冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究

1、第卷第期年月，文章编号：（）冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究谢世勇，王艳霞，赵伏军（赣州有色冶金研究所，江西赣州；河北工业大学电气与自动化学院，天津；湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭）摘要：运用数值模拟方法研究了冲击载荷作用下的岩石微观结构特性变化，通过对岩石内部应力分布及裂纹分布图可以得出冲击载荷破岩时岩石内部在垂直方向产生一个拉应力区和一个压应力区，刀具下方的拉应力最大；中间裂纹扩展速度比径向和侧向裂纹都要快，裂纹面呈三角形状。在多功能试验装置上对花岗岩进行冲击载荷破岩试。验，试验结果表明：单纯提高冲击载荷对破岩效果不会有很大的提高，存在一个最佳破岩冲击能（）关键词：冲击载

2、荷；岩石破碎；数值模拟；试验研究中图分类号：文献标识码：引言花岗岩是钨矿围岩中常见的一种岩石。目前许多钨矿矿山为了延长矿山服务年限，急需加强矿山外围和深部勘探，这就需要进行大量的矿岩破碎工程。冲击载荷作用下破碎岩石是目前运用较为广泛的一种破岩方法，但其破岩机理还有待进一步研究。近年来，非线性科学中的分形理论、系统科学中的突变理论和数值模拟方法等现代科学理论开始渗入岩石破碎研究领域，取得了一些成果。但是，分形理论在岩石破碎中主要被用于研究破碎块度，无法建立破碎结果与破碎的物理机制之间的相互关系；突变理论主要研究系统参数发生微小变化后结构的稳定与否，它在岩石破碎领域的应用目前主要局限于地震与岩爆等

3、由缓慢变形到突然破裂的现象，尚没有用于研究凿岩等由于冲击载荷产生的破坏现象；数值模拟方法是用来沟通理论模型和实验研究的桥梁，但岩石的本构模型准确性、客观性以及岩石性质参数和边界条件还需要加以研究。因此冲击载荷破岩的数值模拟与试验研究相接合对丰富冲击破岩理论具有重要意义。间和侧向裂纹，同时在压头下方还会形成一个密实核，在钠玻璃上进行侵入试验表明，形成的密实核近似于半球形，其主要特征是发生了剪切变形。由此可看出侧向裂纹是从剪切变形区底部起裂的。侧向裂纹一般在卸载过程产生并扩展，中间裂纹产生于加载过程，并在卸载过程有部分弹性恢复；径向裂纹既可产生于加载过程，又可出现在卸载期间，但不论何时产生都在卸载

4、过程继续发展。压头密实核径向裂纹侧向裂纹中间裂纹图侵入断裂形态冲击载荷破岩特点岩石断裂形态如图所示，压头侵入硬岩时一般产生径向、中冲击破岩特点岩石在冲击载荷作用下将引起应力波在岩石中的传播。对应力波的描述包括频谱（即频率分布）、能量分布、波速、波长等，同时岩石中裂纹或缺陷也有尺寸分布或谱图，这样便能根据载荷作用特点与具体岩石对象确定微观与细观以及宏观尺度的划分标准，并找出分析重点，从而采用相应的方法来对其动态破坏过程进行研究。典型的冲击载荷有机械冲击载荷与爆炸冲击载荷。机械冲击是动能传播到一个系统，其发生传递的时间比该系统的自由振动周期要短。冲击载荷的这种短暂特征，意味着在材料中会产生很高的应

5、变收稿日期：，）第卷速率，对材料的变形破碎行为和机制产生重大影响。爆炸冲击载荷比机械冲击载荷的强度要高得多。爆炸发生以后，气体产生的压力瞬间可达到一万多个兆帕，温度达到几千度，在高温高压的作用下，临近岩石受到强烈压缩，颗粒被压碎，甚至发生液化和汽化。岩石因受爆炸产物的挤压而向外运动，形成一个空腔，同时在岩石中产生一种强冲击波向外传播。随着传播距离的增加，波阵面压力下降，不再引起岩石结构的破坏，而只产生质点的振动，这就是爆炸引起的地震效应。马弗柳托夫采用直径的压头做了自由落体冲击岩石的试验，他研究了动载荷冲击岩石时的破碎问题，其结果如图所示。曲线是当冲击功不大时，在岩石表面只能见到压头冲击的痕迹

