粘弹性岩石凿力-凿深特性和能量传递研究.pdf

第3 4 卷第3 期 2 0 1 4 年0 6 月 矿冶工程 ⅡN I N GA N DM 匝T A L L U R G I C A LE N G 眦E R I N G V 0 1 ．3 4 №3 J u n e2 0 1 4 粘弹性岩石凿力- 凿深特性和能量传递研究① 王建华，甘海仁 长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要针对冲击钻进过程中粘弹性岩石力一凿深特性和能量传递问题进行了研究，得出了杆体活塞模型情况下的冲击凿深函数和 力- 凿深曲线，进一步分析了其能量传递过程和效率。结果表明，弹粘性岩石的力一凿深曲线受速度阻尼的影响，随着粘度增大，其初 始力从0 点逐渐抬高，最大凿深u 一逐渐变小；由于岩石粘性耗能的原因，传递到岩石中的总能量B 加大，最大凿深减少，凿入效率 降低。 关键词粘弹性岩石；能量传递；凿深；凿入效率 中图分类号T D 3 1 3文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 3 ．0 0 1 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 0 3 0 0 0 卜0 3 S t u d yo fF o r c e - P e n e t r a t i o nC h a r a c t e r i s t i ca n dE n e r g yT r a I 塔f e r o fV i s c o e l a s t i cR o c k W A N GJ i a n - h u a ，G A NH a i - r e n 吼口n 伊地尺e s e 口r c 风协M 胞矿施凡i n g 口以 如￡口Z Z M r g ，c 0 厶d ，C 危鲫伊玩4 1 0 0 1 2 ，而k M n ，吼i 凇 A b s t r a c t T h ef o r c e - p e n e t m t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n de n e r g rt r a n s f e ro fv i s c o e l a s t i cm c ki np e r c u s s i v ed r i l l i n gh a sb e e n s t u d i e d ，r e s u l t i n gi nt h ep e n e t m t i o nf u n c t i o no fr i g i dp i s t o nm o d e la n df o r c e p e n e 吮t i o nc u n r e ．T h e nt h ee n e r g yt r a n s f e r p r o c e s sa n di t se 珩c i e n c yw e r ea Ua n a l y z e d ．T h ef o r c e p e n e t r a t i o n c u r v eo fe l a s t i cv i s c o u sr o c ks h o w e dt h a tw i t ha n i n n u e n c eo ft h ev e l o c i t yd a m p i n g ，t h ei n i t i a lf o r c eg r a d u a l l yi n c r e a s e df 而mOw i t l la ni n c r e a s ei nt h eV i s c o s i t y ，w h i l et h e m a x i m u mp e n e t r a t i o nd e p t h u m 时 g m d u a l l yd e c r e a s e d ．D u et oV i s c o u sd i s s i p a t i o no fr o c k ，t h et o t a le n e r g y E 尺 b e i n g t r a n s f e n ．e dt om c ki n c r e a s e dw i t had e c r e a s ei nt h em a x i m u mp e n e t r 砒i o nd e p t h ， r e s u l t i n g i na1 0 w e rp e n e t r a t i o n e 伍e i e n c y ． K e yw o r d s v i s c o e l a s t i cm c k ；e n e r g yt m n s f e r ；p e n e t r a t i o n ；p e n e t m t i o ne 伍c i e n c y 如何有效提高岩石钻进破碎效率是国内外矿业开 发工作者面临的一个急需解决的问题。