巖彈沖擊破巖規(guī)律試驗(yàn)研究

劉 勇，郭鑫輝，魏建平，張宏圖

(1. 河南理工大學(xué) 瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003； 2. 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

煤炭是我國的主體能源，在未來相當(dāng)時(shí)期內(nèi)，煤炭作為主體能源的地位不會(huì)變。然而，在煤礦開采過程中采掘比例失調(diào)是阻礙煤礦產(chǎn)率提高的主要原因，煤礦巷道的快速掘進(jìn)是保證礦井高產(chǎn)穩(wěn)定的關(guān)鍵。在硬巖巷道掘進(jìn)時(shí)截齒磨損是抑制快速掘進(jìn)的主要因素[1-2]。隨著煤炭開采逐漸向深部地層發(fā)展，地應(yīng)力不斷增大，這一問題將更為突出。減少鉆具磨損、提高鉆具使用壽命是突破該難題的關(guān)鍵[3-6]。

采用輔助技術(shù)對(duì)巖體預(yù)裂是提高鉆具使用壽命有效方法之一。如Maurer等[7]利用地面增壓器提高循環(huán)泥漿壓力至68 MPa～105 MPa沖擊破碎巖石輔助掘進(jìn)，掘進(jìn)速度提高了2倍～3倍。但系統(tǒng)能耗達(dá)到了11 200 kW，限制了該技術(shù)的應(yīng)用。孫清德等[8]基于水力機(jī)械聯(lián)合破巖試驗(yàn)，得出水力機(jī)械聯(lián)合破巖效率優(yōu)于單射流或單鉆齒破巖，并認(rèn)為不同破巖方式、射流相對(duì)于齒的位置、射流與齒間距和圍壓是影響聯(lián)合破巖效率的關(guān)鍵。盧義玉等[9]對(duì)水射流輔助PDC刀具切割破碎巖石進(jìn)行了力學(xué)分析，認(rèn)為水射流布置在刀具后方，并偏離刀具鉛垂中線面適當(dāng)位置輔助刀具破巖時(shí)，刀具受力減少30%～50%，從而減少刀具磨損。可以看出，高壓水射流輔助破巖能夠提高破巖速率，降低鉆具磨損。但水射流輔助破巖需要較高的壓力(>100 MPa)[10]，系統(tǒng)能耗較高。同時(shí)過高的系統(tǒng)壓力對(duì)設(shè)備可靠性和安全性提出更高的要求。

除高壓水射流輔助破巖技術(shù)外，學(xué)者們[11-12]提出了激光、微波等輔助破巖新方法。李美艷等[13]采用高能激光束破巖，研究花崗巖和砂巖激光破壞后形貌、物相及抗鉆特性，提出高強(qiáng)度巖石的破碎機(jī)制為熱應(yīng)力破碎，強(qiáng)度較低的巖石主要是熔化和氣化形成孔洞。戴俊等[14]采用微波破巖，研究巖石在微波作用下的強(qiáng)度變化，得到微波的熱效應(yīng)是裂化巖石強(qiáng)度的主要原因，巖石強(qiáng)度的衰減與微波作用時(shí)間和微波強(qiáng)度成正比。激光和微波均基于熱應(yīng)力輔助破巖，雖然能夠降低硬巖強(qiáng)度，但高溫也加劇了鉆具的磨損。楊曉峰等[15]認(rèn)為熱應(yīng)力是刀具磨損的關(guān)鍵，因此采用基于高溫破巖的技術(shù)并不能有效解決該難題。不僅如此，激光和微波輔助破巖裝置功率高，系統(tǒng)能耗較高，工程應(yīng)用和推廣難度較高[16]。

