沖擊載荷作用下巖石破碎數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究(精)

1、0 引言花崗巖是鎢礦圍巖中常見的一種巖石。目前許多鎢礦礦山為了延長礦山服務(wù)年限，急需加強(qiáng)礦山外圍和深部勘探，這就需要進(jìn) 行大量的礦巖破碎工程。沖擊載荷作用下破碎巖石是目前運(yùn)用較為廣泛的一種破巖 方法，但其破巖機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。近年來，非線性科學(xué)中的分形理論、系統(tǒng)科 學(xué)中的突變理論和數(shù)值模擬方法等現(xiàn)代科學(xué)理論開始滲入巖石破碎研究領(lǐng)域1-5,取得了一些成果。但是，分形理論在巖石破碎中主要被用于研究破碎塊度，無法建立 破碎結(jié)果與破碎的物理機(jī)制之間的相互關(guān)系；突變理論主要研究系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生微小 變化后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與否，它在巖石破碎領(lǐng)域的應(yīng)用目前主要局限于地震與巖爆等由 緩慢變形到突然破裂的現(xiàn)象，尚沒有

2、用于研究鑿巖等由于沖擊載荷產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象；數(shù)值模擬方法是用來溝通理論模型和實(shí)驗(yàn)研究的橋梁，但巖石的本構(gòu)模型準(zhǔn)確性、 客觀性以及巖石性質(zhì)參數(shù)和邊界條件還需要加以研究。因此沖擊載荷破巖的數(shù)值模 擬與試驗(yàn)研究相接合對豐富沖擊破巖理論具有重要意義。1 沖擊載荷破巖特點(diǎn)1.1 巖石斷裂形態(tài)如圖 1 所示，壓頭侵入硬巖時(shí)一般產(chǎn)生徑向、中間和側(cè)向裂紋，同時(shí)在壓頭下方還會(huì)形成一個(gè)密實(shí)核，在鈉玻璃上進(jìn)行侵入試驗(yàn) 表明,形成的密實(shí)核近似于半球形，其主要特征是發(fā)生了剪切變形 。由此可看出側(cè) 向裂紋是從剪切變形區(qū)底部起裂的。側(cè)向裂紋一般在卸載過程產(chǎn)生并擴(kuò)展，中間裂紋產(chǎn)生于加載過程，并在卸載過程有部分彈性恢復(fù)；徑向裂紋

3、既可產(chǎn)生于加載過程，又 可出現(xiàn)在卸載期間，但不論何時(shí)產(chǎn)生都在卸載過程繼續(xù)發(fā)展。1.2 沖擊破巖特點(diǎn)巖石在沖擊載荷作用下將引起應(yīng)力波在巖石中的傳播。 對應(yīng)力波的描述包括頻 譜 （即頻率分布、能量分布、波速、波長等，同時(shí)巖石中裂紋或缺陷也有尺寸分布或 譜圖,這樣便能根據(jù)載荷作用特點(diǎn)與具體巖石對象確定微觀與細(xì)觀以及宏觀尺度的 劃分標(biāo)準(zhǔn)，并找出分析重點(diǎn)，從而采用相應(yīng)的方法來對其動(dòng)態(tài)破壞過程進(jìn)行研究。典 型的沖擊載荷有機(jī)械沖擊載荷與爆炸沖擊載荷。機(jī)械沖擊是動(dòng)能傳播到一個(gè)系統(tǒng)，其發(fā)生傳遞的時(shí)間比該系統(tǒng)的自由振動(dòng)周期 要短。沖擊載荷的這種短暫特征，意味著在材料中會(huì)產(chǎn)生很高的應(yīng)變文章編號：1009-0622(

4、200705-0005-05沖擊載荷作用下巖石破碎數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究謝世勇 1,王艷霞 2,趙伏軍 3(1.贛州有色冶金研究所，江西贛州 341000;2.河北工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，天 津300130;3湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，湖南湘潭 411201摘要:運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了沖擊載荷作用下的巖石微觀結(jié)構(gòu)特性變化，通過對巖石內(nèi)部應(yīng)力分布及裂紋分布圖可以得出沖擊載荷破巖時(shí)巖石內(nèi)部在垂直方向產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力區(qū)和一個(gè)壓 應(yīng)力區(qū)，刀具下方的拉應(yīng)力最大；中間裂紋擴(kuò)展速度比徑向和側(cè)向裂紋都要快，裂紋面 呈三角形狀。在多功能試驗(yàn)裝置上對花崗巖進(jìn)行沖擊載荷破巖試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：單純提高沖擊載荷對破

