超聲波振動頻率對巖石破碎規(guī)律的影響

劉莉莎，李 坤，張紅紅

(1.長春工程學(xué)院勘查與測繪學(xué)院，長春 130021； 2.山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250100；3.山東省地礦工程集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250200)

0 引言

超聲波振動碎巖技術(shù)是一種新型的碎巖技術(shù)，目前還處于室內(nèi)試驗階段。由于其振動頻率接近巖石的固有頻率，在較短時間內(nèi)使巖石內(nèi)部產(chǎn)生較大的損傷，降低巖石的破碎難度，有助于提高碎巖效率[1]。

本文采用超聲波換能器直接對巖石加載超聲波振動，來研究超聲波振動頻率對巖石破碎規(guī)律的影響。目前，超聲波振動鉆進(jìn)技術(shù)已應(yīng)用于金屬、玻璃及其他領(lǐng)域[2-4]，在碎巖工程中也得到應(yīng)用并取得了一定的成果[5]，尤其是在太空鉆進(jìn)取樣中，NASA針對太空復(fù)雜的工作情況，研制了太空鉆探取樣器Ultrasonic/Sonic Drill/Corer(USDC)[6-7]，并在巖石上進(jìn)行了鉆進(jìn)實驗，取得了良好的鉆進(jìn)效果。而且，上述研究均發(fā)現(xiàn)，在共振狀態(tài)下巖石的破碎效果最好。但是，上述研究均沒有從細(xì)觀上入手，分析巖石宏觀變化的成因。

大量學(xué)者研究表明[8-13]，裂紋是影響巖石有效彈性性質(zhì)的主導(dǎo)因素。在外載荷的作用下巖石內(nèi)部的裂紋及孔隙均會發(fā)生變化。因此，在細(xì)觀上探究超聲波振動后巖石內(nèi)部的損傷情況，對本文的研究內(nèi)容很有意義。而核磁共振掃描的技術(shù)手段[14]恰好能準(zhǔn)確定量地反映出巖石內(nèi)部孔隙、裂紋的情況，適合于本文的研究要求。

本文通過核磁共振掃描的方法，篩選孔隙度相近的巖樣進(jìn)行試驗測試，確保了初始試驗條件的一致性。之后對篩選巖樣進(jìn)行超聲波振動試驗，并對振動試驗后的巖樣再次進(jìn)行核磁共振掃描，對比振動前后孔隙度的變化及抗壓強(qiáng)度的變化。

1 實驗

1.1 實驗材料

超聲波振動碎巖手段對硬巖破碎效率提升較大，因此，本文采用花崗巖作為實驗研究對象。其物理參數(shù)見表1。

表1 巖石物理參數(shù)

1.2 實驗方法

首先對巖石進(jìn)行核磁共振掃描實驗，進(jìn)行孔隙度測量，篩選孔隙度相近的巖石進(jìn)行分組。隨后，對分組巖石分別進(jìn)行不同頻率的超聲波振動試驗。對振動后的巖石進(jìn)行核磁共振掃描實驗，觀察孔隙度的變化情況。最后，對巖石進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實驗，觀察抗壓強(qiáng)度的變化情況。實驗分為A～E 5組(每組5個巖樣)，其中A組為對照組(不振動)，其孔隙度及所對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度作為基準(zhǔn)。B～E組為實驗組，實驗參數(shù)見表2。

表2 振動實驗參數(shù)

1.3 實驗裝置

核磁共振掃描設(shè)備如圖1所示，超聲波振動設(shè)備如圖2所示，萬能試驗機(jī)如圖3所示。

(a)真空飽和裝置

(b)核磁共振分析系統(tǒng)圖1 核磁共振裝置

圖2 超聲波振動實驗裝置

圖3 萬能試驗機(jī)

2 結(jié)果與討論

2.1 弛豫時間

圖4為不同頻率下弛豫時間T2分布圖。從圖中可以看出，超聲波振動后，孔隙度分量及第2峰值出現(xiàn)的時間隨超聲波振動頻率的改變而改變。且在頻率為35 kHz時，變化情況最為明顯。馳豫時間T2分布圖反映的是巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)情況。弛豫時間T2與孔隙度的關(guān)系如式(1)：