采用低壓、低溫破巖技術(shù)輔助機(jī)械掘進(jìn)，是降低鉆具磨損，提高鉆具使用壽命和掘進(jìn)效率的必由之路。粒子沖擊破巖采用高速介質(zhì)加速粒子[17-19]，使其具備高沖擊動(dòng)能，沖擊巖石后，沖擊應(yīng)力波在巖石內(nèi)傳播并促使巖石原生裂隙擴(kuò)展、促生新生裂隙，實(shí)現(xiàn)巖石的整體破碎。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于石油鉆井射孔，如射孔彈和磨料水射流破巖技術(shù)[20-21]?；诹Ｗ記_擊破巖的思想，筆者提出低壓空氣驅(qū)動(dòng)“巖石子彈”預(yù)裂巖體的輔助掘進(jìn)技術(shù)，即在掘進(jìn)過程中采用低壓空氣加速掘進(jìn)面的廢棄碎石，進(jìn)而利用高速顆粒流的沖擊動(dòng)能輔助掘進(jìn)。

為驗(yàn)證低壓空氣驅(qū)動(dòng)下巖彈沖擊破巖的可行性，筆者首先通過分離式霍普金森桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)試驗(yàn)，得出了沖擊破壞過程中能量在巖石內(nèi)部的傳遞和耗散規(guī)律，并構(gòu)建了巖石破壞吸收能的理論計(jì)算模型；然后，基于構(gòu)建的理論模型，結(jié)合低壓空氣驅(qū)動(dòng)下巖彈沖擊破巖試驗(yàn)，研究了不同氣體壓力、巖彈質(zhì)量下的沖擊破巖效果，并得到了低壓空氣驅(qū)動(dòng)下巖彈沖擊破巖規(guī)律。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試樣制備

巖石破壞是巖石吸收能量發(fā)生“災(zāi)變”，出現(xiàn)破裂或碎裂的過程。為研究低壓空氣驅(qū)動(dòng)下巖彈沖擊破巖的規(guī)律，需先得出巖彈向巖石傳遞能量的效率，即巖彈沖擊時(shí)巖體破碎所吸收的能量。SHPB試驗(yàn)是目前測定沖擊過程中巖石吸收能量的最有效技術(shù)手段。因此，本文首先采用SHPB試驗(yàn)獲得了巖樣破碎時(shí)的吸收能量，通過三維掃描儀獲得了巖樣破碎后新增表面積；基于測定的吸收能和新增表面積，構(gòu)建了巖石破壞吸收能的理論模型。然后，在自主研發(fā)的巖彈沖擊破巖試驗(yàn)系統(tǒng)上開展了巖彈沖擊破巖試驗(yàn)，并結(jié)合高速攝像機(jī)及三維掃描儀分別獲得了巖彈動(dòng)能及破碎后巖樣的新增表面積；最后，基于構(gòu)建的巖石破壞吸收能的理論模型，分析了不同巖彈質(zhì)量、不同氣壓條件下，巖彈沖擊破碎巖石的能量演化規(guī)律。

1.1 試樣制備及基本力學(xué)參數(shù)

為得出巖性對(duì)巖彈沖擊破巖規(guī)律的影響，試驗(yàn)中選用了花崗巖和玄武巖兩種巖樣?；◢弾r樣取自陜西省寶雞市某隧道，玄武巖樣取自河南泌陽大頂山。其中，花崗巖體主要成分為微風(fēng)化中粗粒黑白云母、長石、石英等，玄武巖樣主要成分為輝石、石英等，巖體較完整且表面光滑，無明顯缺陷。為了減少試驗(yàn)結(jié)果的離散性，并使沖擊試驗(yàn)中慣性效應(yīng)和端部摩擦效應(yīng)影響達(dá)到最小，巖樣取自同一塊巖石且長徑比控制在0.5左右[22-23]。利用取芯機(jī)，巖石切割機(jī)、雙端面磨石機(jī)將巖樣加工成Φ50 mm×25 mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，如圖1所示。制備不同試件兩端面的不平整度不大于0.5 mm，試件的直徑和高度誤差不大于0.3 mm，最大限度的避免試樣加工不平整造成的應(yīng)力波形彌散和慣性效應(yīng)?；◢弾r樣與玄武巖樣的基本力學(xué)性質(zhì)，如表1所示。更換不同直徑取芯機(jī)鉆具，采用相同方法在同一巖體上制備試驗(yàn)所需的“巖彈”，如圖2所示。巖彈直徑為10 mm，不同長度對(duì)應(yīng)巖彈質(zhì)量如表2所示，控制巖彈質(zhì)量誤差不大于0.1 g，避免質(zhì)量誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖1 Φ50 mm×25 mm 巖石巖樣Fig.1 Φ50 mm×25 mm rock sample