5、巖效果不會(huì)有很大的提高，存在一個(gè)最佳破巖沖擊能(63J。關(guān)鍵詞：沖擊載荷;巖石破碎擻值模擬;試驗(yàn)研究中圖分類號:TU457文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A收稿日期:2007-08-21 作者簡介:謝世勇(1982-，男，江西南康人，碩士,從事礦山地壓控制、礦巖破碎等方向研究。壓頭密實(shí)核徑向裂紋側(cè)向裂紋中間裂紋圖 1 侵入斷裂形態(tài)第 22 卷第 5 期 2007 年 10 月Vol.22,No.5Oct.2007China Tun gste n In dustry第 22 卷速率，對材料的變形破碎行為和機(jī)制產(chǎn)生重大影響。爆炸沖擊載荷比機(jī)械沖擊載荷的強(qiáng)度要高得多。爆炸發(fā)生以后，氣體產(chǎn)生的壓力瞬間可達(dá)到一萬多個(gè) 兆帕

6、，溫度達(dá)到幾千度，在高溫高壓的作用下，臨近 巖石受到強(qiáng)烈壓縮，顆粒被壓碎,甚至發(fā)生液化和汽化。巖石因受爆炸產(chǎn)物的擠壓而向外運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè) 空腔,同時(shí)在巖石中產(chǎn)生一種強(qiáng)沖擊波向外傳播。隨 著傳播距離的增加，波陣面壓力下降，不再引起巖石 結(jié)構(gòu)的破壞，而只產(chǎn)生質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，這就是爆炸引起 的地震效應(yīng)7。M.P.馬弗柳托夫8采用直徑 1.95mm 的壓頭做了 自由落體沖擊巖石的試驗(yàn)，他研究了動(dòng)載荷沖擊巖 石時(shí)的破碎問題，其結(jié)果如圖 2 所示。曲線 1 是當(dāng)沖 擊功不大時(shí)，在巖石表面只能見到壓頭沖擊的痕跡，圍繞壓頭邊緣出現(xiàn)裂紋帶；曲線 2 是當(dāng)沖擊功增加 到一定值時(shí)，載荷達(dá)到第一極大值，壓頭底下的巖石 發(fā)

7、生與靜載荷相似的破碎，稱為第一次大體積破碎 （剪切體崩離，主壓力體壓碎；曲線 3 是當(dāng)沖擊功大 于產(chǎn)生第一次大體積破碎的能量，使得壓頭侵入深 度增加；曲線 4 是當(dāng)沖擊功相當(dāng)大時(shí)，載荷達(dá)到第二 極大值，巖石產(chǎn)生第二次大體積破碎。依次循環(huán)。由 上述分析可知，動(dòng)載荷破巖同樣具有躍進(jìn)式的特點(diǎn)。 沖擊破碎主要適用于脆性和彈脆性巖石，巖石的脆 性愈明顯、愈堅(jiān)硬，破碎時(shí)的載荷極大值就愈大。脆性巖石在外載荷達(dá)到極大值后產(chǎn)生破裂或大體積破 碎，而彈塑性巖石在破壞后仍有部分強(qiáng)度，在一定的外部作用下方可產(chǎn)生體積破碎。2 數(shù)值模擬2.1 巖石及 PDC 刀具模型巖石及 PDC 刀具均采用三維實(shí)體建模，動(dòng)靜組合破巖試

