師百壘，潘艷賓

微波照射引起巖石裂紋開裂數(shù)值模擬研究＊

師百壘1，潘艷賓2

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中交西安鐵道設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710000）

隨著現(xiàn)代社會(huì)交通的發(fā)展，微波輔助機(jī)械開挖巖體隧道備受人們的關(guān)注。為研究微波照射引起巖石裂紋開裂情況，采用PFC2D進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，微波照射巖石裂紋首先發(fā)生在兩種礦物交界處，不同礦物顆粒巖石晶體發(fā)生破裂所需微波能量不同，形狀越不規(guī)則的顆粒越容易形成裂紋。

微波照射；數(shù)值模擬；巖石裂紋；微波破巖

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們?cè)絹碓阶非蟪鲂薪煌ǖ谋憷?。在山體隧道建設(shè)過程中會(huì)遇到各種各樣的巖層，目前，巖石的開挖方法主要有鉆爆法、盾構(gòu)法等[1-2]，巖石的強(qiáng)度越大開挖的難度就越大。微波輔助破巖的提出大大改變了以往人們對(duì)巖石破碎技術(shù)的發(fā)展觀念，微波可弱化巖石強(qiáng)度，提高巖石的可開挖性，減少破巖所需能量，降低施工成本[3-4]。

那么，微波照射是怎么引起巖石裂紋的是急需解決的問題之一，采用數(shù)值模擬方法對(duì)其進(jìn)行研究，為“微波+機(jī)械”技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供理論基礎(chǔ)。

1 微波破巖基本理論

巖石在微波照射下受多種場(chǎng)的共同作用，由于組成巖石的礦物成分對(duì)微波的敏感度不同，在微波照射時(shí)巖石內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生重分布，溫度場(chǎng)呈現(xiàn)非均勻性，同時(shí)巖石材料特性也會(huì)發(fā)生變化，所以在進(jìn)行巖石內(nèi)部細(xì)觀分析時(shí)要選取合適的固熱耦合模型[5]。

由于巖石由非均質(zhì)顆粒隨機(jī)組成，要考慮溫度效應(yīng)的巖體應(yīng)力平衡方程：

=1，2，3 （1）

式（1）中：λ，G為拉梅常數(shù)；為體積應(yīng)變；為外力；為體積變形模量；為熱膨脹系數(shù)；為溫度。

非均質(zhì)的非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程為：

式（2）中：為熱傳導(dǎo)系數(shù)；為溫度；為密度；為比熱容；為時(shí)間；0為熱量源。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

采用PFC2D進(jìn)行模擬，該軟件熱材料模型是由一系列的熱源（吸波顆粒）和熱管（顆粒間黏結(jié)）組成，假定材料模型邊界絕熱且照射時(shí)間非常短，不存在對(duì)流和輻射，控制方程為[6]：

式（3）中：i為熱流量矢量，由傅里葉定律控制；v為體熱強(qiáng)度；為材料密度；P為材料比熱容。

巖石模型尺寸設(shè)定為20 mm×40 mm，最小顆粒半徑設(shè)為0.1 mm，并選擇對(duì)微波敏感的黃鐵礦（FeS2）和不吸波的方解石，模型為黃鐵礦顆粒隨機(jī)分布于方解石基質(zhì)中。其模型如圖1所示。

圖1 二相巖石礦物模型

2.2 結(jié)果及分析

采用不同微波參數(shù)和不同大小的礦物晶體顆粒分析對(duì)照射效果的影響。

2.2.1 不同照射參數(shù)

對(duì)二相礦物模型進(jìn)行微波照射時(shí)，功率密度采用1×109W/m3，當(dāng)熱應(yīng)力超過顆粒間平行黏結(jié)法向強(qiáng)度或切向強(qiáng)度，即產(chǎn)生微裂紋。不同照射時(shí)間下裂紋發(fā)展情況如圖2所示。當(dāng)功率一定時(shí)，裂紋首先發(fā)生在兩種礦物交界處，隨著照射時(shí)間增長(zhǎng)，裂紋不斷增多，巖石損傷程度變大。從圖2中可以看出當(dāng)照射時(shí)間超出一定范圍時(shí)，照射效果變的不明顯，即微波照射存在最優(yōu)微波照射時(shí)間。

2.2.2 不同礦物顆粒大小和形狀

對(duì)二相礦物模型進(jìn)行微波照射時(shí)，功率密度采用1×1011W/m3下，不同顆粒大小和形狀的礦物對(duì)微裂紋數(shù)量和分布的影響，如圖3所示。

（a）微裂紋數(shù)量 （b）微裂紋數(shù)量 （c）微裂紋數(shù)量

143d=1×109W/m3， 335d=1×109W/m3， 575d=1×109W/m3，

0.1 s=0.868 kW·h/t 0.5 s=4.34 kW·h/t 1.0 s=8.680 kW·h/t

圖2 不同照射時(shí)間下裂紋發(fā)展情況

（a）圓形礦物顆粒 （b）圓形礦物顆粒 （c）方形礦物顆粒

d=1×1011W/m3d=1×1011W/m3d=1×1011W/m3

1 ms，=2 mm 1 ms，=3 mm 1 ms

圖3 不同顆粒大小和形狀的礦物對(duì)微裂紋發(fā)展情況

從圖3可以看出，巖石內(nèi)部主要是法向拉壓破壞，少部分發(fā)生剪切破壞。礦物顆粒越小的巖石晶體要發(fā)生破裂的臨界應(yīng)力強(qiáng)度值越高，熱開裂閥值溫度越高；礦物顆粒越大，巖石發(fā)生熱破裂的門檻值微波能量越低；顆粒形狀越不規(guī)則，表面曲率變化越快，越容易形成熱應(yīng)力集中，產(chǎn)生微裂紋所需吸收能量越小。礦物顆粒晶體尖端或棱角處因熱應(yīng)力奇異性首先出現(xiàn)裂紋。

3 結(jié)語

微波照射能引起巖石開裂，弱化巖石強(qiáng)度，不同巖石組成礦物對(duì)微波敏感度不同，裂紋首先從較弱的礦物交界面發(fā)生。微波照射存在最優(yōu)照射時(shí)間，不同礦物顆粒巖石晶體發(fā)生破裂所需微波能量不同，形狀越不規(guī)則的顆粒越容易形成裂紋。

［1］田玉新，劉星.巖石爆破破巖機(jī)理［J］.科技致富向?qū)В?010（1）：21-22．

［2］戴俊，秦立科.微波照射對(duì)巖石強(qiáng)度的影響研究［J］.有色金屬（選礦部分），2014（3）：54-57．

［3］張宗賢.國(guó)外巖石破碎和掘進(jìn)方法的新進(jìn)展［J］.金屬礦山，1995（4）：23-25．

［4］戴俊，師百壘，吳濤.微波照射對(duì)巖石抗沖擊性能的影響［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，37（1）：64-67．

［5］戴俊，秦立科.微波照射下巖石損傷細(xì)觀模擬分析［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（6）：652-655．

［6］BRADSHAW S.Techno-economic considerations in the commercial processing of mineral ores［J］.Journal of Microwave Power，2007，40（4）：228-240.

TU45

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.019

2095－6835（2019）14－0048－02

師百壘（1989—），男，研究方向?yàn)殍F路工程施工技術(shù)。

楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究基金項(xiàng)目（編號(hào)：A2018033）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