(1)

式中：T2為表面馳豫時間；ρ為T2表面馳豫強(qiáng)度；S為孔隙表面積；V為孔隙體積。

式(1)表明：在飽和水巖石中，孔隙度小，橫向弛豫時間T2值小；孔隙度大，T2值也大。

孔隙度分量的增加說明在核磁共振試驗中所測得的信號量增加，即巖石內(nèi)部孔隙及裂紋整體數(shù)量增加，而第2峰值出現(xiàn)時間的延后表明巖石內(nèi)部孔隙半徑增大，說明巖石內(nèi)部孔隙及裂紋發(fā)生擴(kuò)展，孔隙體積增大。上述現(xiàn)象表明：超聲波振動對巖石內(nèi)部損傷程度加劇。超聲波振動能夠加劇巖石內(nèi)部原有的損傷程度，同時，不同的振動頻率對巖石損傷程度也有所不同，35 kHz比較接近巖石的固有頻率。

圖4 弛豫時間T2與振動頻率的關(guān)系

2.2 孔隙度與抗壓強(qiáng)度

孔隙度及抗壓強(qiáng)度的變化情況見表3，由于巖樣的初始孔隙度相近，且取自同一塊巖石，故A組巖石的初始參數(shù)可視為該條件下各組巖石的參照值。由表3可以看出，巖石抗壓強(qiáng)度與孔隙度呈反比，孔隙度越大，巖石抗壓強(qiáng)度越小。但巖石孔隙度增大幅度要大于巖石抗壓強(qiáng)度的降低幅度。這主要是由于核磁共振所測試的孔隙度是巖石內(nèi)部孔隙及裂紋的空隙總和，而孔隙對巖石抗壓強(qiáng)度的影響不大，裂紋是影響巖石性能的主導(dǎo)因素[8-13]，故使孔隙度的增加幅度大于巖石強(qiáng)度的降低幅度。圖5為振動頻率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖。從圖5可以看出，超聲波振動后巖石抗壓強(qiáng)度均下降，在振動頻率為35 kHz時，巖石抗壓強(qiáng)度變化最大，降低幅度為41.67%。

表3 振動頻率與孔隙度及抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖5 振動頻率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖

由于在相同條件下，巖石的固有頻率是一定的，而超聲波振動碎巖屬于高周疲勞破碎，即振動頻率高，振動力小。當(dāng)外界振動頻率與巖石固有頻率相差較大時，周期性的振動力作用于巖石表面，并且，巖石內(nèi)部的入射波和反射波容易在裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中達(dá)到一定程度時，巖石內(nèi)部薄弱區(qū)域在交變應(yīng)力作用下，逐漸發(fā)生損傷累積、開裂。此時，巖石的破碎形式屬于高周疲勞破碎。當(dāng)外界振動頻率與巖石的固有頻率接近時，巖石產(chǎn)生共振現(xiàn)象，巖石在共振條件下自身振幅及內(nèi)力最大，其內(nèi)部的微裂紋裂隙急劇擴(kuò)張，導(dǎo)致巖石損傷程度急速加劇。此時，巖石的破碎形式屬于共振破碎。但是，當(dāng)

巖石內(nèi)部損傷到達(dá)一定程度時，其固有頻率也隨之下降，這便造成了30 kHz的振動頻率下，巖石抗壓強(qiáng)度小于40 kHz振動頻率下巖石的抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)語

通過上文的研究，我們主要得到以下幾點結(jié)論：1)核磁共振掃描試驗精確地反映了巖石內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)的情況，孔隙度與抗壓強(qiáng)度之間成反比關(guān)系，它們的變化曲線趨勢相互吻合。2)35 kHz較為接近巖石的固有頻率。3)外界振動頻率越接近巖石的固有頻率，碎巖效果越好。

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