8、驗(yàn)的花崗巖試件尺寸為 lOOOmrX500mmX500mm,PDC 刀具的規(guī)格是13.4mmX15mm。刀具的模型采用實(shí)際尺寸建模，由于巖石受刀具影響范圍較小，所以取刀具與巖面接觸正下方的 100mm 50mm 50mm 范圍建模?；◢弾r試件和 PDC 刀具 的力學(xué)參數(shù)見表 1 和 2,劃分網(wǎng)格后的巖石及刀具 模型見圖 3。表 1 花巖石試件的力學(xué)參數(shù)表 2 刀具材料的物理力學(xué)性能（a 模型整體三維視圖網(wǎng)格（b 刀具與巖面接觸點(diǎn)放大網(wǎng)格（c 模型整體二維視圖網(wǎng)格（d 刀具與巖面接觸點(diǎn)放大網(wǎng)格 圖 3 巖石與 PDC 刀具模型網(wǎng)格2.2 加載與求解在試驗(yàn)中，刀具刀刃的銳邊圓弧（即鋒利的邊 緣與巖

9、面接觸，在模擬中為了簡化運(yùn)算，現(xiàn)假設(shè)刀 具與巖面接觸為點(diǎn)面接觸，且在加載過程中刀具只 有垂直方向的位移，無水平移動(dòng)，即不存在切削現(xiàn) 象。由于只考慮施加單軸沖擊載荷（48、63、78J 所 以分析類型選擇瞬態(tài)求解（Transient,加載時(shí)間為 0.0002s（中等應(yīng)變速率。只需將巖石模型的底面施 加位移約束（即 x、y、z3 個(gè)方向都約束，模型前后 左右4 個(gè)面為自由面。沖擊載荷直接施加在刀具與 巖面相接觸的節(jié)點(diǎn)上，設(shè)定 100 個(gè)子步，最小子步為 50,最大子步為 100，為了便于收斂，打開自動(dòng)調(diào)整 時(shí)間積分步長。2.3 結(jié)果分析為了分析在單軸沖擊載荷作用下試件的垂直應(yīng)力和裂紋分布隨子載荷步

10、變化的情況，選取具有代表 性的子載荷步計(jì)算結(jié)果來分析。圖 4 為沖擊能 48J 作 用下各子載荷步在垂直方向上的應(yīng)力等值線分布云 圖，圖 5為各子載荷步產(chǎn)生的裂紋分布圖，圖 6 為不 同沖擊能（48、63、78J 時(shí)裂紋分布圖。體積密度g/mm3抗壓強(qiáng)度MPa抗拉強(qiáng)度MPa彈性模量GPa泊松比2.640167.518.6670.21密度g/mm3努普硬度GPa抗彎強(qiáng)度GPa抗壓強(qiáng)度1GPa斷裂韌性彈性模量GPa泊松比耐磨性3.525 廠 800.61.1 廠 879560600.51.01.52.02.58000.0825023P/kNh/min圖 2 巖石沖擊力與浸深關(guān)系6第 5 期(1 在

11、沖擊載荷作用的初期，即在第 1 載荷步的時(shí)候，此時(shí)在垂直方向產(chǎn)生 比較大范圍的壓應(yīng)力，拉應(yīng)力集中出現(xiàn)在刀具的下方，但還不足以使巖石產(chǎn)生裂紋，如 圖4 所示。(2在第 2 載荷步時(shí)，此時(shí)垂直方向在刀具與巖面接觸點(diǎn)的下方出現(xiàn)一個(gè)較大的拉 應(yīng)力區(qū)，如圖 4 所示，裂紋最先在刀具與巖面接觸點(diǎn)下方開始產(chǎn)生，但裂紋分布面較小，如圖 4 和圖 5 所示。(3從第 8 載荷步開始，刀具下方的壓應(yīng)力進(jìn)一步增大，同時(shí)拉應(yīng)力也相應(yīng)增大，巖石裂紋面進(jìn)一步擴(kuò)大，裂紋擴(kuò)展迅速，形成較大面積的破碎，并且裂紋往深部比往兩側(cè)擴(kuò)展要快，如圖 4 和圖 5 所示。(4到第 27 載荷步時(shí)，應(yīng)力分布較為穩(wěn)定，在垂直方向產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力

