超声波振动作用下花岗岩内部裂纹变化规律的理论与试验研究

论文摘要

硬岩强度大、可钻性差,钻头寿命短、机械钻速低、经济成本高,硬岩钻进一直是摆在地质钻探工程领域中的难题,严重影响了资源勘探的效果和成本。因此寻求新型高效的硬岩破碎技术成为众多学者的研究目标。超声波振动技术具有振动频率高、传播方向好、穿透力强、能量传播快的特点,已在硬脆材料的机械加工、太空星球钻进、医学外科手术、油气地层增渗等领域成功应用,取得了良好的效果,给硬岩破碎提供了一个可以借鉴的新方法。当前,采用超声波振动技术破碎岩石已悄然成为一个新的研究热点,但是超声波振动碎岩的机理至今尚未完全研究清楚。材料力学理论认为,材料的破坏是由内部新裂纹的起裂和原有裂纹的扩展、贯通造成的,正确认识微裂纹的起裂、扩展规律对于准确理解超声波振动下岩石的损伤演化过程和失效机制至关重要。因此本文针对目前国际范围内超声波碎岩研究领域中存在的问题,选用常见的、具有代表性的硬岩-花岗岩作为研究对象,从宏观与微观相结合的视角开展超声波振动下岩石内部裂纹变化规律的理论与室内试验研究,弄清超声波振动作用下岩石内部裂纹的开裂机制与岩石失效的机制,为利用超声波振动技术解决硬岩破碎难题提供理论支撑和技术指导,具有实际意义。本文采用理论分析、数值模拟及室内试验相结合的方法,以花岗岩为研究对象,采用离散元数值模拟软件PFC2D、Matlab数字图片处理技术、光学显微镜、扫描电镜、核磁共振仪、浸透探伤法、热红外无损检测方法、表面微振幅检测法、万能试验机等,并结合相关理论,围绕超声振动作用下裂纹的起裂判据、裂纹动态扩展的时空演化过程、造岩矿物对裂纹的影响规律、振动时间对岩石内部孔隙的影响规律、裂纹的空间分布特点、裂纹优先扩展的方位角、超声波振幅对裂纹起裂的影响规律、应力波在岩石内部的衰减特性、岩石破碎的有效深度、裂纹开裂及岩石破碎的机制展等展开了详细研究,取得的主要成果如下:（1）基于振动理论建立了超声波振动下岩石颗粒单元的运动方程、应力方程,结合格里菲斯强度理论给出了超声波振动载荷下岩石内裂纹优先扩展的方位角,并在最大拉应力准则的基础上结合疲劳损伤理论和牛顿第二定律给出了超声波振动下岩石内裂纹的起裂判据。理论研究结果显示,超声波振动下岩石颗粒发生与加载频率相一致的胁迫运动,胁迫运动的振幅、颗粒单元的应力与施加的超声波载荷的振幅成正比。此外,岩石颗粒单元的应力与超声波振动频率的平方成正比。岩石内部裂纹优先沿着与加载方向平行的方向扩展,其次沿着与加载方向成β（β满足cos 2β=σ1-σ2/2（σ1+σ2））角度的方向扩展。超声波振动作用下岩石内裂纹的起裂判据为F≥δ动,δ动=εδ静,0<ε<1（2）采用离散元软件PFC2D对超声波振动岩石内部裂纹的动态演化过程进行建模计算。模拟结果显示,超声波振动载荷下,岩石模型内部应力呈波浪状向下传递,岩石颗粒单元的应力状态在拉压之间高频转换。岩石模型内不同位置颗粒单元的应力、振幅曲线显示,超声波振动产生的应力波在岩石模型内部传递过程中发生衰减,衰减幅度随传播距离的增加而减小。超声波振动载荷下岩石内主要生成三种裂纹,平行粘结拉伸破坏裂纹（crackpbtension）,位于晶粒内部;光滑节理拉伸破坏裂纹（cracksjtension）,位于晶粒之间;光滑节理剪切破坏裂纹（cracksjshear）位于晶粒之间。其中光滑节理拉伸破坏裂纹占比最大,达到88.6%,平行粘结拉伸破坏裂纹的数量占比次之,达到10.9%,光滑节理剪切破坏裂纹的数量占比最小,为0.5%。可知超声波振动载荷下裂纹优先在晶粒边界处扩展,其次在晶粒内部扩展。拉伸破坏型裂纹的占比达到99.5%。岩石模型内裂纹的玫瑰图显示,超声波振动下裂纹优先沿着与超声波振动载荷平行的方向扩展,其次沿着与振动载荷成60°夹角的方向扩展。（3）采用扫描电镜观测了不同振动时间处理后岩石表面造岩矿物内裂纹的扩展发育特征。结果显示超声波振动下不同造岩矿物的裂纹扩展特性明显不同,引起石英矿物失效的裂纹类型主要是晶内裂纹和晶界裂纹,其中晶界裂纹占据优势地位。对于长石和云母矿物来说由于它们自身包含有不同类型的节理,导致引起它们失效的裂纹类型中晶内裂纹扮演着主要角色,总体来说晶界裂纹在造成花岗岩失效的裂纹类型中占大多数,试验结果与模拟结果具有高度一致性。（4）超声波振动下花岗岩内部细观孔隙演化及裂纹空间分布特征试验研究显示,在本试验条件下,超声波振动次数（每次超声波振动20s）对岩石内孔隙的发育的影响呈现明显的阶段性特征,从时间尺度上可以将其划分为三个阶段,岩石孔隙体积比保持不变阶段（1-3次,0-60s）、岩石孔隙体积比稳定增长阶段（3-4次,60-80s）和岩石孔隙体积比急剧增长阶段（4-5次,80-100s）。将振动后的岩样沿中轴线剖开用于开展裂纹空间分布特征试验,结果显示根据岩石表面不同区域损伤变量D数值的不同,可将岩石内部划分为裂纹发育区（D:1.Oe-1-7.0e-1）、裂纹次发育区（D:1.0e-3-1.0e-1）和原岩区（D:0-1.0e-3）。岩石裂纹优先扩展的方位角为沿载荷加载方向和沿与载荷成60°方向,裂纹主要分布在岩石顶端区域,试验结果与理论结果和数值模拟结果吻合性较好。（5）超声波振动下花岗岩内部裂纹起裂阈值试验研究表明,在利用超声波振动破碎花岗岩时,存在超声波振幅阈值,即只有在超声波的振幅大于0.8Amax（32μm）时,岩石内部才会发生裂纹起裂扩展,且超声波的振幅越大,岩石的破碎效果越明显。超声波振动载荷下岩石的有效破碎深度约为10mm。超声波振动作用会引起岩石温度的升高（最高温度达到397.2℃）,超声波振动引起的热损伤和超声波振动引起的岩石内部微裂纹的亚临界扩展是超声波振动碎岩的主要机制。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张书磊

导师: 赵大军

关键词: 花岗岩,超声波振动,裂纹扩展,裂纹起裂阈值

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,矿业工程

单位: 吉林大学

分类号: P634.1

DOI: 10.27162/d.cnki.gjlin.2019.000286

总页数: 133

文件大小: 16318K

下载量: 294

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