巖石破碎功、堅(jiān)固性系數(shù)、強(qiáng)度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究_圖文

1、第30卷第6期重慶建筑大學(xué)學(xué)報Journal of Chongqing Jianzhu UniversityV0130No62008年12月Dec2008巖石破碎功、堅(jiān)固性系數(shù)、強(qiáng)度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究郭臣業(yè)1，鮮學(xué)福1，吳軒洪1，姚偉靜1，張昌勇2(L重慶大學(xué)西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030；2永榮礦業(yè)有限公司永川煤礦生產(chǎn)科重慶永川402194摘要：為了探索巖石突出等地下工程災(zāi)害中的巖石破碎功能關(guān)系，以巖石破碎理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行了不同巖石的破碎和堅(jiān)固性搗碎實(shí)驗(yàn)、破碎粒度篩分分級實(shí)驗(yàn)、巖石單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。通過對不同巖石的堅(jiān)固性系數(shù)與破碎比功和單軸抗壓強(qiáng)度等實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行

2、了回歸，分析了三者之間的關(guān)系。研究表明，巖石堅(jiān)固性系數(shù)與巖石破碎比功、巖石單軸抗壓強(qiáng)度之間線性相關(guān)，同時驗(yàn)證了巖石破碎功能關(guān)系符合裂紋學(xué)說。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對計算巖石動力災(zāi)害中的巖石破碎所需能量提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：巖石破碎；破碎功；巖石破碎比功；裂紋說；堅(jiān)固性系數(shù)中圖分類號：TD2311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1006-7329(2008060028-04The Relationship among Rock Crushing Ener9the ProtodyakonoV Coefficient and Rock StrengthGUO Chenyel，XIAN(1KeyLaborato

3、ryXue-ful，WUofXuanhon91，YAOWei-j in91，ZH ANGChangyon92for ExploitationSouthwestern Resources and Environmental Disaster ControlEngineering，MinistryofMine，YongrongEducation，ChongqingUniversity，Chongqing400030，PRChina；2ProductionDepartment of Yongchuan CoalMining Industry Co，Ltd，Yongchuan，Chongqing402

4、194，PRChinaAbstract：Tostudy the relationship between the power and energy of rock crushing in underground engineering disasters，suchasrock outbursts，experimentswere doneselectivegrindingprocessesononthe crushing and the Protodyakonov coefficient of accordingtodifferent rocks，theclassifiedparticlesiz

5、e，andthe uniaxialcompressive strengthThiswork was based coefficient，specificcrushing energy and rock crushing theoryTherelationship among ProtodyakonoVuniaxial compressive strength of different rocks was studied usingaregression analysisTheresults show that the Protodyakonov coefficient of specific

6、crushing theory andcanrock iS linearly dependenttoonrock-energyand uniaxialcompressive strengthSucharelationship correspondsthe crackingbe used for further researchKey words：rockcrushing；crushingenergy；rock-specificcrushing energy；crackingtheory；Protodyakonovcoefficient在有關(guān)巖石在沖擊載荷條件下破碎程度與其功能轉(zhuǎn)換關(guān)系研究方面，

7、人們發(fā)現(xiàn)，巖石類材料在沖擊載荷作用下的能耗、巖塊數(shù)量、粒度、，值問有著數(shù)量關(guān)系¨。上個世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外一些學(xué)者L2_j從煤與瓦斯突出理論角度對煤的破碎功進(jìn)行了研究，開辟了破碎功研究的先河。巖石破碎功的研究對于防治巖石突出等地下工程災(zāi)害的研究有重要的理論意義，但國內(nèi)外對此研究較少【5-6，本文擬對此做初步探索，尋找出巖石類材料破碎功、堅(jiān)固性系數(shù)、巖石強(qiáng)度之間的關(guān)系。l破碎功學(xué)說描述巖石材料破碎粒度與破碎功的關(guān)系主要有三種學(xué)說，即PRRittingerde新表面說、GKick的相似說和FCBond的裂紋說1。11新表面說新表面說認(rèn)為物體破碎前后，有所區(qū)別的只是增加了新的表面，而獲