12、區(qū)和一個(gè)壓應(yīng) 力區(qū)，刀具下方的拉應(yīng)力最大，裂紋擴(kuò)展形成一個(gè)較穩(wěn)定的 三角形”裂紋面，如圖 5 所 示。第 1 步第 2 步第 10 步第 12 步第 21 步第 27 步圖 448J 沖擊能垂直方向應(yīng)力等值線云圖圖 548J 沖擊能作用下各子載荷步產(chǎn)生的裂紋分布圖 6 不同沖擊能時(shí)裂紋分布第 2 步第 8 步第 10 步第 12 步第 21 步第 27 步48J 63J 78J謝世勇，等:沖擊載荷作用下巖石破碎數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究 7第 22 卷(5 從圖 5 和圖 6 中可以看出，裂紋首先產(chǎn)生在刀具與巖面接觸點(diǎn)上，然后中間裂紋擴(kuò)展最快，徑向 裂紋比側(cè)向裂紋擴(kuò)展要快，巖石表面破碎較快；沖擊 載荷

13、作用下巖石內(nèi)部裂紋形成的破碎角較??；隨著沖擊載荷的增加，裂紋分布的深度增加較快，兩側(cè)的擴(kuò)展則較緩慢，裂紋分布的面積也隨即增加，但裂紋面積在 63J 時(shí)增加較快。3 試驗(yàn)研究3.1 試驗(yàn)裝置該裝置主要由軸向靜壓加載裝置、落錘沖擊加載裝置、刀具及夾具裝置和測試系統(tǒng)等部分組成9-10,如圖 7 所示。圖 7 多功能破巖試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖1-機(jī)架;2-軸向加壓油缸；3-沖擊桿傳動(dòng)裝置；4-沖擊桿；5-升降橫梁;6-刀具夾;7-沖擊調(diào)速電機(jī);8-皮帶傳動(dòng)裝置；9-軌輪車;10-巖樣;11-導(dǎo)軌沖擊加載機(jī)構(gòu)或沖擊桿傳動(dòng)裝置主要組成部件為機(jī)架、調(diào)速電機(jī)、皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈 輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、托銷、沖擊桿（錘

14、、配重等。刀具安裝機(jī) 構(gòu)通過法蘭盤及螺栓固定在升降橫梁上，主要由刀 頭、碟形彈簧、刀具桿、傳感器（分別測量靜載荷和沖 擊應(yīng)力波等組成。在升降橫梁板上可安裝多把刀具 同時(shí)破碎巖石，也可變換刀具夾安裝滾刀或其他刀具破巖。選用湖南飛碟新材料有限公司生產(chǎn)的圓柱 形聚晶金剛石復(fù)合片(PDC 壓頭，規(guī)格見表 23.2 試驗(yàn)方法和步驟本試驗(yàn)中沖擊高度為 300mm,沖擊能分別為48、63、78J。每次破碎巖石之后，清除巖粉,測量破 碎坑體積,每一試驗(yàn)重復(fù) 3 次，取其平均值。試驗(yàn)完 成后，采用 DH3840 應(yīng)變放大器(動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和 DH5932 數(shù)據(jù)采集儀記錄和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)步 驟如下：(1 將試驗(yàn)前

15、制作好的花崗巖試件吊放在軌輪車平臺(tái)上，在臺(tái)面與試樣之間放置不同規(guī)格的鋼架，以隨時(shí)調(diào)節(jié)試樣高度。(2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置?；◢弾r的沖擊高度為300mm,加載波形為似正弦波，幅值設(shè)置超過試件的估計(jì)強(qiáng)度 值。因?yàn)榇嬖趧?dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，所以選擇動(dòng)載頻率和數(shù)據(jù)采樣 頻率高的數(shù)據(jù)采集/處理系統(tǒng)。(3 啟動(dòng)各加載設(shè)備，以不同能級的沖擊能來實(shí)現(xiàn)沖擊破巖的試驗(yàn)，獲得各個(gè)對應(yīng)的侵入深度、破巖 體積等，以侵入深度、破巖體積和比能耗來評價(jià)破巖效果(4 設(shè)置極限保護(hù)以保障設(shè)備安全。3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析巖石的破碎效果以破碎體積和破碎比能(即破碎 單位體積巖石所消耗的能量來度量，由表 3 的試驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算出破碎比能。破碎比能11由公式