在冲击钻进过 程中，岩石的力一凿深特性及其能量传递过程是凿岩机 设计和应用的理论基础，它是完善结构、优化配置和预 测凿速的重要依据。 岩石线性 纯弹性 力一凿深特性 F | | } M 的研究 工作已进行得比较系统’2o ，但试验结果表明凿深 “并不是严格的正比于凿入力F ，这促使研究人员进 一步探讨更完善的力．凿深特性模型，以对冲击凿入 过程给出更为确切的描述。2 0 世纪8 0 年代张庙康 在瑞典L u l i a 大学采用弹粘性模型分别对花岗岩和 砂岩进行了理论计算，并与实验结果进行了对比，发 现花岗岩的理论预测结果和试验结果很接近。但该 模型应用于砂岩时则有较大的歧义。其他领域研究 人员也分别在各自研究领域对这一问题进行了相应 的研究“1 。 本文采用刚体活塞模型进行粘弹性岩石冲击过程 的计算，得出了冲击凿深函数、最大凿入时间和最大凿 深及相应的凿深．时间、侵入速度一时间和力- 凿深曲线， 进一步分析了其能量传递过程和效率，并与一般弹性 力一凿深模型凿人过程进行了对比分析。 1 岩石的弹性和粘弹性模型 岩石弹性和粘弹性模型如图1 所示。弹性模型 在加载过程中，将岩石视为纯弹性体 类似弹簧 ，由 简单的线性关系来描述，F 后u 。粘弹性模型将岩石 ①收稿日期2 0 1 4 一O 卜0 5 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划 项目 2 0 1 2 c B 7 2 4 2 0 5 作者简介王建华 1 9 6 8 一 ，男，湖南长沙人，工学博士，主要研究方向为岩石力学计算与应用。 万方数据 矿冶工程第3 4 卷 视为伏葛脱体，F 七M 7 7 。警。两种模型达最大凿深 d ￡ 华o 后，其卸载过程按完全非弹性卸载，均保持最 d ￡ 大凿深不变。 F ； F ；宁 a 弹性模型 b 粘弹性模型 图1岩石弹性和粘弹性模型 2 粘弹性岩石冲击凿人过程 由钎头凿人端边界条件 凿入力 F 一A 盯。 盯， 1 凿速 y 警 一导 盯；一盯， 2 d fE 得 警 鲁卅争 ㈩ d f玑E 。‘ 、7 对于粘弹性岩石，有 肚地‰警 4 可得 警 莩卅争㈣d ￡mE 。‘ 、。 即 警c 罢， 告u 一2 詈盯id￡，n，nE 式中M 为凿深；t 为时间；F 为凿入力；m 为钎杆波动惯 量 波阻 ，m 等；A 为钎杆断面积；E 为钎杆弹性模 量；C 为钎杆波速；盯i 为人射应力波；盯，为反射应力 波；K 为岩石凿人系数；叼。为岩石粘度系数。令 亭 ， 罟； ，卢 告，卢7 譬m，n亡 则有 告； 卢’u 一 季] 盯i M 兰e 叫‘e 肿盯i 下 d ￡ 6 f Jo ’、’ 对于刚体活塞人射波形函数 旷一吾咿“ 7 式中K 为活塞冲击速度，d m ／M ；M 为活塞质量。则有 u 詈K 寿 e _ “一e - 雕 8 ，y 令p k 号，对式 8 微分，则 票暑妥 ⋯一叫e 叫o 9 d ￡ 口 1 一日7 、 “。 尸。 7、。7 解得 最大凿入时间 最大凿深 1 0 1 1 3 凿入过程计算 对两种具有相同凿入系数和不同粘度系数的粘弹 性岩石的凿人过程进行了计算，并与纯弹性情况进行 了对比。 3 ．1 原始参数 活塞质量％ 2k g ，冲击速度匕 7 ．7r n ／s ，冲击 1 能量E ， 蜂K 2 5 9 ．2 9J ，B 2 2 钎杆断面A 3 ．8 6 厶 c m 2 ，波动惯量 波阻 m 1 54 4 0N s ／m ，岩石凿人系 数K 1 0 0k N ／m m 1 0 5N ／m ，岩石粘度系数7 7 。分别为 30 0 0 ，6 0 0 0N s ／m 。参数计算结果见表1 。 表1 参数计算结果 岩石q o a 口 p 旦 f芦， 口， 弹性 O1 ．1 9 1 9／／ ／／ 粘弹性 30 0 077 2 064 7 7／O1 9 4 3l 1 9 4 3 5 3 9 81 4 2 3 5 60 0 0／O ．3 8 8 61 ．3 8 8 64 6 6 4 1 ．6 5 5 2 3 ．2 计算结果 计算得出了3 种情况下的最大凿人时间和最大凿 深u 一，见表2 。 表2 最大凿深时间k 和最大凿深u m 。