎特性研究2018 年第 5 期 ChaoXing 图 5 0. 4MPa 条件下岩样碎块分布 率 条 件 下 玄 武 岩 岩 样 以ln r/ rm 和 lnM r / Mz 为横、纵坐标的碎块分布散点图均 具有线性特征，且与式 2的线性形式较为一 致，因此可将 3－D作为拟合曲线的斜率，通过 线性拟合的方式求出斜率，进一步得出 D 值，即 为分形维数。 表 5～7 为不同功率微波照射后在冲击气压为 0. 2MPa，0. 3MPa 和 0. 4MPa 条件下玄武岩岩样碎 块分布线性拟合曲线参数。 表 5 0. 2MPa 下拟合曲线参数 微波功率/W拟合曲线 相关系数分形维数 0Y1. 2718X－0. 45230. 91261. 7282 500Y1. 3629X0. 13660. 97601. 6371 700Y1. 5931X－0. 21320. 98041. 3769 900Y1. 6311X0. 34690. 96211. 3689 1300Y1. 7262X－1. 45230. 93651. 2738 2000Y1. 7818X－0. 75730. 95031. 2182 表 6 0. 3MPa 下拟合曲线参数 微波功率/W拟合曲线 相关系数分形维数 0Y0. 9849X0. 39310. 91632. 0151 500Y1. 3317X0. 22460. 98151. 6683 700Y1. 4296X－0. 18570. 97631. 5704 900Y1. 6502X－0. 64720. 96341. 3498 1300Y1. 6712X－0. 67860. 92011. 3288 2000Y1. 7208X－1. 13650. 95691. 2792 表 7 0. 4MPa 下拟合曲线参数 微波功率/W拟合曲线 相关系数分形维数 0Y0. 7716X0. 32310. 92782. 2284 500Y1. 1056X0. 32460. 93261. 8944 700Y1. 2580X－2. 71320. 97451. 7420 900Y1. 3031X－2. 81960. 97171. 6969 1300Y1. 3589X0. 02180. 99831. 6411 2000Y1. 6237X0. 06780. 98121. 3763 由表 5～7 可知在 3 种冲击气压条件下各功 率微波照射后的曲线拟合相关系数均在 0. 9126 ～ 0. 9983 之间，说明将筛分试验数据代入 ln r/ rm 和 lnM r / Mz 后，以二者为横、纵坐标的岩样 碎块分布散点图的线性特征与式 2给出的线性 形式高度吻合，进一步验证了基于岩石的分形理论 下采用分形维数来定量描述微波与动态冲击荷载冲 击后岩样破碎特性的可行性。 通过表 5～7 还可以发现不同功率微波照射 后在不同冲击气压条件下玄武岩岩样的分形维数具 有规律性差异。在冲击气压一定的情况下，微波照 射功率越大，岩样的分形维数越大，二者呈现出正 相关关系; 而在微波功率相同的条件下，霍普金森 装置中子弹冲击荷载对应的冲击气压越大，岩样的 分形维数越小，二者呈负相关关系。 微波照射前后岩样破碎特征见图 6。 图 6微波照射前后岩样破碎特征 由图 6 可以看出 试验后分形维数大的玄武岩 岩样破碎程度较大，宏观表现为碎块体积小且数量 多; 分形维数小的岩样破碎程度则较小，表现为碎 块体积大且数量少，因此基于筛分试验数据线性拟 合得出的分形维数可以对岩样破碎程度进行定量描 述。此外，分形维数较大的碎块通常呈爆裂破坏， 破碎程度剧烈，破碎形式趋向于脆性破坏; 而分形 维数较小的碎块局部呈剪切滑移式破坏，破碎程度 比较平缓，反映出破坏之前的岩样脆性有所降低， 破坏形式更加趋于塑性破坏。并且在微波照射功率 一定的情况下，冲击荷载越大，岩体内部瞬时能量 越大，破碎更为剧烈，趋于脆性破坏，分形维数较 小; 在冲击荷载一定时，微波功率越高，岩体内部 裂缝贯穿越充分，破坏时较为平缓，趋于塑性破 坏，分形维数则越大。 通过分形试验结果可知，在冲击荷载下，微波 处理过的玄武岩相比微波未处理过的玄武岩的分形 8 总第 144 期煤矿开采2018 年第 5 期 ChaoXing 维数 D 表现出很大不同。微波功率越大，玄武岩 试样越容易大块度破碎，分形维数值越小。原因在 于随着微波功率的提高，在玄武岩内部产生更多更 大的裂纹，更易形成贯通裂缝，这种情况下受到冲 击荷载时，剪切破坏沿裂纹方向发生，碎块以大块 状破坏，因此分形维数变小。 4结论 基于岩石分形理论和筛分试验，对不同功率微 波和冲击荷载下玄武岩破碎特性进行研究，得出如 下结论 1筛分试验数据分布散点图呈线性分布， 分形维数计算方程的线性形式高度吻合，证明了采 用分形维数定量描述玄武岩破碎特性是可行有效 的，分形维数可作为岩样破碎特性的量化指标。 2由上述分析可以得出，玄武岩破碎的最 佳条件是微波功率达到 1300W，使用 0. 4MPa 的冲 击气压。 3微波功率一定时，冲击荷载越大，岩样 的分形维数越大，岩样破坏时内部能量积聚程度较 大，更趋于脆性破坏; 冲击荷载一定时，微波功率 越大，岩样的分形维数越小，岩样破坏时沿内部已 发展延伸的裂缝发生剪切滑移破坏，能量积聚程度 有所降低，趋于塑性破坏。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 戴俊，潘艳宾 . 