16、(1 確定:E S=W/V(1式中:ES為破碎比能，J/mm3;V 為破碎巖石體積，mm3;W 為沖擊能量 J。而W=P u/2式中:P 為作用在刀具上的力，用 WOB 表示,N;u 為 刀具切削深度，m。沖擊載荷作用下巖石破碎深度與沖擊載荷的關(guān)系如圖 8 所示，破碎體積與沖擊載荷的關(guān)系如 9 所示，破巖比能與沖擊載荷的關(guān)系如圖 10 所示。表 3 沖擊載荷破巖試驗(yàn)結(jié)果圖 10 破巖比能與沖擊能的關(guān)系234567891011沖擊能量J深度mm體積mm3比能J/mm3備注481.461020.4750沖擊破巖631.561490.42781.91740.450.511.52破碎深度/mm圖 8

17、破碎深度與沖擊能的關(guān)系486378沖擊能/J圖 9 破碎體積與沖擊能的關(guān)系0486378100150200破碎體積/mm沖擊能 J04863780.40.420.440.460.48破巖(J?mm3沖擊能 J 8第 5 期 Numerical Simulation and Experimental Research onRock Fragme ntati on Un der Impact Load ingXIE Shi-yo ng 1,WANG Ya n-xia 2,ZHAO Fu-jun 3(1.Ga nzhou Non ferrous Metallurgy Research In stit

18、ute,Ga nzhou341000,Jia ngxi,Chi na;2.School of Electrical and Automati on Engin eeri ng,HebeiUn iversity of Tech nology,300130,Chi na;3.School of En ergy and Safety Engin eeri ng ,Hunan Uni versity of Scie nee and Tech no logy ,Xia ngta n411201,H unan, Chi naAbstract:The microstructure characteristi

19、cs cha nges in the rockarestudied by appl ying nu merical simulati onmethod.There exist a ten sile stress area and a compressive stress area in the verticaldirecti on. The middle crack spreads faster tha n the radial and lateral crack.The crack formis a triangle shape through internal stress distrib

20、ution and crack distribution map.The granite fragme ntati on experime nts un der impact load ing show that rock fracture effect can notbe drastically enhan ced by merely in crease impact load in g.There exists optimal impact energy (63Jfor rock fracture.Key words:impact load in g;rock fragme ntatio

21、n;nu merical simulatio n;experime ntalresearch從圖&圖 9 可以看出：沖擊能越大，破碎深度越大，而且增加也越快,破碎體積也 增加，但破碎體積在 63J 時(shí)增加較快；從圖 10 可以看出，破巖比能不是隨沖擊能的增加而減小，在 63J 時(shí)破巖效果最 好。這些特點(diǎn)與圖 2 沖擊能與侵深關(guān)系相一致，當(dāng)沖擊能不大時(shí)，在巖石表面只能見 到壓頭沖擊的痕跡，表現(xiàn)為圍繞壓頭邊緣的裂紋帶；繼續(xù)增加沖擊能時(shí)，在壓頭邊緣之 外就出現(xiàn)環(huán)形崩離體，隨著沖擊能的增加，崩離體的體積稍有增加，破碎體積的增加是 由于壓頭漸漸侵入深部的結(jié)果；再繼續(xù)增加沖擊能量，不會(huì)引起破碎形態(tài)明顯的質(zhì)的 變化，只有當(dāng)沖擊能量高達(dá)相當(dāng)大的數(shù)值時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)較大體積的破碎，這與數(shù)值模擬 結(jié)果也是相符的。4 結(jié)論(1沖擊載荷破巖具有躍進(jìn)式的特點(diǎn)。沖擊破碎主要適用于脆性巖石和彈脆性巖石 巖石的脆性愈明顯、愈堅(jiān)硬，巖石破碎時(shí)的載荷極大值就愈大。(2 沖擊破巖時(shí)巖石 內(nèi)部在垂直方向產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力區(qū)和一個(gè)壓應(yīng)力區(qū)，刀具下方的拉應(yīng)力最大，裂紋擴(kuò)展形成一個(gè)較穩(wěn)定的 三角形”裂紋面。裂紋首先產(chǎn)生在刀具與巖面接觸點(diǎn)上，然后 中間裂紋擴(kuò)展最快，徑向裂紋比側(cè)向裂紋擴(kuò)展要快；沖擊載荷作用下巖石內(nèi)部裂紋形成的破碎角較?。浑S著沖擊載荷的增加，裂紋分布的深度增加較快，兩側(cè)的擴(kuò)展則較緩 慢,裂紋分布的面積也