动静载荷耦合作用下岩石破碎理论及试验研究

摘要

机械破碎岩石是一种连续、安全、高效的破岩方法。该方法在采矿、岩土等工程应用中日益凸现出巨大的优越性。为了扩大这种方法的应用领域，世界各国正围绕着硬岩的高效机械破碎展开深入的研究。然而，过去的理论与试验研究主要集中在单一静载荷或冲击载荷下的岩石破裂特征及其相应的最优加载形式上，针对动静载荷耦合破岩的研究则很少，而且始终未能解决好硬岩动静组合致裂破碎以及具有多种破岩模式的装置问题。本文正是基于上述问题对动静组合载荷耦合破岩进行了理论分析和试验研究。 在总结分析单一动态和静态破岩特征的基础上，应用类似于单一载荷破岩的载荷—侵深、载荷—比能等特征曲线和力学分析方法，探讨了动静耦合加载能提高破岩效果这一思路的可行性；提出了应用上述特征曲线确定适用组合载荷下岩石致裂的合理动静载荷观点。根据机具下岩石损伤断裂特征，探讨了动静加载条件下的裂纹始裂和扩展能量、累积损伤与冲击次数关系以及不同动静耦合载荷对岩石损伤断裂裂纹长度、破岩体积等的影响，为开展动静态耦合破岩试验研究奠定了理论基础。 根据机具动静载荷耦合破岩的试验原理与方法，自行设计研制了一台多功能动静态载荷耦合破岩试验装置，其动态加载系统可实现变能级、变频率、变速度冲击，静载泵压系统可从垂直、水平方向进行不同大小的加载，刀头夹具装置可安装单刀、多刀以及各种不同类型的刀具，测试系统采用先进的数据采集处理技术可对动、静态参数进行量测和处理。该系统的成功研制对于研究多种加载模式下的岩石破碎特征及其规律具有重要意义。 借鉴单一静载荷或冲击破岩试验的研究成果，确定了动静耦合载荷破岩试验方案和试验参数；分析了静压切削和冲击切削过程，建立了切削力学模型；通过单一动、静载和耦合载荷的破岩试验，结果表明动静载荷耦合可明显提高破岩效果，在破裂深度与破碎体积等方面比单一冲击或压入具有明显的优势。不同的动静载荷耦合存在不同的破岩比能，合理选取动静载荷的比值，可使破岩比能最小，破碎效果达到最优。 根据冲击静压耦合切削破岩的试验研究，探讨了冲击点间距、切削深度及其比值R对切削破岩比能耗Es的影响及规律。试验结果表明，R和Es呈一定形态分布，将R控制在一定的范围内，可使冲击切削破岩达到良好的效果；冲击点间距与切削深度的最优比值Ropt可以通过收集和量测剥离下来的岩屑，计算破碎块的平均长度与平均厚度之比值Rv，由Ropt=Rv/2确定。 设计和选用了平端式PDC(PolycrystallineDiamondCompact)刀具和YG15硬质合金刀具作对比试验，发现PDC刀具在硬岩破碎中出现三种脆裂破坏形式，硬质合金刀具则磨损破坏比较突出。运用应力波理论、弯曲波能量和信息熵理论综合分析了刀具的破损机理，得出了冲击应力波的幅值、入射角(刀具侵入角)、刀—岩接触间隙以及在接触面的多次透、反射造成加载—卸载—再加载周而复始的循环，对破岩效果和刀具破坏有很大的影响；建立了切削刀具的弯曲波能量分析式，所得结论与实际结果相符合。 实测了岩石破碎过程中的动、静态信息，分析得出了岩石破碎效果与信息熵有着密切关系，获得了提高破碎效果就要增加刀具破岩信息熵的结论。而增加信息熵，又将使刀具承受更大的损伤破坏。因此，在实际破岩工作中，必须解决好提高破岩效果和减少刀具破坏这对矛盾。研究表明：动静耦合加载可以发挥不同加载机能的综合优势，增强破岩信息熵，提高破岩实效。 综上所述，动静载荷耦合破岩是硬及特硬岩高效破碎且有开发应用前景的一种新的破岩方法。本文的研究对于丰富和发展岩石破碎学理论，开发研制新型钻采设备具有重要的理论意义和工程应用价值。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1岩石破碎方法的研究现状

