基于熱力學(xué)定律及Griffith斷裂理論,建立了包含初始裂紋的脆性巖石理論模型研究微波破巖過程,推導(dǎo)了微波照射下均勻脆性巖石內(nèi)部初始微裂紋的臨界擴(kuò)展條件。得到微波照射參數(shù)與裂紋擴(kuò)展半徑的關(guān)系呈V形曲線,且V形曲線上方為裂紋非穩(wěn)定區(qū)域,下方為裂紋穩(wěn)定區(qū)域。將V形曲線左半部分對應(yīng)的裂紋定義為"初始短裂紋",斷裂開始后,裂紋發(fā)生動態(tài)擴(kuò)展,此時裂紋擴(kuò)展行為不能由V形曲線完全描述,動態(tài)擴(kuò)展的最終半徑由能量守恒定律推導(dǎo)得到;當(dāng)輸入微波能量達(dá)到新的臨界值之后,"初始短裂紋"則繼續(xù)沿V形曲線發(fā)生準(zhǔn)靜態(tài)擴(kuò)展。將V形曲線右半部分對應(yīng)的裂紋半徑定義為"初始長裂紋",對于初始長裂紋,輸入的微波能量達(dá)到臨界值之后,裂紋始終沿V形曲線以準(zhǔn)靜態(tài)方式擴(kuò)展。根據(jù)裂紋擴(kuò)展行為可以預(yù)測微波照射下巖石強(qiáng)度折減規(guī)律,其結(jié)果與已有實驗結(jié)果吻合較好,對于指導(dǎo)微波輔助機(jī)械破巖工程實踐具有重要意義。 

【文章來源】：應(yīng)用力學(xué)學(xué)報. 2020,37(05)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

裂紋力學(xué)模型示意圖Fig.2Schematicdiagramofcrackmechanicsmodel2.2裂紋擴(kuò)展的臨界微波照射條件

孔?晃?新裂紋面積的表面自由能[34]。根據(jù)能量守恒定律，巖石中包含的初始總能量0U等于裂紋動態(tài)擴(kuò)展結(jié)束時的總能量kU，即0kUU(13)將式(8)代入式(13)可得裂紋動態(tài)擴(kuò)展的最終長度kr滿足如下等式。20effeff222S03()2π2(12)kkpWEENrrC(14)式中：0effE為巖石初始有效彈性模量；effkE為裂紋動態(tài)擴(kuò)展后巖石的有效彈性模量；0r為裂紋初始半徑。根據(jù)式(14)，“初始短裂紋”動態(tài)擴(kuò)展的最終長度kr如圖4中所示。圖4“初始短裂紋”隨微波能量吸收的擴(kuò)展規(guī)律(0.2)Fig.4Propagationbehaviorof“initialshortcracks”undermicrowaveirradiation(0.2)由圖4可知，對于“初始短裂紋”，當(dāng)裂紋發(fā)生擴(kuò)展時，裂端區(qū)所釋放的能量全部用來形成新的裂紋面積，裂紋始終以準(zhǔn)靜態(tài)的方式擴(kuò)展。對于同一裂紋半徑，裂紋數(shù)量越多，裂紋發(fā)生擴(kuò)展所需的微波能量越多。3.2巖石宏觀強(qiáng)度折減規(guī)律預(yù)測根據(jù)微波照射下巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展規(guī)律理論模型，可以定性預(yù)測巖石宏觀強(qiáng)度折減。假設(shè)巖石內(nèi)部的初始裂紋為“初始短裂紋”，結(jié)合圖4，假設(shè)初始短裂紋半徑為ar(3N100mm)，巖石發(fā)生宏觀斷裂所需吸收的微波能量為1W，因此當(dāng)吸收的微波能量處于10＜W＜W的范圍，裂紋處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以用圖5(a)中的AB段表示，此時巖石強(qiáng)度不發(fā)生變化，對應(yīng)于圖5(b)中的AB段；當(dāng)1WW時，裂紋動態(tài)擴(kuò)展發(fā)生后，裂紋半徑由ar瞬間擴(kuò)展到br，可由圖5(a)中的BC段表示，相應(yīng)地，巖石強(qiáng)度由0S驟降到1S，如圖5(b)中的BC段所示，此時，