计算结果 生邛％； 』一坐卢 万方数据 第3 期王建华等粘弹性岩石凿力一凿深特性和能量传递研究 同时得到了凿深- 时间和侵入速度一时间曲线，并依据 相同时刻的凿深和侵人速度，由F l | } u 或F 后“ 叼。警， 确定对应的力值F ，绘出力一凿深曲线，分别见图2 ～4 。 n ／ 一 _ 3 0 0 ／一 ／／ 6 0，0 ／／ ， ／ 一一 ／ ／ 乡 ， ／ ，I多 ／ ．} j∥ 彳 夸 擎 巩砌 、 、 、H2 jU ＼ ＼ ＼＼、 ＼＼＼ ＼、、、 一-- ‘，r 矗、、．＼ 。，0 - ● 、‘＼＼ 、 ＼＼ 、＼ ＼ 、 瞄k●一l lJ 1 ～。 一、一C - ， S | 0 ． 哺． 一』 ‘，／ ～h 』 ， 1 0 0 7 。 虿三 ‘4 0 3 0 嚣 f ， x 1 0 5s 1 图3 侵入速度时间曲线 图4 力- 凿深曲线 计算表明 1 凿深自0 开始，随凿人时间不断增大，至最大 凿深停止凿入； 2 由于开始钎头尚未凿人，钎头端无凿入力，呈 自由端状态，故在0 时刻均见较大侵入速度，然后随时 间增大，侵入速度降至o ，速度 警 为。的时刻对应于 最大凿深； 3 随着岩石粘度增加，其最大凿深时间‰逐步 增加，最大凿深M 。。逐步减小； 4 对于粘弹性岩石，由于存在凿速阻抗 叼。警 ， 对比纯弹性状态的力一凿深曲线，其0 时刻有起始力 值，随着粘度不断增大，其起始力值不断增大。 4 能量传递和凿人效率 1 传递到岩石的能量％ J F u d “，即为图4 中力一凿深曲线覆盖的面积。在完全弹性状态时 艮 lF u d M 矗M 。 为图4 中无阴影线的三角形面积。在粘弹性状态下 B 广m m 广m Ⅶ警胁 B 2 J 。F M d “2J 。 尼u 刀。蓄 d 配 广枷M f “叼。挚u 哦 ％ 为图4 中粘弹性曲线覆盖的总面积。此时，传递到岩 石中的能量可以视为有两部分构成，其中％为弹性 部分，E 船 f| j } Ⅱd u 知u 。，为图4 中无阴影线的面 积；E 如为粘性部分，E m f ‰叼。警d “，为图4 中有阴 J0 d ￡ 影线的面积。 2 在粘弹性情况下，传递到岩石的能量％较之 完全弹性状态有所增大，这是由于岩石粘性阻尼耗能 的缘故，随着粘性的增大，其粘性部分E 舶所占的比例 逐步增大； 3 输入能量为活塞冲击能量B M ，诈2 ，用于 岩石破碎的能量由凿深表征，在完全弹性状态下， ％ I | } u 。，在粘弹性状态下，凿入效率叼 瓮由其弹 性部分能量％来表征，即叼 竽 粘性部分仅耗能，对 D P 岩石破碎不构成重要作用 。根据给定的参数计算结 果见表3 。 表3 能量传递和凿入效率的计算结果 下转第8 页 ∞如舯加曲如{宇鲫加m 量P、鼍 培临H 线 ● 曲出帅。叭深凿 4 图 万方数据 8 矿冶工程 第3 4 卷 堆尾矿的抗剪强度表现出外强内弱的特性，类似于 “夹心饼干”，对寒区尾矿地表堆存不利。 4 研究寒区冻融环境对干堆尾矿的物理力学性 质的影响可为分析寒区干堆尾矿坝的稳定性提供参考 数据，对尾矿干堆在寒区的应用和推广起到积极作用。 参考文献 J e w e URJ ，f ’o u d eAB ．P a s t ea n dT h i c k e n e dT a i l i n g s AG u i d e [ M ] ．P e r t h A u s t r a l i a nc e n t r ef o rG e o m e c h 锄i c s ，2 0 0 2 ． 魏作安．细粒尾矿及其堆坝稳定性研究[ D ] ．重庆重庆大学资源 与环境科学学院，2 0 0 4 ． T i e l e n sAJ ．“D r y ”d i 5 p o s a lc a ne l i m i n a t ed e c a n tt a i l i n 铲p o n df o r t l l i x o t r o p i cm i l lw a s t e s [ J ] ．E n g i n e e r i n ga 1 1 dM i n gJ o u m a l ，1 9 9 7 1 8 4 8 6 ． B r e i t e n b a c hAJ ．0 v e r v i e w T a i l i n g sd i s p o s a la l l dd 栅c o n s t r u c t i o n p m c t i c e si n 山e2 1 s tc e n t u r y [ c ] ∥1 撕l i n g sa n dM i n ew a s t e ’1 0 P r o c e e d i n g so ft h e1 4 t hI n t e m a t i o n a lC o n f e r e n c eo nT a i l i n 铲a I l dM i n e W a s t e ．