甘德清 田曉曦 高 鋒 劉志義

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009；2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山063009）

長(zhǎng)期以來(lái)，磁鐵礦石一直是我國(guó)鐵礦山的主要產(chǎn)品，是鋼鐵冶金行業(yè)的主要原料之一。破碎是磁鐵礦石加工的主要作業(yè)方式，在實(shí)際破碎作業(yè)中，部分礦石承受循環(huán)沖擊載荷，內(nèi)部損傷累積至一定程度時(shí)才發(fā)生完全斷裂，礦石粒度降低。這一過(guò)程中，礦石的運(yùn)動(dòng)、摩擦和反復(fù)沖擊需要消耗較高的能量，導(dǎo)致單位礦石破碎能耗過(guò)高。因此，需要研究循環(huán)載荷條件下礦石損傷規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)礦石有效破碎、降低破碎能耗提供理論依據(jù)。

在沖擊條件下巖石損傷變化規(guī)律的研究中，國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者做了諸多探討。夏冬等［1］通過(guò)對(duì)飽水閃長(zhǎng)巖進(jìn)行循環(huán)加卸載的室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，得出隨著循環(huán)次數(shù)及應(yīng)力水平的增加，試樣的不可逆變形逐漸增大，損傷度也逐漸增加。林大能等［2］通過(guò)對(duì)大理石試件進(jìn)行模擬沖擊加載，分別得到試件沖擊損傷度與沖擊次數(shù)、圍壓和動(dòng)態(tài)荷載的相關(guān)性。李夕兵等［3］基于SHPB 試驗(yàn)裝置分別對(duì)5 種不同齡期的混凝土進(jìn)行循環(huán)沖擊試驗(yàn)，提出早齡期混凝土在沖擊荷載條件下的損傷度對(duì)入射能更敏感，破壞累積損傷與齡期等外界因素幾乎無(wú)關(guān)。朱晶晶等［4］利用改進(jìn)的大直徑霍布金森壓桿試驗(yàn)裝置對(duì)花崗巖進(jìn)行了單軸循環(huán)沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加，累積損傷逐漸增加，其前期增加速率比較平緩，最后一次沖擊破壞累積損傷大幅度上升。吳迪等［5］采用一種簡(jiǎn)易的落錘裝置，對(duì)砂巖進(jìn)行循環(huán)沖擊試驗(yàn)，得出當(dāng)沖擊能量相同時(shí)，隨循環(huán)次數(shù)增加，累積損傷速率不斷增加；當(dāng)循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨著沖擊能量越大累積損傷速率越大的結(jié)論。李地元等［6］通過(guò)改進(jìn)的SHPB 沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)合聲發(fā)射裝置對(duì)花崗巖進(jìn)行循環(huán)沖擊試驗(yàn)，得到在沖擊完成后，隨著吸收能的增加，試件的損傷量逐漸增大的結(jié)果。

目前在靜態(tài)循環(huán)加載下探究巖石的力學(xué)特性及累積損傷的研究成果較為豐富，而循環(huán)沖擊載荷作用下巖石的累積損傷規(guī)律尚處于起始階段。因此，本文從磁鐵礦石在循環(huán)載荷條件下破碎耗能過(guò)高的實(shí)際情況出發(fā)，采用落錘試驗(yàn)裝置開(kāi)展循環(huán)加載沖擊試驗(yàn)，基于聲波波速測(cè)量的方法確定每次沖擊后的損傷值。推演磁鐵礦石損傷至完全斷裂的動(dòng)態(tài)過(guò)程，分析能量對(duì)試件沖擊損傷和破碎的本質(zhì)作用，揭示損傷隨能量和沖擊次數(shù)變化的規(guī)律，以期為礦石破碎過(guò)程中單位能耗的降低提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1為落錘沖擊試驗(yàn)裝置示意圖，該裝置由提升系統(tǒng)、落錘沖擊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)組成，可完成巖石落錘沖擊破碎試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 吸收能

進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)時(shí)，首先輸入沖擊高度和錘體質(zhì)量，在平臺(tái)上放置試樣后，錘頭下降至試樣上表面進(jìn)行測(cè)試。錘頭上升至指定高度后，忽略與導(dǎo)柱之間的摩擦力，作近似自由落體運(yùn)動(dòng)，沖擊試件。位移傳感器記錄底座運(yùn)動(dòng)的位移，光電速度傳感器記錄感應(yīng)塊通過(guò)傳感器的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出沖擊速度。在沖擊的過(guò)程中，剎車(chē)護(hù)套確保錘頭不會(huì)進(jìn)行反彈動(dòng)作，防止二次沖擊。通過(guò)高速攝像儀測(cè)試錘頭離開(kāi)試件時(shí)的速度、通過(guò)位移計(jì)記錄底座下降的最大位移，結(jié)合落錘質(zhì)量、沖擊高度和底座與蓋板質(zhì)量，根據(jù)文獻(xiàn)［7］能量計(jì)算方法，計(jì)算試件每次沖擊的吸收能。