6、，围绕压头边缘出现裂纹带；曲线是当冲击功增加到一定值时，载荷达到第一极大值，压头底下的岩石发生与静载荷相似的破碎，称为第一次大体积破碎主压力体压碎）；曲线是当冲击功大（剪切体崩离，于产生第一次大体积破碎的能量，使得压头侵入深度增加；曲线是当冲击功相当大时，载荷达到第二极大值，岩石产生第二次大体积破碎。依次循环。由上述分析可知，动载荷破岩同样具有跃进式的特点。冲击破碎主要适用于脆性和弹脆性岩石，岩石的脆性愈明显、愈坚硬，破碎时的载荷极大值就愈大。脆性岩石在外载荷达到极大值后产生破裂或大体积破碎，而弹塑性岩石在破坏后仍有部分强度，在一定的外部作用下方可产生体积破碎。的力学参数见表和，划分网格后的岩

7、石及刀具模型见图。表花岩石试件的力学参数体积密度抗压强度抗拉强度弹性模量泊松比表刀具材料的物理力学性能密度努普硬度抗弯强度抗压强度断裂韧性弹性模量泊松比耐磨性（）模型整体三维视图网格（刀具与岩面接触点放大网格）模型整体二维视图网格（）（刀具与岩面接触点放大网格）图岩石与刀具模型网格图岩石冲击力与浸深关系数值模拟岩石及刀具模型岩石及刀具均采用三维实体建模，动静组合破岩试验的花岗岩试件尺寸为××，刀具的规格是"×。刀具的模型采用实际尺寸建模，由于岩石受刀具影响范围较小，所以取刀具与岩面接触正下方的加载与求解在试验中，刀具刀刃的锐边圆弧（即锋利的边缘）与岩面接

8、触，在模拟中为了简化运算，现假设刀具与岩面接触为点面接触，且在加载过程中刀具只有垂直方向的位移，无水平移动，即不存在切削现象。由于只考虑施加单轴冲击载荷（，所、）以分析类型选择瞬态求解（，加载时间为）中等应变速率）。只需将岩石模型的底面施（加位移约束（即、，模型前后、个方向都约束）左右个面为自由面。冲击载荷直接施加在刀具与岩面相接触的节点上，设定个子步，最小子步为最大子步为，为了便于收敛，打开自动调整，时间积分步长。结果分析为了分析在单轴冲击载荷作用下试件的垂直应力和裂纹分布随子载荷步变化的情况，选取具有代表性的子载荷步计算结果来分析。图为冲击能作用下各子载荷步在垂直方向上的应力等值线分布云图

9、，图为各子载荷步产生的裂纹分布图，图为不、第期谢世勇，等：冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究第步第步第步第步第步第步图冲击能垂直方向应力等值线云图第步第步第步第步第步第步图冲击能作用下各子载荷步产生的裂纹分布图不同冲击能时裂纹分布（在冲击载荷作用的初期，即在第载荷步的）时候，此时在垂直方向产生比较大范围的压应力，拉应力集中出现在刀具的下方，但还不足以使岩石产生裂纹，如图所示。（在第载荷步时，此时垂直方向在刀具与岩）面接触点的下方出现一个较大的拉应力区，如图所示，裂纹最先在刀具与岩面接触点下方开始产生，（从第载荷步开始，刀具下方的压应力进一）步增大，同时拉应力也相应增大，岩石裂纹面进一步扩

10、大，裂纹扩展迅速，形成较大面积的破碎，并且裂纹往深部比往两侧扩展要快，如图和图所示。（到第载荷步时，应力分布较为稳定，在垂）直方向产生一个拉应力区和一个压应力区，刀具下方的拉应力最大，裂纹扩展形成一个较稳定的“三角如图第卷（从图和图中可以看出，裂纹首先产生在）刀具与岩面接触点上，然后中间裂纹扩展最快，径向裂纹比侧向裂纹扩展要快，岩石表面破碎较快；冲击载荷作用下岩石内部裂纹形成的破碎角较小；随着冲击载荷的增加，裂纹分布的深度增加较快，两侧的扩展则较缓慢，裂纹分布的面积也随即增加，但裂纹面积在时增加较快。值。因为存在动态实验，所以选择动载频率和数据采样频率高的数据采集处理系统。启动各加载设备，以不