8、得新表面所需之能和破碎功成正比。由于幾何相似固體顆粒體積與其線性尺寸的立方*收稿日期；20080612基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)研究摹金創(chuàng)新群體(506211403；重慶市科技公關(guān)計劃項(xiàng)目(CSTC2006AA7002作者簡介：郭臣業(yè)(1980一，男，蓐慶大學(xué)博士研究生，主要從事礦山巖石力學(xué)與工程等方面的研究。(Emailqiha0001yahoocomcn鮮學(xué)福(聯(lián)系人，男，中國工程院院士博士生導(dǎo)師。(Emailcqdxcqueduca第6期郭黢業(yè)，等：巖石破碎功、堅(jiān)嘲性系數(shù)、強(qiáng)度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究29成正斃，聰西積與線性足寸的平方成芷斃，所以單位體積所具有盼表面積與其幾何尺專成反比。新表瑟學(xué)說認(rèn)為

9、破碎比功為WKR·(1d一1D，KR是取決于巖樣性質(zhì)和破碎方式的常數(shù)，D是巖樣原始塊度，d是巖樣酸碎籍塊度。12相似說認(rèn)為同一種巖石破碎時不論其大小如何，其應(yīng)力分布、破碎樣式和破碎矮的塊度是相似的。即巖樣在外載荷作用下達(dá)劐晦界值時，破碎成小塊的破碎沈是一定的。相似說認(rèn)為破碎比功為W=KK·(19(1d一lg(1D，KN是取決于崧樣性質(zhì)和破碎方式的常數(shù)，D是巖徉源戇塊度，d是者徉破碎痞塊凌。13裂紋說裂紋說考慮了巖石中隱藏的鋸種裂紋，認(rèn)為巖石玻碎斃功成為WK8·(1婦一lD，K囂怒取決于巖樣性質(zhì)和破碎方茹：的常數(shù)，D是巖樣原始塊度，矗是巖樣破碎后塊度。上述三種學(xué)說都

10、從某一個焦度髕釋了破碎過程的蕖一階段。西積學(xué)說袋注意了新生表面積所需要能量，而忽視了物料破碎前先出現(xiàn)變形和實(shí)際中物料是非均質(zhì)的。體積學(xué)說妖考慮了破碎時的變形能，沒有考慮到薪壘表露積靜增加。裂縫學(xué)說介予面積學(xué)說與體積學(xué)說之間，提出破碎功耗與粒度的集合平均值增量成比例。裂紋學(xué)說是根據(jù)實(shí)際資料整理出的經(jīng)驗(yàn)公式，具有一定的適用范豳。2巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、堅(jiān)圈性系數(shù)、破碎功的實(shí)驗(yàn)研究21單軸挽運(yùn)強(qiáng)度測試實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)以美國生產(chǎn)的MTS815電液伺服囊看試驗(yàn)系統(tǒng)作為動力設(shè)備，載荷采用安裝在該材料機(jī)上的荷重計測定，試件變形采用MTS附帶的引串計和環(huán)向鏈條濺定，實(shí)驗(yàn)糟巖石蠹灰?guī)r和棕灰色砂巖(其物穰力學(xué)參數(shù)見表1。

11、本實(shí)驗(yàn)時用濕式加工法將所采集的巖樣加工成tP50mm×100mm的圓柱體試件，其加工精度滿足國際巖囂力學(xué)學(xué)會建實(shí)驗(yàn)規(guī)范73翻要求，加工成壅使其自然干燥狀態(tài)后作蜜驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測得鹽井灰?guī)r、白馬隧道灰?guī)r和犬坪砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度列入表1。表l表蠢榜耩耱瑾秀攀參數(shù)萬方數(shù)據(jù)2。2堅(jiān)固性系數(shù)廠測試實(shí)驗(yàn)先將者樣破碎成1520mm碎塊，稱取制備好的試樣50g為份，每5份為一組，共稱取3組。搗碎測試裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時將搗碎筒放置水泥地板上，放入試件一份，將2。4艇重錘提高到600mm離度，使其自由落下沖擊試樣，每份沖擊三次，把5份搗碎后的試樣裝在同一容器中。然后把每組搗碎后的試樣一起倒入孔徑05rnl