表1 花崗巖與玄武巖基本力學(xué)性質(zhì)Tab.1 Basic mechanical properties of granite and basalt

圖2 巖彈Fig.2 Rock bullet

表2 不同質(zhì)量巖彈對(duì)應(yīng)長度Tab.2 Corresponding length for different masses rock bullet

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2.1 SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)

SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)主要由高壓儲(chǔ)氣室、子彈、入射桿、透射桿、吸收桿、信號(hào)采集系統(tǒng)組成，裝置如圖3所示。其中，入射桿長2.40 m、透射桿長1.20 m，均采用直徑為50 mm的40Cr合金鋼，密度為7 810 kg/m3，彈性模量為210 GPa，縱波傳播速度為5 190 m/s；子彈選用能實(shí)現(xiàn)半正弦波加載的“紡錘型”沖頭，長為0.36 m，與壓桿為同種材料做成；采集系統(tǒng)由超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、示波記錄儀和計(jì)算機(jī)組成。SHPB裝置是通過在入射桿及透射桿中部粘貼超應(yīng)變片，采集壓桿中入射應(yīng)變、反射應(yīng)變及透射應(yīng)變的信號(hào)，進(jìn)而利用一維彈性波理論計(jì)算試驗(yàn)系統(tǒng)中的入射能量、反射能量、透射能量，并得出試樣吸收的能量。

圖3 SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 SHPB experimental system

1.2.2 巖彈沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)

自行研制的巖彈沖擊破巖試驗(yàn)系統(tǒng)主要由壓縮空氣供給系統(tǒng)和巖彈沖擊系統(tǒng)組成，如圖4所示。空氣壓縮裝置主要由空壓機(jī)(40 MPa，2 m3/min)、高壓儲(chǔ)罐和控制組件組成。巖彈沖擊系統(tǒng)由儲(chǔ)氣倉、活塞、電磁開關(guān)、巖彈沖擊腔、復(fù)位裝置和控制組件組成。在試驗(yàn)前將巖石試樣垂直放置在沖擊試驗(yàn)臺(tái)上，并將進(jìn)行校準(zhǔn)，使巖彈沖擊腔與巖石試樣中心處于同一直線處。壓縮空氣供給系統(tǒng)通過控制組件和監(jiān)測系統(tǒng)將一定壓力的壓縮空氣儲(chǔ)存至巖彈沖擊系統(tǒng)中的儲(chǔ)氣倉。電磁開關(guān)處于常閉狀態(tài)，在儲(chǔ)氣過程中，通過活塞密封儲(chǔ)氣倉。當(dāng)壓力達(dá)到指定壓力時(shí)，電磁開關(guān)開啟，壓縮空氣驅(qū)動(dòng)活塞加速并加速巖彈，使巖彈具備高沖擊能量，對(duì)巖石進(jìn)行沖擊破碎。同時(shí)活塞在復(fù)位裝置作用下，返回儲(chǔ)氣倉出口并觸發(fā)電磁閥關(guān)閉，密封儲(chǔ)氣倉。

圖4 巖彈沖擊破巖裝置Fig.4 Rock bullet impact rock breaking device

1.2.3 巖彈速度高速攝像測試系統(tǒng)

利用高速攝像機(jī)測量分析巖彈速度，計(jì)算其沖擊動(dòng)能，如圖5所示為高速攝像機(jī)測量分析系統(tǒng)。所用高速攝像機(jī)型號(hào)為FASTCAM SA1.1，最大幀率為2×105fps，最大分辨率為2 560×1 600。本文試驗(yàn)所用幀率為40 000 fps，分辨率為512×512。采用高速攝像處理系統(tǒng)，選擇分析區(qū)域，設(shè)置初始圖像，標(biāo)定分析沖擊區(qū)域與幀率，依據(jù)圖像幀率和巖彈相對(duì)位移，計(jì)算巖彈速度和動(dòng)能。

