基于隧道掘进破岩的微波弱化岩石的数值模拟研究

发布时间：2018-11-25 09:09

【摘要】：岩石破碎是隧道开挖不可回避的工作,选择破岩方法应以快速、高效为原则。机械破岩是目前的主要方法之一,但是对于强度较大的硬岩层和特硬岩层,机械破岩刀具往往磨损过快,缺乏经济上的竞争力。如果在机械破碎之前,预先使用微波照射以降低硬岩强度,将极大提高破岩效率,故“微波+机械”组合能量切岩、破岩系统将成为一种重要的隧道开挖新技术。本文依据微波加热和岩石热破裂的基本理论,在试验的基础上,寻求建立有效的岩石数值模型,采用数值模拟方法对微波照射损伤岩石进行研究,分析岩石损伤的细观力学机理,得到损伤的规律。具体研究内容及结论如下:(1)从岩石热破裂理论对微波照射岩石造成强度损伤的原理进行理论分析,认为微波照射对岩石强度的损伤主要是由岩石内部不同矿物的性质差异引起。在照射中,性质差异造成岩石内温度不平衡,形成“热点”,再由于不同矿物热膨胀系数差异,造成膨胀差异引发热应力,当热应力大于岩石强度时就引发岩石损伤,强度降低。(2)试验施加不同功率和照射时间的微波作用,得到岩石强度损伤规律:照射时间一定的条件下,岩石损伤程度与微波功率呈正相关;微波功率一定的情况下,存在一个最佳的照射时间范围,在此时间范围内,照射时间增加将有效地造成损伤,降低强度。此后增加照射时间将不能有效提高损伤程度。(3)依据试验研究,利用有限元软件ANSYS建立类似花岗岩的二相岩石模型,通过模拟微波照射得到岩石内部温度场、应力场和塑性破坏的发展演化规律,分析岩石破坏的细观机理和不同条件下的损伤规律,认为岩石损伤主要由拉应力破坏和剪切破坏两方面造成,功率密度越高对损伤越有利。高功率微波作用下的岩石破坏趋向于拉应力破坏,低功率情况下则主要为剪切破坏。在一定时间以内,照射时间与损伤呈正相关。数值研究结论与试验结论相一致,验证了模拟的正确性。通过本文研究,深刻了解微波照射损伤岩石的机理和规律,对今后的研究奠定了基础,促进了“微波+机械”组合能量隧道掘进破岩技术的发展。
[Abstract]:Rock breakage is an unavoidable work in tunnel excavation. Mechanical rock breaking is one of the main methods at present, but for the hard and extra hard rock formations with high strength, the mechanical rock breaking tools often wear out too fast and lack the economic competitiveness. If microwave irradiation is used in advance to reduce the strength of hard rock before mechanical crushing, the rock breaking efficiency will be greatly improved. Therefore, "microwave machinery" combined energy cutting rock and rock breaking system will become an important new technology for tunnel excavation. Based on the basic theory of microwave heating and rock thermal rupture, this paper seeks to establish an effective numerical model of rock on the basis of experiments, and studies the damage of rock by microwave irradiation by using numerical simulation method. The micromechanical mechanism of rock damage is analyzed and the damage law is obtained. The specific research contents and conclusions are as follows: (1) the principle of rock strength damage caused by microwave irradiation is analyzed theoretically from the theory of rock thermal rupture. It is considered that the damage to rock strength caused by microwave irradiation is mainly caused by the difference in the properties of different minerals within the rock. During the irradiation, the property difference causes the temperature imbalance in the rock, forming a "hot spot", and then the thermal stress is caused by the difference in the coefficient of thermal expansion of different minerals. When the thermal stress is greater than the strength of the rock, the damage of the rock is caused. (2) under microwave irradiation with different power and irradiation time, the damage law of rock strength is obtained: under certain irradiation time, the damage degree of rock is positively correlated with microwave power; Under certain microwave power, there is an optimal time range for irradiation. In this time range, the increase of irradiation time will effectively cause damage and decrease the intensity. After that, increasing the exposure time will not effectively improve the damage degree. (3) based on the experimental study, a two-phase rock model similar to granite is established by using the finite element software ANSYS, and the temperature field inside the rock is obtained by simulating microwave irradiation. The development and evolution of stress field and plastic failure are analyzed. The micromechanism of rock failure and damage law under different conditions are analyzed. It is concluded that rock damage is mainly caused by tensile stress failure and shear failure, and the higher the power density is, the more favorable the damage is. The rock failure under high power microwave is inclined to tensile stress failure, and shear failure at low power condition. Within a certain time, there was a positive correlation between irradiation time and injury. The numerical results are in agreement with the experimental results, and the correctness of the simulation is verified. Through the research in this paper, the mechanism and law of rock damage caused by microwave irradiation are deeply understood, which lays a foundation for future research and promotes the development of rock breaking technology of "microwave machinery" combined energy tunnel.
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U455.4

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本文编号：2355567