2 0 1 1 4 9 5 7 ． N e w m 粕L ，A m o I dK ，W j t t w e rD ．D r ys t a c kt a i l i n g sd e s i g l lf o rt h e R o s e m o n tc 叩p e 。p r o j e c t [ c ] ∥T a i l i n g s 锄dM i n ew a s t e ’1 0 P m c e e d - i n g s0 ft h e1 4 t hI n t e m a t i o n a lC o n f e r e n c eo nT a i l j n g sa I l dM i n eW a s t e ， 2 0 1 13 1 5 3 2 6 ． [ 6 ]马达昌，马新涛，闰勇．铁矿干堆尾矿排放工艺及装备[ J ] ．金 属矿山，2 0 1 0 增 2 8 6 2 8 8 ． [ 7 ]李俊宁，杨任新，常前发，等．铁矿尾矿整体利用和处置工艺中 国，z L 2 0 0 9 1 0 1 1 6 4 3 0 ．9 [ P ] ． [ 8 ] 刘培坤，王磊，崔学奇，等．高效旋流器与变频脱水筛在河北 某铁矿尾矿干排工艺中的生产实践[ J ] ．矿业工程，2 0 1 1 增 2 1 2 2 ． [ 9 ] 徐学祖，王家澄，张立新．冻土物理学[ M ] ．北京科学出版社． 2 0 0 1 ． [ 1 0 ] N i c h o l a sAB e i e r ，D a v i dcs e 9 0 ．c y c l i ch e z e t h a wt oe n h a n c et l l e s t a b i l i t yo fc o a lt a i l i n g s [ J ] ．C o l dR e g i o n sS c i e n c ea I l dT e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ，5 5 3 2 7 8 2 8 5 ． [ 1 1 ]杨宁芳，牛富俊，林战举．重金属元素在冻土与融土中迁移的对 比试验[ J ] ．环境污染与防治，2 0 0 9 ，3 1 3 3 6 3 9 [ 1 2 ] 潘宝峰，王琰，张铁志．无机结合料稳定铁尾矿砂冻融特性的 研究[ J ] ．低温建筑技术，2 0 1 0 1 8 1 0 ． [ 1 3 ] G B ／T5 0 1 2 3 1 9 9 9 ，土工试验方法标准[ s ] ． [ 1 4 ] 尹光志，魏作安，许江．细粒尾矿及其堆坝稳定性分析[ M ] ． 重庆重庆大学出版社，2 0 0 4 ． 上接第3 页 5 结语 1 粘弹性岩石的力一凿深曲线受速度阻尼的影 响，对比弹性岩石的力- 凿深特性产生变异，随着粘度 增大，其初始力从0 点逐渐抬高，最大凿深“。。，逐渐变 小。这是由于粘度增大，消耗的粘性功愈大的缘故；且 其最大凿深点不出现于最大凿入力时刻，这说明除了 凿深对凿入力的影响外，还有侵入速度引起的粘性阻 尼的影响。 2 在粘弹性岩石情况下，由于岩石粘性耗能的原 因，传递到岩石中的总能量B 加大，最大凿深减小， 凿人效率降低。 参考文献 [ 1 ] 徐小荷．岩石破碎学[ M ] ．北京煤炭工业出版社，1 9 8 4 ． [ 2 ]赵统武．冲击钻进动力学[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 6 ． [ 3 ] 李伟，杨仁树．中深孔光面爆破技术在岩石巷道掘进中的应用 研究[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 3 3 2 卜2 3 ． [ 4 ] 熊家泽，于嘉君，王筑生，等．钎杆工作应力的随机分析[ J ] ．矿冶 工程，2 0 1 3 6 1 0 一1 2 ． [ 5 ] 何平，王华宁．深埋圆形压力隧洞施工过程的粘弹性解析解 [ J ] ．力学季刊，2 0 1 2 ，3 3 1 4 6 5 2 ． [ 6 ] 邓广哲，王广地．北山花岗岩热粘弹性流变特性分析[ J ] ．岩石力 学与工程学报，2 0 0 4 ，2 3 增1 4 3 6 8 4 3 7 2 ． [ 7 ] 曹志远．时变固体力学的粘弹性解[ J ] ．力学学报，2 0 0 0 ，3 2 4 4 9 7 5 0 1 1j 1 J 1 J 1 2 3 4 5 l 二 心 b H 瞪 万方数据