1.2.2 損傷因子

落錘循環(huán)沖擊磁鐵礦石試件時(shí)，每次沖擊后試件的損傷為累積損傷。通過(guò)損傷值與沖擊次數(shù)、能量之間的關(guān)系可以直觀反映材料破壞過(guò)程。用損傷前后縱波波速的改變定義損傷因子操作簡(jiǎn)單，理論與工程應(yīng)用十分廣泛用［8-11］，計(jì)算公式為

式中，C 為損傷后的縱波波速；C0為損傷前的縱波波速。

試件放置在承載蓋板上，不施加其它載荷，每次沖擊后方便取下測(cè)試損傷。在試件的上下、前后、左右三組對(duì)面上均勻布置四個(gè)測(cè)試點(diǎn)，沖擊后每組對(duì)面測(cè)試4 次波速，每次沖擊后共測(cè)試12 次波速，然后取平均值作為沖擊損傷后的波速值。使用PCI-2 聲發(fā)射儀測(cè)試試件的波速，為測(cè)試試件的實(shí)際波速，波速探頭位置與測(cè)試方式如圖2所示。

1.2.3 試樣及試驗(yàn)參數(shù)的選取

試驗(yàn)所用錘體的質(zhì)量為50 kg，磁鐵礦石試件形狀為立方體，邊長(zhǎng)約50 mm。實(shí)驗(yàn)室錘頭的形狀有圓柱形和球形兩種，球形錘頭沖擊時(shí)沖擊力與能量集中，錘頭質(zhì)量一定時(shí)，在較低的沖擊高度下試件即發(fā)生破碎，可調(diào)的高度范圍窄；而圓柱形錘頭沖擊立方體試件時(shí)，接觸方式為面接觸，加載方式為均勻加載，錘體質(zhì)量一定時(shí)，在較高的沖擊高度下試件才能破碎，可調(diào)的高度范圍寬。因此，為分析不同沖擊能量下磁鐵礦石試件的損傷特征，選擇圓柱形錘頭進(jìn)行不同高度條件下的循環(huán)沖擊加載試驗(yàn)（見(jiàn)圖3）。

由預(yù)試驗(yàn)結(jié)果可知，沖擊高度小于0.3 m 時(shí)，圓柱形錘頭需要沖擊試件20次以上才斷裂或者一直不破壞；沖擊高度大于0.5 m 時(shí)，部分試件被沖擊1～2次就發(fā)生斷裂。為提高試驗(yàn)效率，選擇循環(huán)沖擊的高度為0.3 m、0.4 m、0.5 m。磁鐵礦石試件參數(shù)及試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

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2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 落錘循環(huán)沖擊下磁鐵礦石損傷過(guò)程的理論分析

為全面研究磁鐵礦石落錘沖擊破碎的能量特征，有必要探索低能量沖擊作用下磁鐵礦石的損傷過(guò)程和能量特征［12］。沖擊能量較低時(shí)，巖石或礦石不能一次破碎，在多次沖擊作用下才會(huì)完全斷裂。用較低的能量循環(huán)沖擊巖石或礦石試件時(shí)，在所用能量能夠引起試件內(nèi)部損傷的條件下，每次沖擊試件都會(huì)產(chǎn)生新的損傷，新產(chǎn)生的損傷在上一次沖擊損傷的基礎(chǔ)上發(fā)展，即每次沖擊后試件的損傷都是歷史損傷的累積。試件承受沖擊載荷時(shí)，礦物顆粒周?chē)哪芰窟_(dá)到顆粒表面能時(shí)才能引發(fā)顆粒運(yùn)動(dòng)，使裂隙萌生和擴(kuò)展，由于一部分能量在試件中會(huì)以彈性波擴(kuò)散的形式耗散，如果施加到單元體的能量小于單元體最低表面能，那么無(wú)論循環(huán)沖擊多少次，試件都不會(huì)發(fā)生破壞。