1.2.4 巖石破碎新增表面積三維掃描測試系統(tǒng)

三維掃描儀型號(hào)為OKIO-5M，該儀器采用藍(lán)光光柵掃描技術(shù)、多線陣列三維掃描方法，配合300萬～500萬像素工業(yè)相機(jī)，掃描實(shí)物直接生成三維立體圖和三維云點(diǎn)數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入后處理軟件，對(duì)三維模型的形貌特征進(jìn)行分析，其掃描精度為0.005 mm，平均點(diǎn)距為0.04 mm，設(shè)備如圖6所示。采用三維掃描儀對(duì)花崗巖試樣破碎后的形貌進(jìn)行三維掃描和建模，采用Geomagic后處理軟件對(duì)巖石表面積分析，計(jì)算巖石破碎后的新增表面積。

圖5 高速攝像機(jī)測量分析系統(tǒng)Fig.5 High-speed camera measurement and analysis system

圖6 三維掃描儀Fig.6 3D scanner

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 SHPB試驗(yàn)方案

試樣采用制備的Φ50 mm×25 mm花崗巖，進(jìn)行SHPB沖擊花崗巖試驗(yàn)時(shí)設(shè)置0.10 MPa，0.15 MPa，0.20 MPa和0.25 MPa四個(gè)壓力水平，每組壓力水平下進(jìn)行3次試驗(yàn)，共進(jìn)行12次試驗(yàn)。

1.3.2 巖彈沖擊破巖試驗(yàn)及三維掃描試驗(yàn)

對(duì)不同質(zhì)量巖彈、不同氣體壓力條件進(jìn)行巖彈沖擊破巖試驗(yàn)，并對(duì)破碎巖石試樣進(jìn)行三維掃描，試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 巖彈沖擊試驗(yàn)方案Tab.3 Rock bullet impact experimental scheme

2 巖石沖擊破壞吸收能理論模型

2.1 破壞吸收能

在SHPB試驗(yàn)中，入射桿的入射能，一部分轉(zhuǎn)化為反射能；一部分以透射波的形式傳遞至透射桿中，若忽略桿間及桿-試件間的能量損失，剩余能量被試件吸收，主要用于試件新裂紋與新表面的生成。相關(guān)能量計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

WL=WI-WR-WT

(4)

式中:WI，WR，WT和WL分別為入射能、反射能、透射能和巖石破壞吸收能;cB，AB，EB分別為壓桿波速、橫截面積、彈性模量；σI(t)，σR(t)，σT(t)分別為t時(shí)刻入射應(yīng)力、反射應(yīng)力、透射應(yīng)力。

巖石破壞吸收能WL主要用于：產(chǎn)生新的斷裂表面和裂紋擴(kuò)展破碎耗能WFD，碎塊彈射的動(dòng)能WK和以各種形式耗散的其他能量WO，主要是熱能，輻射能，聲能等。破壞吸收能可以表示為

WL=WFD+WK+WO

(5)

Zhang等[24]的研究結(jié)果表明，碎塊動(dòng)能WK隨著巖石破壞吸收能WL的增大而增大，但所占比例較少，且其他被耗散的能量WO可以忽略不計(jì)。

在進(jìn)行SHPB試驗(yàn)前在巖樣兩端涂抹凡士林，減小端面摩擦效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；使用紡錘形沖頭，使加載波形為半正弦波，同時(shí)在入射桿端添加波整形器來濾掉波的高頻成分，降低應(yīng)力波傳播過程中的波彌散效應(yīng)，延長入射波上升沿，讓試件有充足的時(shí)間達(dá)到應(yīng)力平衡；本文采用1 mm的黃銅片作為整形器。如圖7為0.25 MPa壓力SHPB試驗(yàn)動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡驗(yàn)證和原始波形圖。由圖7(b)可以看出，曲線入射波+反射波與透射波重合率較好，巖樣兩端實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡。將原始應(yīng)力、波速、截面積和彈性模量代入式(1)～式(4)計(jì)算入射能WI、反射能WR、透射能WT和巖石破壞吸收能WL，表4為SHPB試驗(yàn)各壓力條件下入射能與吸收能，可以看出增大沖擊氣壓能夠有效提升沖擊過程中的入射能，同時(shí)花崗巖破壞吸收能也隨之增大。