2116應(yīng)用力學(xué)學(xué)報第37卷示意如圖6(b)中BC段所示。(a)“初始短裂紋”擴(kuò)展規(guī)律(propagationbehaviorof“initialshortcracks”)(b)巖石強(qiáng)度折減規(guī)律(strengthreductionoftherock)圖5微波照射下包含“初始短裂紋”硬巖內(nèi)部裂紋擴(kuò)展及強(qiáng)度折減Fig.5Crackpropagationandstrengthreductionofhardrockcontaining“initialshortcracks”undermicrowaveirradiation(a)“初始長裂紋”擴(kuò)展規(guī)律(propagationbehaviorof“initiallongcracks”)(b)巖石強(qiáng)度折減規(guī)律(strengthreductionoftherock)圖6微波照射下包含“初始長裂紋”硬巖內(nèi)部裂紋擴(kuò)展及強(qiáng)度折減Fig.6Crackpropagationandstrengthreductionofhardrockcontaining“initiallongcracks”undermicrowaveirradiation3.3模型的驗證將鉛鋅礦礦石置于微波爐中加熱，然后對微波預(yù)處理后的礦石試樣進(jìn)行強(qiáng)度測試，微波功率設(shè)置、照射時間及相應(yīng)的強(qiáng)度測試結(jié)果如圖7所示[35]。圖7微波照射下礦物強(qiáng)度折減規(guī)律的試驗結(jié)果[35]Fig.7Experimentalresultsofstrengthdecrementfororesamplesundermicrowaveirradiation[35]將式(2)代入式(10)可以推導(dǎo)出微波功率一定時，巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展所需的臨界微波照射時間為1/222c02312211611912tPMrNr(15)當(dāng)0P5kW,10kW,15kW時，由式(15)得到的臨界微波照射時間隨裂紋初始半徑和微波功率變化的函數(shù)關(guān)系如圖8所示。對應(yīng)于等效微波能量，微波照射時間也采用包含巖石特征物理參數(shù)的等效微波照射時間et，1/222ectt2M112。圖8微波功率一定時，巖石裂紋隨照射時間不同的擴(kuò)展規(guī)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]高壓水射流破巖能量耗散與釋放機(jī)制[J]. 劉勇,陳長江,劉笑天,魏建平,王登科.  煤炭學(xué)報. 2017(10)
[2]激光功率和照射時長對激光破巖的影響[J]. 李士斌,李可心,張立剛.  能源與環(huán)保. 2017(03)
[3]微波加熱路徑對硬巖破碎效果影響試驗研究[J]. 李元輝,盧高明,馮夏庭,張希巍.  巖石力學(xué)與工程學(xué)報. 2017(06)
[4]激光破巖試驗及激光技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用[J]. 張建闊.  石油機(jī)械. 2017(03)
[5]不同間斷比尺下微波誘發(fā)巖石損傷的離散元模擬研究[J]. 唐陽,徐國賓,孫麗瑩,徐霖玉,杜晨曲.  水力發(fā)電學(xué)報. 2016(07)
[6]微波輔助機(jī)械破巖試驗和理論研究進(jìn)展[J]. 盧高明,李元輝,HASSANI Ferri,張希巍.  巖土工程學(xué)報. 2016(08)
[7]The influence of microwave irradiation on rocks for microwaveassisted underground excavation[J]. Ferri Hassani,Pejman M.Nekoovaght,Nima Gharib.  Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2016(01)
[8]高壓水射流輔助機(jī)械破巖技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 王棟.  隧道建設(shè). 2012(S2)
[9]基于復(fù)雜環(huán)境多自由度牙輪鉆頭動力學(xué)模型建立與分析[J]. 劉清友,孟慶華,龐東曉,魯柳利.  應(yīng)用力學(xué)學(xué)報. 2008(04)
[10]微波加熱技術(shù)的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J]. 牟群英,李賢軍.  物理. 2004(06)



本文編號：3311783