12、'n分樣篩中篩分，端平分樣篩輕篩，篩動麟度約200mm，篩至本褥瀑下巖粉為覽。最后，撼精下的粉末用漏斗裝入計餐筒內(nèi)，輕輕敲打使之密實(shí)，再輕輕插入具有刻度的活塞尺與筒內(nèi)粉米面接觸，在計量筒秘相平處讀數(shù)jL。沖擊次數(shù)起取lo。重復(fù)上述步驟測巖粉高度毛。堅(jiān)固性系數(shù)的詩算采焉：f一20nL(1式中產(chǎn)蟋固性系數(shù)；村一試樣沖擊次數(shù)；L一試樣篩下巖粉計量菇度。巖樣的鰲固性系數(shù)測定結(jié)果也羅ll入表l。23破碎功測試實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)在圖l所示的裝置上進(jìn)行。落錘質(zhì)最m=2。4kg，沖擊高度h一600mm。搗翻敖在堅(jiān)硬酶承泥底板上，落錘施加予巖樣上的功按群一mghn計算，單位質(zhì)量巖樣的破碎功AmghnG，破碎后產(chǎn)生

13、單位新表面積所消耗的功，即破碎比功：Wmgh6s(2其中a為巖樣的破碎功，J；A為單位質(zhì)量巖樣的破碎功，Jg；W為破碎比功，J(g·m2；竹為落錘沖擊次數(shù)；G為實(shí)驗(yàn)巖樣總質(zhì)璧，g。測定巖樣質(zhì)量為50g。破碎前巖樣塊度秀15"-"20mm，秀了計算破碎詹巖樣產(chǎn)生的新表面積和折算直徑，將已破碎巖樣用符合國家標(biāo)準(zhǔn)GBT600311997的金屬絲編織網(wǎng)篩分，選用孔徑為10mm，4。75(4曩mm，2。36(8目mm，l(16弱ram，0。55<30目mm，025(60爨mm，0096(160因mm規(guī)格的篩子進(jìn)行組分粒度分析。為了保證精密性，篩分組分重量用分析天平稱重

14、。由于0。096mm以下粒度的巖粉對表瑟援計算結(jié)聚影響較大，故采麗粒度分析儀進(jìn)行粒度分析。其他塊度粒徑計算用倒數(shù)加權(quán)平均值法1，計算公式：計量篝圖I堅(jiān)固性系數(shù)測試裝置30重慶建筑大學(xué)學(xué)報第30卷d。=G：芋一“f(3式中，以為折算直徑，mm；G必巖樣的質(zhì)餐，50g；G為每一粒級的巖樣質(zhì)量，g；d，為每一粒級巖樣的平均直徑，mm。新增表面積計算公式8：S一60G(r·d。(4式中，S為破碎后巖樣新增表面積，cm2；r為巖樣密度，gcm3。巖檬粒發(fā)折算壹徑。在0。096mm 1：2下巖石破碎粒度組分對應(yīng)的重量吾分比很奪，襁其表囂積在巖攆破碎盾灝增表面積中占很大比例。因此我們利用美國Mic