圖7 動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡驗(yàn)證Fig.7 Verification of dynamic stress equilibrium

表4 不同壓力條件下花崗巖破壞吸收能Tab.4 Absorbed energy of granite under different pressures

2.2 新增表面積

對(duì)四組SHPB試驗(yàn)得到的巖樣進(jìn)行三維掃描，掃描結(jié)果如圖8所示，分別為0.1 MPa，0.15 MPa，0.2 MPa和0.25 MPa的SHPB試驗(yàn)后巖樣及三維掃描圖。將三維掃描圖及三維云點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入后處理軟件，測得SHPB試驗(yàn)后新增表面積，如表5所示。由圖8和表5可以看出，隨著沖擊氣壓的增加，花崗巖巖樣破碎程度越高，碎塊尺寸越小，新增表面積越大。當(dāng)沖擊氣壓為0.1 MPa時(shí)，應(yīng)力波攜帶較低的能量進(jìn)入巖石試樣用于內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展、貫通，最終導(dǎo)致軸向劈裂拉伸破壞；進(jìn)一步增加沖擊氣壓能夠有效提升入射波能量，致使巖石試樣吸收能增大，內(nèi)部裂隙擴(kuò)展貫通數(shù)目增多，碎塊尺寸減小，破碎程度提升。

圖8 不同壓力條件SHPB試驗(yàn)巖樣及三維掃描圖Fig.8 Rock samples and 3D scans of SHPB experiments under different pressures

表5 不同氣壓SHPB試驗(yàn)花崗巖新增表面積Tab.5 Added surface area of granite for SHPB experiment under different pressures

2.3 巖石破壞吸收能理論模型

脆性巖石在破壞過程中，破壞吸收能WL主要用于新表面的形成，為構(gòu)建巖石破壞吸收能理論模型，研究巖石破壞吸收能與破碎新增表面積的定量關(guān)系，引入巖石比表面自由能γs[25]，即

WL=ΔA·γs

(6)

式中:ΔA為新增表面積，m2；γs為比表面能自由能，是指巖石每形成單位面積所需的能量，J/m2。

本文利用SHPB試驗(yàn)和三維掃描儀測試試驗(yàn)得到巖石破碎過程中的破壞吸收能WL以及破碎巖石新增表面積ΔA，結(jié)合式(6)計(jì)算花崗巖比表面自由能γs，構(gòu)建花崗巖破壞吸收能理論模型。

如表6所示為四組不同氣壓SHPB試驗(yàn)花崗巖破壞吸收能與新增表面積，當(dāng)沖擊氣壓為0.1 MPa時(shí)，三次試驗(yàn)的平均入射能為30.35 J，平均巖石破壞吸收能為11.15 J，平均新增表面積為2 266 mm2；當(dāng)沖擊氣壓為0.15 MPa時(shí)，三次試驗(yàn)的平均入射能分別為55.45 J，平均巖石破壞吸收能為23.23 J，平均新增表面積分別為3 613 mm2?？梢钥闯?，較大的入射能使巖石破壞吸收能增大，更多的能量用于微裂紋擴(kuò)展。巖石內(nèi)部微裂紋的不斷擴(kuò)展、相互貫通，形成宏觀裂紋，造成巖石宏觀破壞，引起新表面的形成。巖石入射能增加，更多的能量被巖石吸收用于裂紋擴(kuò)展形成新表面，導(dǎo)致巖石生成表面的能量增加，破碎程度更大。

表6 不同氣壓SHPB花崗巖破壞吸收能與新增表面積Tab.6 Absorbed energy and added surface area of granite for SHPB with different air pressures

由式(6)可知，破壞吸收能WL與新增表面積ΔA呈線性關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)測試結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖9所示。擬合結(jié)果表明，破壞吸收能和新增表面積呈較好的線性關(guān)系，且花崗巖比表面自由能γs為6.34 mJ/mm2。花崗巖破壞吸收能的理論模型為

WL=0.006 34ΔA

(7)

