基于颗粒流模型微波辅助破岩过程数值模拟

微波辅助破岩是一种新型的破岩技术,通过微波加热预先在岩石内部产生微裂纹,然后联合其它破岩手段,可以有效提高破岩效率。以吸波的方铅矿和透波的方解石组成的岩石颗粒为研究对象,采用颗粒流程序建立了细观数值模型,对微波照射下的岩石颗粒细观物理力学应进行了模拟分析,揭示了不同微波照射条件下岩石内部温度分布与演化以及微裂纹的产生与发展的规律。研究结果表明:微波照射下,方铅矿温度明显高于方解石,岩石温度呈不均匀分布,不同矿物之间存在温差;微波照射可以使岩石在时间很短及温度较低的情况下产生微裂纹;微裂纹主要由方铅矿的热膨胀引起,微裂纹以拉伸裂纹为主,极少部分为剪切裂纹。岩石内部微裂纹的分布形态主要取决于方铅矿在岩石中的分布;微波照射时,裂纹首先产生于方铅矿周围,继而向周边的方解石内扩展,相互连通后导致岩石破裂;在消耗能量相同的情况下,微波功率越高,需要微波照射时间越短,岩石内部温差越大,产生的裂纹数量越多,破岩的效率更高。

基于连续-离散方法的微波照射下花岗岩力学行为与破裂特征

微波辅助破岩具有绿色、低能耗等优点,是有望实现深部煤炭资源开发中硬岩地层高效掘进的技术手段,其机理引发了工程与学术界的关注。基于花岗岩组分矿物微波吸收升温差异,借助连续介质微波电磁分析及离散元力学模型,实现了微观矿物温度离散赋值,提出了微波照射下花岗岩力学性质的计算分析方法,从温度场分布、力学性质和破坏形态验证了方法的可靠性,揭示了微波照射下花岗岩破裂规律、单/三轴加载条件下的力学行为及破裂机制。计算结果表明:(1)微波照射下,试样出现2个相对低温区域和1个热点区域。在低照射功率(≤2 kW)情况下,试样内部裂纹数量极少;高照射功率(≥3 kW)下,试样内部裂纹以晶粒边界拉伸破坏为主导逐渐发育,并以热点区域为中心向四周延拓形成裂纹网络。(2)对于单轴压缩,试样峰值应力、弹性模量和损伤阈值均随照射功率增加而降低,在高照射功率(≥3 kW)下,力学参数跌落更加明显;当照射功率较高(≥3 kW)时,微波照射后初始裂纹主导了受载试样的裂纹演化,试样呈现沿初始裂纹扩展趋势并出现显著的局部破坏。(3)对于三轴压缩,随照射功率增加,初始围压对试样强度提升效果越发强烈;低照射功率(≤2 kW)下,弹性模量随围压变化不明显,高照射功率(≥3 kW)下,初始围压对弹性模量的提升格外显著;随照射功率增加,围压促进了破碎颗粒的继续承载及应力传递,试样破坏由晶间破坏主导向晶内破坏主导转变,进而引发裂纹网络充分发育,抑制了高功率(≥3 kW)照射产生的局部结构集中破坏。

微波照射路径对辅助破岩效果的影响研究

从能量输入大小和快慢的角度来看,微波照射功率对微波辅助破岩效果有着显著影响。本文采用功率“先低后高”和“先高后低”两种微波照射方式,基于微波照射功率和时长,设计不同的微波照射路径,以COMSOL多物理场耦合软件为分析平台,选择伟晶岩试样为研究对象,研究在一定能量输入条件下,不同微波照射路径对微波辅助破岩效果的影响。研究表明:微波照射伟晶岩试样产生的塑性区面积最大的矿物是绿泥石,其次是斜长石和正长石;在伟晶岩试样中,采用“先低后高”的照射方式比“先高后低”的照射方式能产生更高的温度、应力以及更大的塑性区面积,破岩效果更好。

微波照射下岩石的升温与破碎特性研究

为论证微波辅助破岩过程中岩石的升温破碎理论,选取玄武岩作为岩石试样,对不同微波功率和照射时间下的岩石试样进行了5组微波照射试验,获得了岩石表面的温度分布和破碎状态。利用COMSOL多物理场建模软件进行仿真模拟,研究岩石内部的电场和温度场分布,揭示岩石的破碎机制。试验结果表明,随着微波发射功率和照射时间的增加,岩石表面的温度、破碎面积、破碎点深度、裂缝数量和裂缝长度均有所增加。模拟结果表明,微波由喇叭天线传递至岩石上表面时电场强度急剧降低,岩石内部电场强度整体呈倒锥形分布;微波照射下的岩石破碎损伤主要与电场强度有关,电场强度的强弱导致不同部位能量密度分布不均匀,进而引起温度梯度变化,产生不同的热膨胀,导致破碎损伤的发生。岩石的破碎损伤演化分为3个阶段,根据岩石试样升温过程进行数学模型回归分析发现,微波发射功率对温度特性的影响更为显著,当微波照射功率为26.645 kW时,微波能在极短的时间内使岩石达到破碎损伤状态,照射效果最佳。

