超声波激励岩石破碎影响因素实验研究

摘要

随着开采深度的不断加大，为保证巷道围岩的长期稳定，越来越多的岩石巷道选择布置在整体性好、致密坚硬的岩层中。钻进强度低、成孔速度慢、爆破效率差、机具及材料损耗大等问题一直制约着煤矿井下岩石工程的快速施工。超声波因其具有方向性好、穿透能力强、能量集中等诸多优点，在国民经济各领域得到了广泛应用。本文以煤系地层中常见坚硬岩石红砂岩为例，将超声波技术引入到岩石破碎当中，综合运用理论分析、实验室实验及数值模拟的方法，对超声波激励促进岩石破碎的影响因素进行了研究，取得的主要成果如下： （1）从能量角度对超声波激励下岩石的破碎机理进行了分析，得出了超声波激励条件下促进岩石裂纹扩展的能量阈值及作用于岩石的超声波能量，明确了影响超声波激励岩石破碎的因素有超声波频率、功率、激励时间、作用面积及加载压力，并且当激励频率接近于岩石固有频率时，岩石发生共振，超声波对岩石的损伤作用最强。 （2）采用高分辨三维X射线显微成像系统和扫描电子显微镜对超声波激励后的岩石试件从宏观和微观角度进行分析，得到超声波激励岩石的破坏特征。从宏观角度，岩石在与激励器的接触部分首先形成破碎区，随激励时间延长，破碎区域逐渐扩大，并在径向和轴向上造成裂纹的迅速扩展，裂纹分布呈现“两侧多中间少，上部多下部少”的规律。当激励时间增加，破碎区面积进一步扩大，最终导致试件全部破碎。从微观角度，砂砾晶核在受到超声波激励后，由表面平整、磨光度高、较为完整的状态变为晶核破碎，存在各种方向穿晶断裂裂纹的状态。 （3）对超声波功率、顶部加载压力、激励时间和超声波作用面积四个影响因素进行超声波激励破岩实验。结果表明，受超声波激励后的试件抗压强度随激励时间增加而降低；顶部加载压力越大，试件破碎所需时间越短，但超过0.023MPa 以后，压力对岩石破碎的影响增幅逐渐趋缓；超声波功率越高、作用面积越大，试件破碎所需时间越短。 （4）利用 ANSYS 软件对超声波激励下岩石的响应特征进行了数值模拟。结果表明，岩石应力和应变将在超声波激励频率处于某一定值时，达到最大值，此时对试件的破坏作用最强；围压对超声波激励岩石的破碎效果有影响；岩石尺寸越大，受激励后的应力、应变越小，超声波激励对岩石破坏的作用越弱；超声波幅值越大，对岩石的破坏作用越强。

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