微波照射下岩石损伤的数值模拟研究 ［J］． 煤炭技术，2016 10 5－7. ［ 2］ 戴俊，宋四达，屠冰冰，等 . 不同微波照射参数对花岗岩 强度的影响 ［J］． 科学技术与工程，2017 18 1671－1815. ［ 3］ 戴俊，师百垒，杨 凡，等 . 微波照射下岩石损伤 CT 试验 研究 ［J］． 西安科技大学学报，2016 5 616－620. ［ 4］ 戴俊，杜文平，屠冰冰，等 . 微波照射下玄武岩中产生裂 纹原因的研究 ［J］． 煤炭技术，2016 9 9－11. ［ 5］ 李勇，屈钧利，秦立科 . 微波照射下岩石颗粒温度分布及 影响因素分析 ［J］． 煤炭技术，2016 10 103－106. ［ 6］ 单仁亮，竹志强 . 大理岩、花岗岩冲击破坏模式的研究 ［A］． 第六届全国岩石动力学学术会议论文集 ［C］． 1998. ［ 7］ 黄明，邱继业，詹金武，等 . 含水状态下弱风化泥质粉砂 岩冲击破碎的分形规律研究 ［J］． 工程地质学报，2016，24 4 597－603. ［ 8］ 杨宇江，李元辉 . 数值岩石试样破裂过程多重分形特征 ［J］． 计算力学学报，2016 5 796－801. ［ 9］ 谢贤平，谢源 . 分形理论与岩石爆破块度的预报研究 ［J］． 工程爆破，1995 1 26－32. ［ 10］ 邵鹏，张勇，贺永年，等 . 岩石爆破逾渗断裂行为与块 度分布研究 ［J］． 中国矿业大学学报，2004，33 6 635－ 640. ［ 11］ 杨军，王树仁 . 岩石爆破分形损伤模型研究 ［J］． 爆炸与 冲击，1996，16 1 5－10. ［ 12］ 刘石，许金余，白二雷，等 . 基于分形理论的岩石冲击破 坏研究 ［J］． 振动与冲击，2013，32 5 163－166. ［ 13］ 李元辉，卢高明，冯夏庭，等 . 微波加热路径对硬岩破碎效 果影响分析 ［J］． 岩石力学与工程学报，2017 6 1460－ 1468. ［ 14］ 孙铭阳，朱学帅，韦鲁滨. 细粒煤粒度分布特性的研究 ［J］． 太原理工大学学报，2016 4 436－444. ［ 15］ 黄赟，罗忆，钟文杰，等 . 基于分形理论的围岩动静力 组合损伤研究 ［J］． 爆破，2016 2 17－22，27. ［责任编辑 李宏艳］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 17 页 ［ 12］ 薛国强，于景邨 . 瞬变电磁法在煤炭领域的研究与应用新进 展 ［J］． 地球物理学进展，2017，32 1 319－326. ［ 13］ 李明星，肖林通，张倚瑞，等 . 瞬变电磁粒子群优化反演研 究 ［J］． 煤炭技术，2014，33 9 302－304. ［ 14］ 王鹏 . 积水采空区地井瞬变电磁法探测 ［J］ ． 煤炭技术， 2017，36 6 134－136. ［ 15］ 程久龙，李明星，肖艳丽，等 . 全空间条件下矿井瞬变电磁 法粒子群优化反演研究 ［J］． 地球物理学报，2014，57 10 3478－3484. ［ 16］ 常江浩 . 煤矿富水区矿井瞬变电磁响应三维数组模拟及应用 ［D］． 徐州 中国矿业大学，2017.［责任编辑 施红霞］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 56 页 中国煤炭，2004，20 10 73－74. ［ 7］ 孙守山，宁宇，葛钧 . 波兰煤矿坚硬顶板定向水力压裂 技术 ［J］． 煤炭科学技术，1999，27 2 51－52. ［ 8］ 闫少宏，宁宇，康立军，等 . 用水力压裂处理坚硬顶板的 机理及实验研究 ［ J］ ． 煤炭学报，2000，25 1 32－35. ［ 9］ 冯彦军，康红普 . 定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验 ［J］． 岩石力学与工程学报，2012，31 6 1148－1155. ［ 10］ 康红普，冯彦军 . 煤矿井下水力压裂技术及在围岩控制中的 应用 ［J］． 煤炭科学技术，2017，45 1 1－9. ［ 11］ 冯彦军，康红普 . 受压脆性岩石Ⅰ－Ⅱ型复合裂纹水力压裂 研究 ［J］． 煤炭学报，2013，38 2 226－232. ［ 12］ 吴拥政，康红普 . 煤柱留巷定向水力压裂卸压机理及试验 ［J］． 煤炭学报，2017，42 5 1130－1137. ［ 13］ 周龙寿，丁立丰，郭啟良 . 不同压裂介质影响下绝对应力测 值的试验研究 ［J］． 岩土力学，2013，34 102869－2876. ［ 14］ 黄炳香，程庆迎，刘长友，等 . 煤岩体水力致裂理论及其工 艺技术框架 ［J］． 采矿与安全工程学报，2011，28 2 167－173. ［ 15］ 邓广哲，王世斌，黄炳香 . 煤岩水压裂缝扩展行为特性研究 ［J］． 岩石力学与工程学报，2004，23 20 3489－3493. ［ 16］ 于斌，段宏飞 . 特厚煤层高强度综放开采水力压裂顶板控 制技术研究 ［J］． 岩石力学与工程学报，2014，33 4 778－785.［责任编辑 王兴库］ 9 戴俊等 微波照射下玄武岩冲击破碎特性研究2018 年第 5 期 ChaoXing