圖9 吸收能與新增表面積關(guān)系Fig.9 Absorbed energy versus new surface area

3 巖彈沖擊破巖規(guī)律

3.1 巖彈速度測試

巖石的破壞伴隨著能量的釋放與耗散，為研究巖彈沖擊破巖過程中的能量演化，分析沖擊破巖規(guī)律，需對(duì)巖彈動(dòng)能測算；而氣體壓力和巖彈質(zhì)量是影響其動(dòng)能的主要因素。因此根據(jù)實(shí)際工程條件，采用高速攝像機(jī)對(duì)相同靶距(20 cm)條件下，不同儲(chǔ)氣壓力和不同質(zhì)量條件的巖彈速度進(jìn)行測算，得到巖彈的沖擊動(dòng)能，如圖10為高速攝像機(jī)拍攝的巖彈。

圖10 巖彈高速攝像圖像Fig.10 High-speed camera image of rock bullet

巖彈速度計(jì)算公式為

(8)

式中：v為巖彈速度，m/s；Δn為選定始末圖像的幀數(shù)差；ni為高速攝像機(jī)幀率；ΔL為選定兩圖像中巖彈的距離差。

測算結(jié)果表明，氣體壓力和巖彈質(zhì)量對(duì)巖彈具有不同的加速效果。如表7所示，當(dāng)巖彈質(zhì)量為3 g時(shí)，提高氣體壓力能有效增大巖彈的速度和動(dòng)能。而當(dāng)氣體壓力為3 MPa時(shí)，巖彈動(dòng)能隨質(zhì)量的增加而增加，但速度卻出現(xiàn)降低，如表8所示。

表7 巖彈質(zhì)量3 g時(shí)不同儲(chǔ)氣壓力對(duì)應(yīng)的速度及動(dòng)能Tab.7 Velocity and kinetic energy at different storage pressures for a rock bullet mass of 3 g

表8 3 MPa條件下不同巖彈質(zhì)量對(duì)應(yīng)的巖彈速度及動(dòng)能Tab.8 Velocity and kinetic of rock bullet with different mass conditions under 3 MPa

3.2 氣體壓力對(duì)沖擊破巖規(guī)律的影響

巖彈質(zhì)量為3 g時(shí)不同氣體壓力條件下巖彈沖擊破壞花崗巖試樣的試驗(yàn)結(jié)果，如圖11所示。由圖11可以看出，隨著氣體壓力增加，巖石破碎后的新增表面積增大。如表9所示為新增表面積與氣體壓力的關(guān)系；當(dāng)氣壓為2 MPa時(shí)，速度為146.3 m/s，巖彈動(dòng)能為32.10 J，破碎后新增面積為1 135 mm2，根據(jù)式(7)可得巖石破壞吸收能為7.2 J。當(dāng)氣壓為3 MPa時(shí)，速度為177.3 m/s，巖彈動(dòng)能為47.15 J，破碎后新增面積為2 460 mm2，巖石吸收能為15.6 J。氣體壓力的增大可有效提高巖彈速度和沖擊動(dòng)能，致使花崗巖試樣破壞吸收能與新增表面積增大，破壞效果提升。但隨氣體壓力增加，巖彈向巖石的傳遞能量效率降低。如圖12所示，當(dāng)氣體壓力由3 MPa提升至4 MPa時(shí)，花崗巖破壞吸收能由15.6 J增加至23.1 J，增量為7.5 J；氣體壓力由4 MPa提高至5 MPa時(shí)，破壞吸收能增量為5.4 J。沖擊過程中，巖彈速度增大能夠提升其對(duì)花崗巖試樣的沖擊力，但巖彈所受反作用力也隨之增大。反作用力以應(yīng)力波的形式在巖彈內(nèi)傳播，使巖彈破碎程度提高，破碎巖屑動(dòng)能增加。即巖彈破碎與彈射所耗散的能量隨其沖擊動(dòng)能的增大而增加，使沖擊動(dòng)能的轉(zhuǎn)化為吸收能的效率降低。但提高沖擊動(dòng)能依然能夠提升破壞效果。