15、rotra公司生產(chǎn)的$3500激光救艘分析儀(見圖2測試上述組分粒徑范圍的折算直徑。$3500激光粒度分析儀采用靜態(tài)光散射技術(shù)和全程米氏理論處理，利用模塊式設(shè)計理念，使用三激光光源技術(shù)，引進(jìn)“非球形”顆粒概念對米氏理論校正計算，確保顆粒粒度分布測試的準(zhǔn)確性。在測算折算直徑時，不闋篩分組分的每份樣品測試3次，取測試值的平均德攆勢折算壹徑。纓粒度器祥的折算直徑覓表2。爨2Microtra$3500激競粒凌分耩儀表201mm纓粒度巖樣Microtra$3500分耩結(jié)巢折算直徑“m巖樣3次6次9次12次15次18次鹽井灰?guī)r20Ol20001986192218131719自瑪隧道灰?guī)r19。9719591

16、89018S618231788火埒砂巖3598355635063463342034。123實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析31辮右破碎功與各個學(xué)說酌符會程度表3是巖樣的破碎功與各學(xué)說符合程度的分析結(jié)果。其中，y是相關(guān)系數(shù)。表3表明，裂紋學(xué)說的y平均值為09900，新表面能學(xué)說的y平均值為09783，相似學(xué)說的y平均值為09722，即破碎功A與l屆基本在一條直線七，與1d稍差，留z廖(Id-d最差。因此可以認(rèn)為，裂紋學(xué)說最適合予攢述囂石的破碎，破碎時所消耗酶功與巖樣1d戒正斃。裘3老石破碎臻與各學(xué)說懿褥灸獠震32裝樣破碎沈功、堅(jiān)固性系數(shù)、革軸抗壓強(qiáng)凌的關(guān)系破褡吃功是搖襞碎后產(chǎn)生單位毅凌瑟積所滿耗酶功，它與玻碎比密切

17、相關(guān)。按照公式(3、<4>計算出折算贏徑和新增表面積，計算結(jié)果見表4。根據(jù)表l可知，隨著蟶固性系數(shù)，的減小，巖樣的破碎比功也減小。因此，破碎比功是反應(yīng)巖石抵抗外力破碎的重要指標(biāo)。根據(jù)破碎比勸的意義，回歸時強(qiáng)制逼近到零點(diǎn)(見圖3，則兩者的線性關(guān)系為W一0ZS5f(，=09795。關(guān)于巖石單軸抗援強(qiáng)度與堅(jiān)因性系數(shù)的關(guān)系，凌學(xué)者認(rèn)為兩者是線健美系，也有學(xué)者玖為兩者是二次關(guān)系嘲，根據(jù)表l中酶單轆撬筮強(qiáng)度值纛堅(jiān)匿性系數(shù)，圈l懿穗線性關(guān)系睦線(見湖3為拶一19。078f+18。361(y一09843，有很高的線性相關(guān)性。口=669409W+183610，即巖石單軸抗壓強(qiáng)度和巖石破碎比功之間有a

18、=k。·W+bo(尼。，60為常數(shù)的線性關(guān)系。表4巖樣破碎比功計算列凝。；，：譬12擎I器：04o：|t蓑碎汔璃專，懿莢系 鬻b醣的o|b單軸抗壓強(qiáng)度與，的關(guān)暴露3玻終邀凌、單輟抗基強(qiáng)度與煤堅(jiān)黧熬系數(shù)瓣關(guān)系第6期郭臣業(yè)，等：巖石破碎功、堅(jiān)固性系數(shù)、強(qiáng)度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究314結(jié)論巖石和瓦斯突出國外資料匯編重慶：科技文獻(xiàn)出版社重慶分社，1980：55-59通過以上實(shí)驗(yàn)分析，可以歸納出以下主要結(jié)論：5趙伏軍，李夕兵動靜載荷耦合作用下巖石破碎理論分析1巖石的破碎符合裂紋學(xué)說，破碎時所消耗的邦及試驗(yàn)研究J巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(8：13151320德功與破碎后巖樣的1d成正比。即破碎