1.1.1机具破岩

1.1.2非机具破岩

1.2动、静载荷破碎岩石的理论研究与进展

1.2.1压头侵入破碎的理论研究

1.2.2切削破岩的理论研究

1.3动、静载荷耦合破岩技术研究选题的依据

1.4研究内容、方法及预期结果

第二章 岩石动、静态耦合破岩理论分析

2.1概述

2.2静、动载荷耦合破岩特点分析

2.2.1 静载荷破岩特点

2.2.2动态载荷破岩特点

2.2.3动、静载荷耦合破岩特性曲线分析

2.3动、静载荷耦合作用的力学分析

2.4动、静态破岩的损伤断裂分析

2.4.1静态侵入断裂形态及分析

2.4.2动态侵入断裂形态及分析

2.4.3动、静耦合破岩的损伤断裂分析

2.5动、静载荷作用下的切削破岩分析

2.5.1静压切削

2.5.2冲击-切削破岩分析

2.6小结

第三章动、静载荷耦合破碎岩石试验系统设计与研制

3.1概述

3.2动、静载荷耦合破碎岩石试验原理

3.3动、静载荷耦合破碎岩石试验装置

3.3.1竖向静压加载装置

3.3.2水平切削装置

3.3.3液压加载装置

3.3.4冲击加载机构

3.3.5刀具安装机构

3.3.6主要零部件

3.3.7测试系统

3.4试验装置主要参数的设计计算

3.4.1竖向加载装置参数Fs的分析计算

3.4.2水平切削装置基本参数Fc的分析计算

3.4.3冲击机构基本参数

3.4.4冲击机构的最大冲击频率

3.5小结

第四章 动、静载荷耦合破岩试验参数分析与试验方案

4.1概述

4.2静压分析

4.2.1静压的作用

4.2.2静压参数的确定

4.3冲击能的分析

4.3.1施加冲击载荷的可行性分析

4.3.2冲击能大小的确定

4.4冲击-切削破岩过程分析及冲击间距的确定

4.4.1最佳冲击间距与合理侵深

4.4.2冲击破碎频率

4.5刀具前角分析

4.5.1刀具前角分析

4.5.2负前角的取值

4.6试验技术与方案

4.6.1试件制备

4.6.2刀具结构主要参数

4.6.3试验方法和步骤

4.7切削速度的预实验

4.8小结

第五章岩石动静载荷耦合破碎试验研究

5.1引言

5.2静压/冲击破碎试验

5.3变WOB下的切削试验

5.3.1刀具的受力特性

5.3.2切削深度与WOB的关系

5.3.3WOB与切向力的关系

5.3.3单位位移体积破碎量与WOB的关系

5.4变冲击能下的冲击切削试验

5.5变WOB下的冲击-切削试验

5.6变冲击间距(冲击频率)、变冲击能、变静压下的冲击切削

5.7刀具和岩石因素对冲击-切削破岩的影响

5.8问题与讨论

5.8.1破岩比能Es和间距/侵深比值R的关系

5.8.2Ropt与岩石性质的关系及其确定

5.9小结

第六章 凿岩刀具失效机理分析

6.1概述

6.2刀具失效形式

6.3刀具破损机理分析

6.3.1刀具磨损分析

6.3.2刀具失效的弯曲波能量分析

6.3.3刀具失效的疲劳理论分析

6.3.4刀具失效的波动力学分析

6.3.5刀具失效的信息熵分析

6.4小结

第七章全文总结

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及成果

致谢