圖11 不同壓力巖彈沖擊破壞花崗巖效果Fig.11 Effect of rock bullet impacting to granite under different pressures

表9 不同壓力條件巖彈沖擊破巖參數(shù)表Tab.9 Parameters of rock bullet impacting under different pressures

圖12 不同氣壓下動(dòng)能與破壞吸收能變化規(guī)律Fig.12 Variation of kinetic energy and absorbed energy under different pressures

3.3 巖彈質(zhì)量對(duì)沖擊破巖規(guī)律的影響

氣體壓力為3 MPa時(shí)不同質(zhì)量條件下巖彈沖擊破壞花崗巖試樣的試驗(yàn)結(jié)果，如圖13所示。新增表面積和破壞吸收能結(jié)果如表10所示。隨著巖彈質(zhì)量增加，花崗巖試樣在不同位置出現(xiàn)了斷裂破壞，且形成的碎塊隨巖彈質(zhì)量增加，尺寸減小，數(shù)量增多。花崗巖試樣的破壞特征主要決定于巖彈沖擊過程向試樣傳遞的能量及試樣的破壞閾值。巖彈質(zhì)量較小時(shí)，其動(dòng)能較低，傳遞的能量小于試樣破壞閾值，能量會(huì)以彈性應(yīng)力波形式耗散。隨巖彈質(zhì)量增加，巖彈動(dòng)能增大，傳遞給花崗巖試樣的能量增加，當(dāng)傳遞能量略高于試樣整體破壞的能量閾值，試樣沿軸向會(huì)出現(xiàn)整體的劈裂拉伸破壞；繼續(xù)增加巖彈質(zhì)量，聚集在花崗巖試樣內(nèi)部弱結(jié)構(gòu)面處的能量增多，致使試樣不同位置出現(xiàn)斷裂破壞，且隨輸入能量的增加，碎塊尺寸減小，數(shù)量增多，破壞程度提高[26]。

圖13 不同質(zhì)量巖彈破壞花崗巖效果Fig.13 Effect of granite destruction by different mass of rock bullet

表10 不同質(zhì)量條件巖彈沖擊破巖參數(shù)表Tab.10 Rock bullet impacting parameters for different quality conditions

由動(dòng)能定理可知

(9)

式中:Wk為巖彈動(dòng)能，J；m為巖彈的質(zhì)量，g；v為巖彈的速度，m/s。

由動(dòng)量定理可知

(10)

式中:P為巖彈動(dòng)量，kg·m/s；F為巖彈沖擊過程中產(chǎn)生的作用力，N。

聯(lián)立式(9)、式(10)得

(11)

由式(11)易得巖彈在沖擊過程中產(chǎn)生的作用力與巖彈質(zhì)量m和動(dòng)能Wk乘積成冪次方關(guān)系，與沖擊時(shí)間Δt成反比，而巖彈在沖擊過程中作用時(shí)間極短，Δt可近似相等。

不同質(zhì)量條件巖彈動(dòng)能與巖石試樣破壞吸收能變化規(guī)律如圖14所示，在3 g～11 g內(nèi)，巖彈質(zhì)量的增加能使其沖擊動(dòng)能提升，因此巖彈質(zhì)量m和動(dòng)能Wk的乘積也隨之增大，致使沖擊過程產(chǎn)生的應(yīng)力波幅值提高，更多的能量以應(yīng)力波的形式在巖石中傳播且被花崗巖試樣吸收，破壞效果提升。巖彈質(zhì)量由3 g增大到5 g時(shí)，沖擊動(dòng)能由47.1 J增加到52.2 J，增量為5.1 J；巖彈質(zhì)量由5 g增加到7 g時(shí)，其沖擊動(dòng)能增量為3.9 J。巖彈質(zhì)量增大能夠提升巖彈沖擊動(dòng)能，但其沖擊動(dòng)能增量逐漸減小。一味提高巖彈質(zhì)量并不能使其沖擊動(dòng)能持續(xù)提高，當(dāng)巖彈質(zhì)量的增加使其質(zhì)量m與動(dòng)能Wk的乘積達(dá)到臨界值時(shí)，繼續(xù)增加質(zhì)量不會(huì)使花崗巖沖擊破壞效果提升。

