刀具侵入破巖聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究*

章思平

刀具侵入破巖聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究*

章思平

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭市 411201)

在RMT-150C巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上選用一字型與十字型刀具對(duì)花崗巖進(jìn)行破巖實(shí)驗(yàn)，采用AEwin-USB型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集破巖全過(guò)程的聲信號(hào)，得到花崗巖全過(guò)程的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、聲發(fā)射能量特征參數(shù)。結(jié)果表明：一字型與十字型刀具下花崗巖聲發(fā)射特征信號(hào)曲線與載荷—時(shí)間曲線都具有很好的對(duì)應(yīng)性；十字型刀具作用下聲發(fā)射特征信號(hào)強(qiáng)度明顯大于一字型，且十字型刀具作用下花崗巖破碎更完全;綜合對(duì)比分析破巖效率，發(fā)現(xiàn)十字型刀具較之一字型刀具破巖效果更好。

刀具破巖;聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù);聲發(fā)射能量;破巖效率

0 引 言

巖石是一種脆性材料，不同刀具對(duì)巖石的侵入破壞是有所差異的，而巖石破壞的過(guò)程中其內(nèi)部變化是肉眼無(wú)法觀測(cè)的。巖石在外力的用下，巖石的內(nèi)部的原始裂隙的閉合、擴(kuò)展、貫通，及新裂隙的產(chǎn)生、閉合、擴(kuò)展、貫通，在裂隙的變化過(guò)程中部分的能量以彈性波的形式釋放出來(lái)，這種現(xiàn)象就稱之為聲發(fā)射[1-3]。李玉等[4]通過(guò)選用一字型刀具對(duì)巖石進(jìn)行破巖試驗(yàn)，分析其聲發(fā)射特性與分形特征，以此來(lái)作為巖石破壞失穩(wěn)的依據(jù)。鄒飛[5]通過(guò)用DSCM方法，研究刀具侵入破巖的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的特征，認(rèn)識(shí)刀具對(duì)巖石破壞的本質(zhì)及其破壞演化的過(guò)程。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石聲發(fā)射特性的研究都比較深入[6-13]，如煤巖體、花崗巖等巖石在不同條件下的聲發(fā)射研究分析。而對(duì)于刀具下破巖聲發(fā)射特性的研究較少，本文將對(duì)巖石的聲發(fā)射特征信號(hào)進(jìn)行深入的研究，以此來(lái)探究刀具破巖聲發(fā)射特征信號(hào)的表現(xiàn)形式與尋求最優(yōu)的破巖方式。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試樣制備

本文選用立方體的花崗巖試樣，其大小為100 mm×100 mm×100 mm，所用巖石試樣均采自同一塊完整的巖石，其加工后巖石表面平行度與垂直度均滿足巖石力學(xué)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程。

1.2 試驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)所采取的試驗(yàn)平臺(tái)為RMT-150C型標(biāo)準(zhǔn)巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，采用的加載方式為軸向位移加載。聲發(fā)射系統(tǒng)采用由美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）最新研制的AEwin-USB型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。刀具的種類為一字型刀具和十字型刀具兩種，實(shí)物如圖1所示。

圖1 刀具

本試驗(yàn)的具體步驟為：首先，試驗(yàn)前將試樣表面劃上相互垂直的中線，以保證刀具與巖石相互作用為中心加載；其次，開始試驗(yàn)，開啟試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)器進(jìn)行預(yù)熱，與此同時(shí)調(diào)試聲發(fā)射系統(tǒng)并將聲發(fā)射探頭固定于巖石表面；然后，預(yù)加載將刀具與巖石中心對(duì)齊；最后，進(jìn)行刀具下的破巖試驗(yàn)，直到巖石破壞，收集聲發(fā)射特征信號(hào)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)

為了獲取花崗巖巖石試樣的基本物理力學(xué)參數(shù)，我們利用鉆芯機(jī)從花崗巖大試塊中鉆取標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，利用RMT-150C型巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，采取行程加載，加載速率為0.005 mm/s。

通過(guò)試驗(yàn)我們得到了表1所示的花崗巖力學(xué)參數(shù)。

表1 花崗巖物理力學(xué)參數(shù)

