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动静载荷耦合作用下岩石破碎理论分析及试验研究

作者:admin来源:中国制砂机网 日期:2015-9-12 10:49:30 人气: 标签:

  根据破岩机具和破岩原理可将机械破岩分为冲击、切削和冲击-切削3种方式。相应地,破岩机械可分为切削机(如煤电钻、刮刀切割破碎型截煤机、掘进机和圆盘锯机等)、冲击机(如凿岩机、潜孔钻机和钢丝绳冲击钻机以及碎石机等)、冲击回转机(如各种类型的牙轮钻机和全断面井巷钻机等)3类。然而,综观国内外有关,不难发现已经开展的各种破岩试验,不外乎是单一静态或动态试验,并且主要是围绕单一压入或冲击载荷下的岩石破裂特征及其相应的最优加载参数展开的,很少有耦合动静态的试验研究,特别是冲击-静压切削试验研究则更少。因此,开展这项研究对于丰富岩石破碎学理论,推进破碎新技术的发展将具有十分重要的意义。

  2岩石断裂破碎分析2.1断裂形态分析压头凿入脆性硬岩的研究结果表明,弹塑性凿入时一般在压头下方形成一个密实核,并产生径向、中间和侧向裂纹,如所示。中间和径向裂纹往往连通在一起,有时称之为中间、径向裂纹,如中虚线半圆所示。侧向裂纹一般在卸载过程产生并扩展;中间裂纹产生于加载过程,在卸载过程部分弹性恢复;径向裂纹有时产生于加载过程,有时出现在卸载期间,但不论何时产生都在卸载过程继续发展。

  岩石断裂形态2.2破碎力学分析2.2.1动静载荷耦合凿入力学分析凿入微分方程的一般形式为波阻力,P(t)为压头中的入射波,K为凿入系数。

  将动静耦合加载条件,即m言代入式(1),解得Y=m2/MK,为无量纲量;M为冲锤质量;P为静压力。

  将式(3)代入式(2)得最大耦合凿入力Pm为若为纯冲击,则最大耦合凿入力Pm为当Y>1时,式(6)中中括号内为大于1的数,Y/(Y―1)大于1,则Pm/Pm0>1;当Y<1时,式(6)中中括号内为小于1的数,Y/(Y-1)为负数,则Pm/Pm>1.因此,最大耦合凿入力Pm随静压力P)增大而增大。

  2.2.2中间、径向裂纹长度与耦合凿入载荷的关系文用半理论半经验的方法得到了中间、径向裂纹长度C与载荷P的关系为函数。

  将中间、径向裂纹作为平面问题来考虑,把动赵伏军等。动静载荷耦合作用下岩石破碎理论分析及试验研究静耦合作用下的组合应力场分解为可恢复的弹性场及卸载后在岩石中仍存在的残余场,两场迭加,则由式(7),(8)得(加载)=K.(卸载)则其中,C=为为被侵入体动态硬度。

  式(15)表明压头动态侵入时中间、径向裂纹长度与冲锤质量和冲击速度的关系,说明冲锤质量越大,产生的中间、径向裂纹越长;反之则短。同样,冲锤速度越大,中间、径向裂纹越长,破碎深度越大,破岩效果愈好。

  2.2.3侧向裂纹长度与凿入载荷的关系试验说明侧向裂纹是在压头卸载时扩展的,因而残余应力起主要作用。文提出了一个分析侧向裂纹的模型,如所示。

  假定侧向裂纹如所示分布,平行于自由面,忽略中间、径向裂纹的形成及多层开裂的出现对问题的影响,得到平衡状态下侧向裂纹长度Cl与侵入载荷P的关系为由。由破碎岩石结果可知:动静耦合破岩的深度和破碎体积随静压增加而增加,破岩比能则随之减少;同样,冲击能的变化对耦合加载破岩效果也有着与静压类似规律,随冲击能增加,破岩深度和破碎体积相应增加,破岩比能随之下降。

  3.3.2动静耦合载荷作用下切削破岩试验结果对花岗岩进行冲击-静压切削破岩试验,得到不同组合加载模式下的花岗岩切削深度与冲击间距的关系曲线如所示。由可知:冲击间距、静压和冲击能大小的改变,对花岗岩的切削效果有着显著影响。当设定冲击能为48J,分别以1 2100,3300N的静压破碎岩石时,冲击-切削破赵伏军等。动静载荷耦合作用下岩石破碎理论分析及试验研究。1319. 1Q | | | |赖海辉,朱成忠,李夕兵等。机械岩石破碎学。长沙:中南工业大学出版社,1991.张宗贤,寇绍全。固体力学中侵入问题的若干新进展。力学进展,1992,22(2):183-193.(ZhangZongxian,Kou寇绍全,张宗贤,愈洁。压头侵入引起的岩石断裂。岩石力学屠厚泽,高森。岩石破碎学。北京:地质出版社,1990.63-80.(Tu

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