微波照射下脆性岩石裂纹扩展临界条件及断裂过程研究
发布时间：2021-07-30 16:58
基于热力学定律及Griffith断裂理论,建立了包含初始裂纹的脆性岩石理论模型研究微波破岩过程,推导了微波照射下均匀脆性岩石内部初始微裂纹的临界扩展条件。得到微波照射参数与裂纹扩展半径的关系呈V形曲线,且V形曲线上方为裂纹非稳定区域,下方为裂纹稳定区域。将V形曲线左半部分对应的裂纹定义为"初始短裂纹",断裂开始后,裂纹发生动态扩展,此时裂纹扩展行为不能由V形曲线完全描述,动态扩展的最终半径由能量守恒定律推导得到;当输入微波能量达到新的临界值之后,"初始短裂纹"则继续沿V形曲线发生准静态扩展。将V形曲线右半部分对应的裂纹半径定义为"初始长裂纹",对于初始长裂纹,输入的微波能量达到临界值之后,裂纹始终沿V形曲线以准静态方式扩展。根据裂纹扩展行为可以预测微波照射下岩石强度折减规律,其结果与已有实验结果吻合较好,对于指导微波辅助机械破岩工程实践具有重要意义。
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(05)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
裂纹力学模型示意图Fig.2Schematicdiagramofcrackmechanicsmodel2.2裂纹扩展的临界微波照射条件
孔?晃?新裂纹面积的表面自由能[34]。根据能量守恒定律，岩石中包含的初始总能量0U等于裂纹动态扩展结束时的总能量kU，即0kUU(13)将式(8)代入式(13)可得裂纹动态扩展的最终长度kr满足如下等式。20effeff222S03()2π2(12)kkpWEENrrC(14)式中：0effE为岩石初始有效弹性模量；effkE为裂纹动态扩展后岩石的有效弹性模量；0r为裂纹初始半径。根据式(14)，“初始短裂纹”动态扩展的最终长度kr如图4中所示。图4“初始短裂纹”随微波能量吸收的扩展规律(0.2)Fig.4Propagationbehaviorof“initialshortcracks”undermicrowaveirradiation(0.2)由图4可知，对于“初始短裂纹”，当裂纹发生扩展时，裂端区所释放的能量全部用来形成新的裂纹面积，裂纹始终以准静态的方式扩展。对于同一裂纹半径，裂纹数量越多，裂纹发生扩展所需的微波能量越多。3.2岩石宏观强度折减规律预测根据微波照射下岩石内部裂纹扩展规律理论模型，可以定性预测岩石宏观强度折减。假设岩石内部的初始裂纹为“初始短裂纹”，结合图4，假设初始短裂纹半径为ar(3N100mm)，岩石发生宏观断裂所需吸收的微波能量为1W，因此当吸收的微波能量处于10＜W＜W的范围，裂纹处于稳定状态，可以用图5(a)中的AB段表示，此时岩石强度不发生变化，对应于图5(b)中的AB段；当1WW时，裂纹动态扩展发生后，裂纹半径由ar瞬间扩展到br，可由图5(a)中的BC段表示，相应地，岩石强度由0S骤降到1S，如图5(b)中的BC段所示，此时，
2116应用力学学报第37卷示意如图6(b)中BC段所示。(a)“初始短裂纹”扩展规律(propagationbehaviorof“initialshortcracks”)(b)岩石强度折减规律(strengthreductionoftherock)图5微波照射下包含“初始短裂纹”硬岩内部裂纹扩展及强度折减Fig.5Crackpropagationandstrengthreductionofhardrockcontaining“initialshortcracks”undermicrowaveirradiation(a)“初始长裂纹”扩展规律(propagationbehaviorof“initiallongcracks”)(b)岩石强度折减规律(strengthreductionoftherock)图6微波照射下包含“初始长裂纹”硬岩内部裂纹扩展及强度折减Fig.6Crackpropagationandstrengthreductionofhardrockcontaining“initiallongcracks”undermicrowaveirradiation3.3模型的验证将铅锌矿矿石置于微波炉中加热，然后对微波预处理后的矿石试样进行强度测试，微波功率设置、照射时间及相应的强度测试结果如图7所示[35]。图7微波照射下矿物强度折减规律的试验结果[35]Fig.7Experimentalresultsofstrengthdecrementfororesamplesundermicrowaveirradiation[35]将式(2)代入式(10)可以推导出微波功率一定时，岩石内部裂纹扩展所需的临界微波照射时间为1/222c02312211611912tPMrNr(15)当0P5kW,10kW,15kW时，由式(15)得到的临界微波照射时间随裂纹初始半径和微波功率变化的函数关系如图8所示。对应于等效微波能量，微波照射时间也采用包含岩石特征物理参数的等效微波照射时间et，1/222ectt2M112。图8微波功率一定时，岩石裂纹随照射时间不同的扩展规
【参考文献】：
期刊论文
[1]高压水射流破岩能量耗散与释放机制[J]. 刘勇,陈长江,刘笑天,魏建平,王登科. 煤炭学报. 2017(10)
[2]激光功率和照射时长对激光破岩的影响[J]. 李士斌,李可心,张立刚. 能源与环保. 2017(03)
[3]微波加热路径对硬岩破碎效果影响试验研究[J]. 李元辉,卢高明,冯夏庭,张希巍. 岩石力学与工程学报. 2017(06)
[4]激光破岩试验及激光技术在石油工程中的应用[J]. 张建阔. 石油机械. 2017(03)
[5]不同间断比尺下微波诱发岩石损伤的离散元模拟研究[J]. 唐阳,徐国宾,孙丽莹,徐霖玉,杜晨曲. 水力发电学报. 2016(07)
