超声波激励与机械冲击复合破岩机理研究

摘要

现有硬岩破碎实践证明，单一的破岩方法已不能完全满足矿井高效、节能、绿色生产的要求。将两种或多种破岩方法联合使用，降低岩石的截割难度、提升破岩机械的装机功率，有效提高破岩综合效率是今后岩石破碎研究领域的重要发展方向。为了克服传统的机械冲击破岩钻进强度低、成孔速度慢、机具及材料损耗大的缺点，考虑到超声波穿透能力强、能量集中的优点，探索将两种破岩手段联合应用于岩石破碎当中，运用理论分析、数值模拟等方法，对超声波激励与机械冲击复合作用下岩石的响应特征进行了系统分析，主要成果如下： （1）运用单自由度力学模型，将岩石视为理想粘弹性体处理，并结合冲击体-岩石冲击加载力学模型分别对超声波激励下、机械冲击下岩石的破坏特征及其影响因素进行了分析，明确了岩石在超声波激励下内部质点简谐振动响应振幅与激励频率、振幅、等效阻力及岩石固有频率间的关系，即响应振幅在激励频率与岩石固有频率相等时达到最大，随激励振幅的增大而增大，随等效阻力的增大而减小；掌握了岩石发生破坏的主要因素为冲击体与岩石试件的高度比、原始刚度比及接触面积，冲击速度和载荷越大，岩石越易发生破坏。 （2）建立了岩石在超声波激励与冲击复合作用下动力学模型，分析了“超声激励-机械冲击”岩石系统的动力学特性。明确了岩石在复合作用下内部质点碰撞过程中速度以幂函数形式衰减的特征，认为获取的速度与超声波激励频率、冲击载荷频率、超声波激励应力幅值、冲击载荷应力幅值相关；分析得出了岩石在共振状态下受冲击的位移表达式，掌握了岩石内部质点的位移随冲击载荷的变化特征。 （3）模拟分析了超声波激励与冲击复合作用下岩石的动态响应特征，分析了超声波激励下冲击速率对岩石裂隙发育特征的影响规律，掌握了超声波激励下冲击载荷对岩石内部质点的振动特性，揭示了复合作用下岩石破坏机理，对处于共振状态下的岩石施加冲击，岩石内部质点位移比单纯的冲击作用下的质点位移提高40%以上。

目录

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致谢

1 绪论

1.1研究内容的意义

1.2国内外研究现状

1.2.1超声波激励共振破岩研究现状

1.2.2冲击作用下岩石破坏特征

1.2.3超声波激励与机械冲击复合破岩研究现状

1.3发展动态与存在问题

1.4研究内容与方法

2超声波激励与机械冲击破岩模式

2.1 超声波激励共振作用下岩石破坏特征

2.1.1 循环加载下岩石损伤裂纹扩展分析

2.1.2 岩石介质振动系统的力学模型

2.2冲击作用下岩石破坏特征

2.2.1冲击作用下岩石的力学性质

2.2.2 冲击作用下岩石破坏力学模型分析

2.2.3 冲击作用下岩石突变破坏判定

2.2.4 冲击作用下岩石破坏失稳因素分析

2.3 超声波激励与机械冲击破岩模式特征描述

2.4本章小结

3 超声波激励与冲击复合作用下岩石破坏特征

3.1超声波激励与冲击复合破岩特征

3.1.1超声波激励与冲击复合作用特点

3.1.2岩石在超声波激励与冲击复合作用下的响应特征

3.2超声波激励与冲击复合破岩力学模型

3.3岩石在复合作用下动力学特性

3.4本章小结

4 超声波激励与冲击下岩石动态响应特征

4.1数值计算模型建立

4.2不同频率作用下岩石的响应特征

4.2.1 岩石试件裂隙分布

4.2.2 岩石试件质点振动幅值变化

4.3 不同冲击载荷作用下岩石的响应特征

4.3.1 不同冲击速率下岩石破坏情况

4.3.2 不同冲击速率下岩石位移分布情况

4.4 超声波激励与冲击复合作用下岩石响应特征

4.4.1 不同激励频率与冲击载荷下岩石试件裂隙分布

4.4.2 垂直位移分布

4.4.3 垂直速度分布

4.5本章小结

5 结论与展望

5.1主要结论

5.2 展望

参考文献

作者简历

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