微波照射下岩石中裂纹形成的研究

摘要

岩石破碎是隧道开挖中不可回避的工作，传统的破岩方式在降低机具损耗、提高工作效率、改善施工环境等方面受到不同程度的制约，微波辅助机械破岩方法克服了这些不足，作为一种新型技术得到了快速发展。已有研究表明，微波照射可以有效地弱化岩石强度，提高机械破岩效率。为实现微波辅助机械破岩系统的设计目标，还需要对微波照射下岩石中裂纹的形成规律进行研究。本文通过试验和数值模拟相结合的方法，对微波照射下岩石内裂纹的形成进行研究。考虑微波照射参数、冷却方式、吸波矿物含量、颗粒大小及形状等因素影响，对微波照射下岩石强度弱化规律进行试验研究；采用数值模拟方法，对微波照射下岩石裂纹形成规律进行研究。
　　本研究主要内容包括：⑴从理论方面阐述了微波加热原理及微波照射下岩石损伤机理，得出微波照射对岩石造成损伤的主要原因是岩石内部不同矿物具有不同微波吸收率和热膨胀系数，在微波照射作用下，岩石中的吸波矿物迅速升温形成“热点”，与周围矿物形成温度差，进而产生热应力，当热应力大于岩石抗拉强度即造成岩石损伤。⑵采用不同的微波照射参数对岩石进行微波照射，并对岩石进行强度测定，综合分析微波照射参数、冷却方式、吸波矿物含量、颗粒大小及形状等因素对微波照射下岩石损伤的影响，得到如下结论：在一定微波功率下，存在最佳微波照射时间段，超过最佳照射时间，会造成能量的浪费；在相同条件下，提高微波能量利用率的最有效方法是提高微波功率；吸波矿物晶体尺寸对微波弱化岩石影响很大，达到相同的破坏效果，矿物晶体越大所需消耗的微波能量越小；形状不规则的吸波矿物晶体易引起热应力的奇异性，产生热应力集中，产生裂纹所需吸收微波能量小。⑶利用离散元软件PFC2D建立二相矿物模型，通过模拟微波照射得到岩石内部细观裂纹的发展演化规律，对微波照射下岩石损伤的影响因素进行分析。结果表明：微波照射岩石存在最佳照射时间长度，该照射时间内裂纹形成和发展迅速；相同能量输出条件下，提高微波功率能更有效地增加裂纹数量，加大岩石的损伤程度。验证吸波矿物的含量、颗粒大小及形状对微波照射下岩石微裂纹形成的影响规律。

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1 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 研究领域国内外研究动态

1.3 研究内容与研究技术路线

2 微波照射下岩石损伤理论

2.1 微波及其特点

2.2 微波加热原理及特性

2.3 微波照射下岩石损伤理论及影响因素

2.4 本章小结

3 微波照射下岩石损伤影响因素试验分析

3.1 微波照射岩石试验

3.2 试验过程

3.3 试验结果及数据分析

3.4 本章小结

4 颗粒离散元软件PFC2D及细观参数选择

4.1 颗粒流软件PFC2D简介

4.2 颗粒离散元基本接触模型

4.3 PFC2D细观参数与宏观系数的关系研究

4.4 本章小结

5 微波照射下岩石裂纹形成数值模拟分析

5.1 微波加热岩石固热耦合模型

5.2 微波加热试验模型的建立

5.3 岩石损伤机理和规律

5.4 微波照射效果影响因素及影响规律

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录