微波辅助机械破岩试验和理论研究进展

微波辅助机械破岩是微波加热技术和机械破岩技术相结合的一种混合型破岩方法。岩石内不同矿物成分对微波能具有不同的吸收特性,各矿物不同的热膨胀产生的内应力使岩石内发生沿晶断裂和穿晶断裂,使试样产生损伤和微裂纹,这会引起岩石强度的降低。辐射功率和辐射时间是影响岩石力学特性的重要参数,一定功率的微波辐射处理后,试样的点荷载强度、单轴抗压强度和抗拉强度发生显著降低,微波功率越高,辐射时间越长,对试样强度的折减效果越明显。数值研究结果与试验研究结果基本一致,增加功率的同时降低辐射时间对试样强度折减具有更好的效果。岩石点荷载强度、单轴抗压强度和抗拉强度的降低能够显著提高机械破岩设备刀具的侵入率和刀具寿命,解决机械刀具的磨损问题。微波辅助机械破岩对钻孔、TBM掘进和实现金属矿矿岩连续开采都具有重要影响作用。

微波加热技术对隧道开挖过程中的硬岩破碎影响研究

针对以往微波辅助破岩的不足之处,使用铜箔将页岩进行包裹,然后对处理过后的页岩进行不同时间的微波照射试验、单轴压缩试验,分析并比较微波作用下不同时间的试件裂纹、强度和弹性模量变化。结果表明,微波对岩石的劣化作用与微波照射时间呈正比,但其作用效果将会逐渐下降;在相同微波照射情况下,与未使用铜箔包裹的试件相比,使用铜箔包裹的试件并不会直接发生破坏,而会保留一定的强度;微波对岩石的劣化作用随着微波作用深度逐级递减。研究成果可为试验研究和工程中微波辅助破碎硬岩的应用提供参考作用。

岩石介电特性及微波加热升温规律分析

微波辅助TBM破岩是一种非常有潜力的提高硬岩隧道破岩效率的新型破岩技术。为研究常温和高温条件下岩石对微波的吸收能力,采用同轴传输/反射法测试原理设计了一套变温岩石介电特性测试系统,采用该系统对隧道施工中玄武岩、砂岩和花岗岩3种常见岩石进行了实验。结果表明:该系统能够准确地测量变温条件下岩石的介电特性,工业频率对岩石介电特性参数的影响不大,温度对岩石介电特性参数有一定的影响;常温和变温条件下,3种岩石介电常数虚部ε″和损耗正切tanθ的关系均为玄武岩>砂岩>花岗岩,3种岩石微波加热的升温规律和介电特性的规律保持一致;对岩石进行介电特性测试和升温规律分析,提前预判岩石对微波的吸收能力,可选择性地对具有良好微波破岩效果的隧道实行微波辅助机械破岩。

微波照射下岩石损伤细观模拟分析

为了研究微波照射下岩石内部的损伤过程,以岩石颗粒为研究对象,岩石颗粒由吸波的黄铁矿和透波的方解石所组成,大小为1 mm×1 mm,采用有限差分法对微波照射下岩石颗粒的屈服分布及演化进行计算分析,计算考虑了微波照射时间和黄铁矿晶体大小的影响。研究结果表明:在微波照射下,岩石颗粒既有拉伸屈服也有剪切屈服,在照射过程中,岩石颗粒的屈服面积不超过总面积的5%,但随着照射时间的增长,可在岩石颗粒内部形成贯通的发散状屈服带,这将大幅的降低岩石颗粒的强度;在相同条件下,黄铁矿晶体的大小决定了岩石颗粒的屈服类型,晶体小以剪切屈服为主,晶体大的以拉伸屈服为主,晶体大的颗粒更易形成贯通的沿晶屈服带。

三角形矿物尖锐程度对微波照射岩石效果的影响

微波照射岩石损伤的过程十分复杂,岩石内部矿物形状的尖锐程度差异会对微波照射岩石的损伤效果产生影响,本文以岩石中广泛存在的三角形矿物为研究对象,针对5种含不同尖锐程度三角形矿物的试样,采用COMSOL多物理场仿真分析软件,建立二维二元介质矿物模型,对微波照射后矿物试样的电磁场、温度场、应力场及塑性区发展过程进行分析研究。结果表明,试样的电磁场不随三角形矿物尖锐程度的改变而发生显著的变化,但其中心最高温度和温度梯度峰值随尖锐程度的降低而增大;随微波照射时间增加,越尖锐的三角形矿物试样第一主应力峰值越大,且第一主应力因形状尖锐程度不同而导致的差异逐渐增大;越尖锐的矿物试样塑性区发展面积越大,其形态特征差异随照射时间的增加愈加明显;微波照射尖锐程度较高的三角形矿物对岩石损伤的效果更好。