19、巖石時，外ZHAOFu-jun，LIXibingTheoreticalanalysisand力首先使巖石塊產(chǎn)生變形，當(dāng)外力超過某個極限值時，experimentsofrockfragmentationundercoupling巖石就產(chǎn)生裂紋而破碎成許多小塊。dynamic and static loadsJChineseJournal of Rock 2巖石破碎比功、單軸抗壓強(qiáng)度與巖石的堅(jiān)固性Mechanics and Engineering，2005，24(8：13151320系數(shù)成正比。6李國華，陶興華動、靜載巖石破碎比功實(shí)驗(yàn)研究J巖3巖石破碎比功、單軸抗壓強(qiáng)度符合a=k。·W+

20、石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(14：24482454b。(忌。，b0為常數(shù)的線性關(guān)系，反映出巖石強(qiáng)度與破碎LI Guo-hua，TAOXinghuaTestingstudy oncrushing功的內(nèi)在聯(lián)系。workratio ofrockunder dynamic and static loadJChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，參考文獻(xiàn)：2004，23(14：144814547國際巖石力學(xué)學(xué)會巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)建議方法M北京：I-1徐小荷，余靜巖石破碎學(xué)M北京：煤炭工業(yè)出版煤炭工業(yè)出版社，1982社，19848蔡成功，王佑安突出危險和非危

21、險煤沖擊破碎時煤的破2蔡成功，熊亞選突出危險煤破碎功理論與實(shí)驗(yàn)研究J碎功試驗(yàn)研究J煤礦安全，1988(7：1318煤炭學(xué)報，2005，30(I：63-69CAIChenggong，WANGYou-anExperimentalstudyonCAICheng-gong，XI(NGYa-xuanTheoreticalandimpactcrushingenergyofoutburst-proneness andnonexperimental study oncrushingenergyof outburstpronenessoutburst-proneness coalJSafetyinCoalMin

22、es，1988coaIEJJournalofChina Coal Society，2005，30(1：63-69(7：13-183文光才煤的沖擊破碎J煤炭工程師，1995(5：8-119東北工學(xué)院采礦系井巷教研室論我國巖石分級M北WEN GuangcaiImpactcrushing of coalJChinese京：煤炭工業(yè)出版社，1959Coal Engineer1995(5：8-114A·A·BOPHCEHKO，等突出時煤的破碎功G煤、(編輯陳蓉(上接第27頁范大學(xué)中國現(xiàn)代城市研究中心，2006參考文獻(xiàn)：9培根城市設(shè)計M黃富廂，米琪，譯北京：中國建筑工1PERLOFF&

23、#183;HARVEY·&Usingthearts toimprove life in業(yè)出版社，1989thecityJJournalof Cultural Economics 1979(3：1-210黃光宇山地城市學(xué)M北京：中國建筑工業(yè)出版2CRAIG·DREESZENTheCommiunityCultural社，2002PlanningHandbookMWashington，DC：Americans11朱思孝人化的自然的美學(xué)意義J文藝研究，2005for the Arts1997(6：40443吳良鏞國際建協(xié)第20屆大會：北京憲章z北京，1999ZHU豁xiao

24、Theaestheticsignificanceof“Personified4朱希祥當(dāng)代文化的哲學(xué)闡釋M上海：華東師范大學(xué)Nature”JLiteratureand Art Studies，2005(6：40-44出版社，200612王公山活態(tài)文化的保護(hù)與可持續(xù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展J集團(tuán)經(jīng)5苗陽我國傳統(tǒng)城市文脈構(gòu)成要素的價值評判及傳承方濟(jì)研究，2006(13：278-279法框架的建立J城市規(guī)劃學(xué)刊，2005(4：4044WANGong-shanThecontinuity of the urbancontextMIA0YangResearchonassessments and inherimneeJGroupEconomics Research，2006(13：278279method ofChinese traditional urban contextual constitutona13吳云朋論城市文脈的傳承J現(xiàn)代城市研究，2007JUrbanPlanningForum，2005(4：40-44(9：67-736凱文