表中為花崗巖的密度，g/cm3；為花崗巖抗壓強(qiáng)度，MPa;為彈性模量，GPa；為泊松比。

2.2 一字型刀具下破巖聲發(fā)射特性分析

通過(guò)采用一字型刀具對(duì)花崗巖試樣進(jìn)行破巖試驗(yàn)，分析聲發(fā)射數(shù)據(jù)，得到圖2所示的聲發(fā)射特征信號(hào)曲線。

對(duì)聲發(fā)射特征信號(hào)的分析我們可以明顯的發(fā)現(xiàn)，載荷?時(shí)間曲線與振鈴計(jì)數(shù)、能量?jī)煞N聲發(fā)射特征信號(hào)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩種聲發(fā)射特征信號(hào)的變化與載荷?時(shí)間曲線的波動(dòng)變化一致。我們得到其峰值載荷為66.8 kN，整個(gè)破巖持續(xù)的時(shí)間為158 s，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)的峰值為1341次，能量峰值為6036次。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)巖石的載荷值達(dá)到其峰值強(qiáng)度的82%時(shí)，巖石的聲發(fā)射活動(dòng)明顯加強(qiáng)，說(shuō)明巖石內(nèi)部的原有裂紋閉合、貫通，以及新裂紋的產(chǎn)生，當(dāng)繼續(xù)加載時(shí)巖石內(nèi)部的裂紋繼續(xù)發(fā)展、貫通，出現(xiàn)肉眼可見的宏觀裂紋，巖石失穩(wěn)破壞后試驗(yàn)停止。

2.3 十字型刀具下破巖聲發(fā)射特性分析

通過(guò)采用十字型刀具對(duì)花崗巖進(jìn)行破巖試驗(yàn)，我們得到了圖3所示的載荷?時(shí)間與聲發(fā)射特征信號(hào)的曲線。

圖3 十字型刀具下花崗巖載荷?時(shí)間?聲發(fā)射特征信號(hào)曲線

結(jié)合十字型刀具對(duì)花崗巖破巖試驗(yàn)的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，巖石在十字型刀具的作用下其所能承受的最大載荷值為201.3 kN，破巖的整個(gè)持續(xù)時(shí)間為324 s，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)的最大值為25123次，能量峰值為66764次?；◢弾r在十字型刀具作用下其在峰值前聲發(fā)射特征信號(hào)較為平穩(wěn)，巖石內(nèi)部積聚能量，當(dāng)積聚的能量達(dá)到花崗巖的承載極限時(shí)，花崗巖突然破碎，聲發(fā)射特征信號(hào)分別達(dá)到峰值，其聲發(fā)射特征信號(hào)的峰值與巖石的載荷—時(shí)間曲線的峰值很好的對(duì)應(yīng)，并較之一字型刀具破碎聲響更大、破碎塊度更小。

3 討 論

通過(guò)分析花崗巖試樣在一字型和十字型刀具作用下的聲發(fā)射特征信號(hào)與載荷?時(shí)間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)花崗巖試樣在刀具作用下破巖聲發(fā)射特征信號(hào)與載荷?時(shí)間曲線有很好對(duì)應(yīng)性，具體表現(xiàn)為：載荷?時(shí)間曲線的峰值與聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、能量的峰值幾乎是同時(shí)相對(duì)應(yīng)出現(xiàn)；同時(shí)十字型刀具作用下的花崗巖其所承載的載荷值更大、聲發(fā)射特征信號(hào)的峰值也更大、破碎較為徹底。當(dāng)我們考慮刀具破巖效果時(shí)，不僅要考慮破巖消耗的能量，還要考慮破巖后巖石塊度。

4 結(jié) 論

（1）一字型與十字型刀具破巖的聲發(fā)射特征信號(hào)曲線與載荷?時(shí)間有很好的對(duì)應(yīng)性。

（2）花崗巖在十字型刀具作用下，其所能承載的極限更大，所對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射特征信號(hào)峰值也更大。

（3）對(duì)于花崗巖而言，十字型刀具的破巖效果較一字型刀具的破巖效果更好。

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(2019-02-15)

章思平(1993—)，男，江西撫州人，碩士研究生，主要從事巖石力學(xué)方面的研究，Email：674802341@qq.com。

湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2017B646).