微波处理玄武岩强度的SPH-FEM耦合算法模拟

微波预处理弱化岩体强度,进而降低机械破岩过程中的钻头/刀具磨损、提升凿岩效率已经成为一项极具前景的技术。为探究数值模拟参数对岩石静强度模拟结果的影响,并为后续钻凿或岩石切割模拟确定合理的微波处理玄武岩数值力学参数,采用光滑粒子流体动力学与有限元耦合算法(SPH-FEM)构建岩石单轴压缩与巴西拉伸数值模型。为减小微波损伤对岩石强度测试误差的影响,采用线性莫尔-库仑理论对相同微波参数下微波处理玄武岩试样的黏聚力和内摩擦角进行标定。在单轴抗压与巴西拉伸模拟过程中开展SPH关键控制参数的敏感性分析,并根据同一组校核后的黏聚力和内摩擦角数据,在数值实验中同时捕获目标抗压强度与巴西拉伸强度,单轴抗压强度数值模拟结果与试验结果吻合较好。此外,结合数值模拟结果评估微波辐照参数对玄武岩力学行为的影响。

微波照射下矿物升温特性与岩石弱化效果研究综述

随着经济的快速发展,工程领域面对坚硬岩石的情况越来越多,传统机械开挖方式的效率和经济性难以保障,而微波辅助破岩具有较好的工程应用前景。岩石是由不同矿物组成的,不同矿物对微波的敏感程度不同,其敏感程度与矿物的族类、晶型和铁元素含量有关。当岩石处于微波场中时,不同敏感性矿物间的差异性膨胀能够在矿物边界和内部产生热应力,从而有效弱化岩石。影响岩石弱化效果的主要因素可分为微波条件和岩石条件两大类。一般而言,岩石强度随着微波功率与照射时间的增加而降低;相同能量条件下,高功率短时间的微波照射能够产生更好的弱化效果。岩石所含矿物的微波敏感性越高,敏感矿物的颗粒尺寸越大,及含量适当时,微波照射岩石的弱化效果越好;含水状态的岩石受到微波照射后,能够比干燥状态产生更大的损伤。微波的热效应有时还会使岩石中的矿物发生较大的物理或化学变化,进而对其升温特性及弱化效果产生影响。面照射试验表明微波能使大尺寸岩样在照射区域产生放射状裂纹,从而有效降低岩石强度,提高破岩效率。

微波照射下火成岩升温特性和升温预测模型研究

微波辅助破岩可有效降低刀具磨损,提高破岩效率,具有广阔的发展前景。文章选取了10种火成岩进行微波加热试验,发现岩石的升温速率主要与岩石所含矿物的种类、含量,及岩石中的Fe元素含量有关。岩石所含矿物越敏感、含量越多,岩石中的Fe元素含量越大时,其升温速率越高。整体而言,火成岩中基性岩的升温速率最高、中性岩次之、酸性岩最低,该现象与火成岩的矿物和元素组成规律有关。在试验研究的基础上,文章提出了岩石升温预测模型。该模型除考虑了矿物种类和含量的影响外,还考虑了与升温有关的比例修正系数和结构修正系数。在升温预测模型中,敏感矿物升温的比例修正系数大于1,且随含量的增加而降低,最终趋向于1;非敏感矿物升温的比例修正系数小于1,且随含量的增加而增加,最终也趋向于1。同等条件下,块体的升温速率是粉末的2~3倍,且基性岩升温的结构修正系数大于中性岩和酸性岩。

热力学参数对微波照射下不同矿物温度与应力分布影响的数值研究

微波技术在矿物分离以及辅助破岩方面具有良好应用前景,但岩石热力学参数对其作用效果影响如何,还不明确。基于此,以黄铁矿与方解石为研究对象,采用数值模拟的方法研究了热传导率和膨胀系数对微波照射后模型温度与应力分布规律。研究发现:(1)随着热传导率的增大,模型整体温度呈下降趋势,最大拉应力位置由模型边缘向接触部位转移;(2)随着方解石热膨胀系数的增大,黄铁矿从受压变成受拉状态,方解石从单一受拉变成拉压并存状态;(3)在达到同等应力水平情况下,微波功率密度越大,能源消耗越少。该研究对了解微波诱发岩石损伤的机理、在矿物分离以及褶皱岩层中的应用具有一定意义。

微波加热路径对硬岩破碎效果影响试验研究

不同的微波加热方式会对岩石产生不同的加热效果,功率和时间是影响破岩效果的2个重要参数。对立方体和标准圆柱形玄武岩试样进行了3种加热路径下的微波辐射试验,并对辐射前后的试样进行P波波速和单轴压缩强度测试。结果表明,当试样内产生的热应力先超过岩石的强度极限时,试样就会崩开破坏;当试样温度先达到岩石熔点时,试样以熔化为主。采用高功率微波连续加热岩石,试样在较短时间、较低温度就发生崩开破坏,试样在崩开前波速和单轴压缩强度发生了显著降低,且功率越高,试样崩开的时间越短,波速和强度折减的越快。因此,采用高功率微波连续辐射岩石,借助于其产生的热应力使岩石崩开破碎的特点,可显著降低岩石破碎时的能量消耗,这对于微波单独应用于开采中的破碎工艺及辅助机械破岩掘进等具有重要意义。