圖14 不同質(zhì)量條件速度與破壞吸收能變化規(guī)律Fig.14 Variation of velocity and absorbed energy for different mass

3.4 巖性對(duì)沖擊破巖規(guī)律的影響

采用相同的研究方法進(jìn)行玄武巖巖彈沖擊破碎玄武巖試驗(yàn)研究。圖15、圖16為不同氣體壓力和不同質(zhì)量巖彈沖擊破壞玄武巖效果。玄武巖進(jìn)行三維掃描得到新增表面積，如表11所示。當(dāng)巖彈質(zhì)量為3 g時(shí)，氣體壓力由3 MPa提高到4 MPa，破碎玄武巖新增表面積為由1 032 mm2增加到2 340 mm2，增量為1 308 mm2；沖擊氣壓由4 MPa增加到5 MPa，新增表面積增量792 mm2。和花崗巖巖彈沖擊破碎花崗巖規(guī)律一致，增大沖擊氣壓可有效提升破壞效果，同時(shí)玄武巖巖彈破碎和飛濺能耗增大，能量轉(zhuǎn)化效率降低。當(dāng)沖擊壓力為3 MPa時(shí)，增加玄武巖巖彈質(zhì)量同樣能夠使玄武巖破碎新增表面積增大，提升破碎效果。同時(shí)由于玄武巖的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高于花崗巖的抗拉強(qiáng)度，在相同的沖擊條件下玄武巖的新增表面積低于花崗巖的新增表面積。相較于花崗巖，玄武巖具有較高比表面自由能。因此，不同巖性的巖石比表面自由能不同，破壞吸收能理論模型具有相同的模式，氣體壓力、巖彈質(zhì)量對(duì)不同巖性巖石沖擊破壞效果的影響基本一致。

圖15 不同壓力巖彈沖擊破壞玄武巖效果Fig.15 Effect of rock bullet impacting on basalt under different pressures

圖16 不同質(zhì)量巖彈沖擊破壞玄武巖效果Fig.16 Effect of basalt destruction by different mass rock bullet

表11 不同沖擊條件下玄武巖新增表面積Tab.11 Added surface area of basalt under different impact conditions

4 結(jié) 論

針對(duì)硬巖掘進(jìn)中鉆具磨損快、掘進(jìn)效率低等關(guān)鍵問題，基于粒子沖擊破巖技術(shù)，提出利用巖彈沖擊破巖。采用SHPB試驗(yàn)和三維掃描儀測試試驗(yàn)得到了巖石破壞吸收能與新增表面積，計(jì)算了巖石比表面自由能，構(gòu)建了巖石破壞吸收能計(jì)算理論模型；利用自行研制的巖彈沖擊破巖裝置進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了巖彈沖擊破巖的可行性，并基于構(gòu)建的巖石破壞吸收能計(jì)算理論模型，從沖擊能量演化角度分析了巖彈沖擊破巖規(guī)律及其影響因素。形成了以下主要結(jié)論：

(1)提出利用SHPB試驗(yàn)和三維掃描儀測試得到巖石破壞吸收能與新增表面積來構(gòu)建巖石破壞吸收能理論模型的方法，并得到試驗(yàn)花崗巖試樣比表面自由能為6.34 mJ/mm2。不同巖性的巖石，可采用該方法計(jì)算比表面自由能，構(gòu)建其破壞吸收能理論模型。

(2)提高氣體壓力可有效增大巖石破壞新增表面積，提升破壞效果，但沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為吸收能的效率降低。巖石吸收能與巖彈質(zhì)量與動(dòng)能的乘積成冪次方關(guān)系，保持壓力不變，增加巖彈質(zhì)量，可在一定范圍增大巖石破壞新增表面積。但一味的提高巖彈質(zhì)量，導(dǎo)致沖擊動(dòng)能降低，沖擊破碎效果并不能有效提升。

(3)不同巖性的巖石比表面自由能不同，但破壞吸收能理論模型具有相同的模式，且氣體壓力、巖彈質(zhì)量對(duì)不同巖性巖石沖擊破壞效果的影響基本一致。