火成岩微波面照射损伤破裂机理研究
批准号:
52104121
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
郑彦龙
依托单位:
学科分类:
矿山开采工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
郑彦龙
中文摘要
微波面照射辅助破岩技术是提高机械破碎火成岩效率、降低刀具磨损的手段之一,关键科学问题是微波致裂火成岩的损伤破裂表征和基于岩石参数的损伤模型的建立。项目采用可控微波功率密度面照射常见火成岩,利用声发射监测、三维形貌扫描、光学相机、便携式显微镜、示踪探伤技术、三维裂纹重构等精细化表征裂纹,利用超声波波速、施密特回弹值衰减、裂纹密度和抗压强度衰减等精细化表征损伤;测定岩石的物理、力学、矿物和介电参数,分析各参数对损伤的显著性,并回归建立多参数微波致裂损伤模型;分析照射点距离和自由边界对裂纹起裂和分布特征的影响,确认最优的微波照射点间距和自由边界距离,揭示微波面照射致裂常见火成岩的机理。项目研究成果有望推动微波致裂岩石技术的理论发展,并为工程应用提供技术支撑,可用于采矿工程、隧道工程、城市地下空间工程、岩石边坡和基础工程中的非爆破岩石开挖,有着重要的应用价值和战略意义。
英文摘要
Microwave assisted breakage of igneous rocks by surface radiation is one of most promising technologies to improve the efficiency of rock cutting machineries and to reduce the cutter wear. The key problem when utilising the technology is to characterise the damage and failure of igneous rocks exposed to surface microwave radiation and to establish a multi-variable damage model based on rock parameters. In this project, surface microwave radiation with a controlled power intensity is to be performed on commonly found igneous rocks. Techniques including acoustic emission measurement, profile scanning, microscope observation and crack extraction, ultrasonic wave velocity tester, Schmidt hammer, and reconstruction of cracks will be used to characterise microwave induced cracks and damage. Meanwhile, physical, mineralogical, mechanical and dielectric properties of the rocks will be measured and the significance of the properties to damage will be investigated. The study then will establish a multi-variable damage model using the entropy weight method. At the end, the optimal radiation spacing and the effect of free boundaries to microwave fracturing will be studied. The rock fracturing mechanisms of surface microwave radiation is then to be revealed. The findings of the project can be used in non-explosion rock excavation in mining engineering, tunnelling, underground space utilisation and rock slope and foundations.
高强度或高磨蚀性火成岩的高效机械破岩是岩石破碎工程面临的主要难题,微波辅助破岩技术通过引入裂隙网络显著降低围岩的完整性,并降低岩石材料强度,为提高机械破岩效率提供了全新的可能性。本研究项目聚焦于微波辅助破岩技术的科学与工程问题,取得了以下创新性成果:.首先,项目深入研究了开放式和单模式微波照射致裂火成岩的机理,系统分析了微波诱导裂纹形成和扩展过程中的主导因素。研究表明,微波作用下岩石的破裂机理受制于岩石内部矿物成分、介电特性以及微波能量分布等多重因素的耦合作用。针对这些影响因素,项目创新性地提出了岩石可微波致裂性指数(Microwave Fracturability Index, MFI),这一指数可以定量表征微波致裂不同岩石的难易程度,为微波辅助破岩的效果预测和设计提供了重要参考。.其次,在揭示微波致裂岩石机理的基础上,通过单点和多点微波照射实验,结合热-力学多场耦合数值模拟,精确再现了微波致裂过程中裂纹的萌生、扩展和贯通的动态过程,并确定了裂纹分布的主要控制参数。这一研究为微波辅助机械破岩中裂隙网络的优化设计提供了理论依据。.第三,针对工程应用需求,项目开发了适用于开放式微波致裂硬岩的聚焦破岩天线。通过优化微波能量聚焦特性和辐射效率,建立了基于MFI的天线选型理论,并提出了不同岩性条件下天线的最佳匹配策略。此外,研究还确定了与尺寸效应有关的微波致裂岩石的最佳自由边界距离,为实际工程中微波破岩装置的部署和参数设计提供了指导。项目进一步获取了组合点微波致裂工程岩体的作业参数,初步揭示了微波诱发裂纹在机械循环冲击下的扩展规律,为微波-机械联合破岩技术在复杂岩体中的应用提供了科学依据。.综上所述,本项目系统厘清了微波致裂硬岩的主导影响因素,建立了岩石可微波致裂性指数,研发了聚焦破岩天线及其匹配理论,并初步优化了微波与机械破岩协同作用的工艺参数。研究成果为微波辅助机械破岩技术的工程应用提供了关键技术支撑。在双碳背景下,本研究为提高岩石掘进效率、降低工程环境影响提供了重要的解决方案,具有显著的经济和社会意义。
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