11、同能级的冲击能来实（）现冲击破岩的试验，获得各个对应的侵入深度、破岩体积等，以侵入深度、破岩体积和比能耗来评价破岩效果。（设置极限保护以保障设备安全。）试验结果及分析岩石的破碎效果以破碎体积和破碎比能（即破碎单位体积岩石所消耗的能量）来度量，由表的试验结果可计算出破碎比能。破碎比能由公式（）确定：（）式中：为破碎比能，；为破碎岩石体积，；为冲击能量，。而式中：为作用在刀具上的力，用表示，；为刀具切削深度，。冲击载荷作用下岩石破碎深度与冲击载荷的关系如图所示，破碎体积与冲击载荷的关系如所示，破岩比能与冲击载荷的关系如图所示。表冲击载荷破岩试验结果冲击能备注试验研究试验装置该装置主要由轴向静压加载

12、装置、落锤冲击加载装置、刀具及夹具装置和测试系统等部分组成，如图所示。图多功能破岩试验台结构图机架；轴向加压油缸；冲击杆传动装置；冲击杆；升降横梁；刀具夹；冲击调速电机；皮带传动装置；轨轮车；岩样；导轨冲击加载机构或冲击杆传动装置主要组成部件为机架、调速电机、皮带传动机构、齿轮传动机构、链轮传动机构、托销、冲击杆（锤）、配重等。刀具安装机构通过法兰盘及螺栓固定在升降横梁上，主要由刀头、碟形弹簧、刀具杆、传感器（分别测量静载荷和冲击应力波）等组成。在升降横梁板上可安装多把刀具同时破碎岩石，也可变换刀具夹安装滚刀或其他刀具破岩。选用湖南飞碟新材料有限公司生产的圆柱形聚晶金刚石复合片（压头，规格见表

13、。）试验方法和步骤本试验中冲击高度为，冲击能分别为清除岩粉，测量破、。每次破碎岩石之后，取其平均值。试验完碎坑体积，每一试验重复次，成后，采用应变放大器（动态应变仪）和数据采集仪记录和分析试验数据。实验步骤如下：（）将试验前制作好的花岗岩试件吊放在轨轮车平台上，在台面与试样之间放置不同规格的钢架，以随时调节试样高度。（试验参数设置。花岗岩的冲击高度为，）加载波形为似正弦波，幅值设置超过试件的估计强度冲击破岩破碎深度破碎体积图破碎深度与冲击能的关系冲击能图破碎体积与冲击能的关系破岩比能（）冲击能图破岩比能与冲击能的关系第期谢世勇，等：冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究从图、图可以看出：冲击

14、能越大，破碎深度越大，而且增加也越快，破碎体积也增加，但破碎体积从图可以看出，破岩比能不在时增加较快；是随冲击能的增加而减小，在时破岩效果最好。这些特点与图冲击能与侵深关系相一致，当冲击能不大时，在岩石表面只能见到压头冲击的痕迹，表现为围绕压头边缘的裂纹带；继续增加冲击能时，在压头边缘之外就出现环形崩离体，随着冲击能的增加，崩离体的体积稍有增加，破碎体积的增加是由于压头渐渐侵入深部的结果；再继续增加冲击能量，不会引起破碎形态明显的质的变化，只有当冲击能量高达相当大的数值时，才会出现较大体积的破碎，这与数值模拟结果也是相符的。时增加较快。（随着冲击能的增大，岩石破碎深度及破碎体）积均增大，而破岩

15、比能不是随冲击能的增加而减小，。试验结果与而是存在一个最佳破岩冲击能（）理论分析冲击破岩特点相一致，也与数值模拟的结果相符。参考文献：李夕兵，古德生岩石冲击动力学长沙：中南工业大学出版社，单仁亮岩石冲击破坏力学模型及其随机性研究徐州：中国矿业大学，：，胡柳青，李夕兵，龚声武冲击载荷作用下裂纹动态响应的数值模拟爆炸与冲击，（）：黄明利，唐春安，朱万成岩石破裂过程的数值模拟研究岩石力学与工程学报，（）：，胡柳青冲击载荷作用下岩石动态断裂过程机理研究长沙：中南大学，李夕兵，冯涛岩石地下建筑工程长沙：中南工业大学出版社，赵伏军，李夕兵，冯涛，等新型多功能岩石破碎试验装置中南大学学报，（）：赵伏军动静载荷耦合作用下岩石破碎理论及试验研究长沙：中南大学，余静岩石破碎学北京：煤炭工业出版社，徐小荷，结论（冲击载荷破岩具有跃进式的特点。冲击破碎）主要适用于