[6]微波辅助机械破岩试验和理论研究进展[J]. 卢高明,李元辉,HASSANI Ferri,张希巍. 岩土工程学报. 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]高压水射流辅助机械破岩技术的研究进展[J]. 王栋. 隧道建设. 2012(S2)
[9]基于复杂环境多自由度牙轮钻头动力学模型建立与分析[J]. 刘清友,孟庆华,庞东晓,鲁柳利. 应用力学学报. 2008(04)
[10]微波加热技术的应用与研究进展[J]. 牟群英,李贤军. 物理. 2004(06)
本文编号：3311783
【文章来源】：应用力学学报. 2020,37(05)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
裂纹力学模型示意图Fig.2Schematicdiagramofcrackmechanicsmodel2.2裂纹扩展的临界微波照射条件
孔?晃?新裂纹面积的表面自由能[34]。根据能量守恒定律，岩石中包含的初始总能量0U等于裂纹动态扩展结束时的总能量kU，即0kUU(13)将式(8)代入式(13)可得裂纹动态扩展的最终长度kr满足如下等式。20effeff222S03()2π2(12)kkpWEENrrC(14)式中：0effE为岩石初始有效弹性模量；effkE为裂纹动态扩展后岩石的有效弹性模量；0r为裂纹初始半径。根据式(14)，“初始短裂纹”动态扩展的最终长度kr如图4中所示。图4“初始短裂纹”随微波能量吸收的扩展规律(0.2)Fig.4Propagationbehaviorof“initialshortcracks”undermicrowaveirradiation(0.2)由图4可知，对于“初始短裂纹”，当裂纹发生扩展时，裂端区所释放的能量全部用来形成新的裂纹面积，裂纹始终以准静态的方式扩展。对于同一裂纹半径，裂纹数量越多，裂纹发生扩展所需的微波能量越多。3.2岩石宏观强度折减规律预测根据微波照射下岩石内部裂纹扩展规律理论模型，可以定性预测岩石宏观强度折减。假设岩石内部的初始裂纹为“初始短裂纹”，结合图4，假设初始短裂纹半径为ar(3N100mm)，岩石发生宏观断裂所需吸收的微波能量为1W，因此当吸收的微波能量处于10＜W＜W的范围，裂纹处于稳定状态，可以用图5(a)中的AB段表示，此时岩石强度不发生变化，对应于图5(b)中的AB段；当1WW时，裂纹动态扩展发生后，裂纹半径由ar瞬间扩展到br，可由图5(a)中的BC段表示，相应地，岩石强度由0S骤降到1S，如图5(b)中的BC段所示，此时，
2116应用力学学报第37卷示意如图6(b)中BC段所示。(a)“初始短裂纹”扩展规律(propagationbehaviorof“initialshortcracks”)(b)岩石强度折减规律(strengthreductionoftherock)图5微波照射下包含“初始短裂纹”硬岩内部裂纹扩展及强度折减Fig.5Crackpropagationandstrengthreductionofhardrockcontaining“initialshortcracks”undermicrowaveirradiation(a)“初始长裂纹”扩展规律(propagationbehaviorof“initiallongcracks”)(b)岩石强度折减规律(strengthreductionoftherock)图6微波照射下包含“初始长裂纹”硬岩内部裂纹扩展及强度折减Fig.6Crackpropagationandstrengthreductionofhardrockcontaining“initiallongcracks”undermicrowaveirradiation3.3模型的验证将铅锌矿矿石置于微波炉中加热，然后对微波预处理后的矿石试样进行强度测试，微波功率设置、照射时间及相应的强度测试结果如图7所示[35]。图7微波照射下矿物强度折减规律的试验结果[35]Fig.7Experimentalresultsofstrengthdecrementfororesamplesundermicrowaveirradiation[35]将式(2)代入式(10)可以推导出微波功率一定时，岩石内部裂纹扩展所需的临界微波照射时间为1/222c02312211611912tPMrNr(15)当0P5kW,10kW,15kW时，由式(15)得到的临界微波照射时间随裂纹初始半径和微波功率变化的函数关系如图8所示。对应于等效微波能量，微波照射时间也采用包含岩石特征物理参数的等效微波照射时间et，1/222ectt2M112。图8微波功率一定时，岩石裂纹随照射时间不同的扩展规
【参考文献】：
期刊论文
[1]高压水射流破岩能量耗散与释放机制[J]. 刘勇,陈长江,刘笑天,魏建平,王登科. 煤炭学报. 2017(10)
[2]激光功率和照射时长对激光破岩的影响[J]. 李士斌,李可心,张立刚. 能源与环保. 2017(03)
[3]微波加热路径对硬岩破碎效果影响试验研究[J]. 李元辉,卢高明,冯夏庭,张希巍. 岩石力学与工程学报. 2017(06)
[4]激光破岩试验及激光技术在石油工程中的应用[J]. 张建阔. 石油机械. 2017(03)
[5]不同间断比尺下微波诱发岩石损伤的离散元模拟研究[J]. 唐阳,徐国宾,孙丽莹,徐霖玉,杜晨曲. 水力发电学报. 2016(07)
[6]微波辅助机械破岩试验和理论研究进展[J]. 卢高明,李元辉,HASSANI Ferri,张希巍. 岩土工程学报. 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]高压水射流辅助机械破岩技术的研究进展[J]. 王栋. 隧道建设. 2012(S2)
[9]基于复杂环境多自由度牙轮钻头动力学模型建立与分析[J]. 刘清友,孟庆华,庞东晓,鲁柳利. 应用力学学报. 2008(04)
[10]微波加热技术的应用与研究进展[J]. 牟群英,李贤军. 物理. 2004(06)
本文编号：3311783
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