裂隙的活動(dòng)是巖石損傷的具體形式，新裂隙萌生時(shí)需要破壞晶體鍵或克服分子間的范德華力，所需要的能量大于原生裂隙擴(kuò)展的耗散能。裂隙的擴(kuò)展實(shí)際上是能量傳遞過(guò)程中在裂隙尖角位置聚集，破壞顆粒間黏聚力引發(fā)顆粒運(yùn)動(dòng)分離的表現(xiàn)，而裂隙的閉合則是能量向自由面釋放時(shí)引起能量場(chǎng)內(nèi)的顆粒向裂隙空間移動(dòng)的行為，可見(jiàn)裂隙的閉合比裂隙擴(kuò)展耗散的能量更少［13-15］。因此，在損傷發(fā)生的前提下，以較低的能量沖擊巖石的初始階段，試件內(nèi)部以垂直載荷方向的裂隙壓縮閉合為主，同時(shí)也會(huì)有少量的縱向裂隙擴(kuò)展；隨著沖擊次數(shù)的增大，縱向擴(kuò)展的裂隙數(shù)量增多，擴(kuò)展范圍逐漸增大，試件內(nèi)部的損傷逐漸變大；當(dāng)裂隙數(shù)量足夠大并有裂隙發(fā)生交接時(shí)，裂隙擴(kuò)展迅速，損傷發(fā)展速率增大，再以一定的能量沖擊激發(fā)時(shí)，試件發(fā)生完全斷裂。

綜上分析，可假設(shè)在能夠引起磁鐵礦石內(nèi)部損傷的能量范圍內(nèi)，落錘以較低的能量沖擊磁鐵礦石試件時(shí)，試件遵循上述損傷發(fā)展過(guò)程，并將損傷過(guò)程劃分成初始損傷階段、加速損傷階段、斷裂階段，如圖4所示。

2.2 磁鐵礦石循環(huán)沖擊損傷的變化特征

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制波速和損傷因子隨沖擊次數(shù)、累積吸收能的變化曲線，如圖5～圖7所示。

由圖5 可知，磁鐵礦石循環(huán)沖擊加載的初始階段，波速緩慢降低，對(duì)應(yīng)的損傷因子也是緩慢上升，試件MP3-5和MP3-6在前幾次沖擊后波速和損傷因子幾乎沒(méi)有變化。這可能是因?yàn)樵嚰?nèi)部縱向裂隙較少，能量主要作用于橫向裂隙的壓縮，還難以促進(jìn)縱向裂隙的顯著擴(kuò)展。隨著沖擊循環(huán)的進(jìn)行和累積吸收能的增大，波速降低和損傷因子增加的幅度逐漸增大，試件損傷速率加快。在臨近斷裂時(shí)，試件的波速和損傷因子變化的速率突然增大，出現(xiàn)了裂隙交接和貫通，再次沖擊時(shí)，試件發(fā)生完全斷裂。

由圖6可知，在0.4 m 高度下沖擊磁鐵礦石，試件的波速隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加而降低，曲線呈上凸型，即降低速率逐漸增大，且對(duì)于前兩次的沖擊其波速基本沒(méi)有變化，破壞之前波速降低均在20%左右。在該高度下，試件的累積損傷隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加而增大，曲線呈下凹型，即破壞前損傷因子增加較為平緩，最后一次沖擊后，曲線斜率顯著提高，其損傷增量占最終累積損傷的80%左右。

由圖7 可知，磁鐵礦石在0.5 m 的沖擊高度下表現(xiàn)出和0.3 m、0.4 m 沖擊高度下一致的損傷規(guī)律，隨著沖擊高度增大，試件完全斷裂時(shí)的循環(huán)沖擊次數(shù)和累計(jì)吸收能明顯減少，波速降低和損傷因子增大的速率明顯增大，這是由于沖擊高度增大，沖擊能和沖擊速率增大，在較高的沖擊能作用下試件單元體瞬時(shí)積聚的變形能大于表面能的概率增大。沖擊速率增大時(shí)，能量以更快的速率在試件中耗散，激發(fā)缺陷周?chē)w粒振動(dòng)，促進(jìn)裂隙的擴(kuò)展，從而加快試件的整體損傷。

綜合圖5～圖7 可得，循環(huán)沖擊次數(shù)越多，累計(jì)吸收能越大，當(dāng)沖擊高度較低，即沖擊能和沖擊速率較低時(shí)，磁鐵礦石試件在破壞前吸能很少，大部分的沖擊能以底座的彈性勢(shì)能和聲能等形式耗散，而當(dāng)最后一次沖擊時(shí)，沖擊能則主要被試件所吸收，用于內(nèi)部裂隙的擴(kuò)展、發(fā)育，直至產(chǎn)生宏觀破壞。

根據(jù)落錘循環(huán)沖擊載荷下磁鐵礦石的損傷曲線和損傷特征，在引起磁鐵礦石內(nèi)部損傷的能量范圍內(nèi)，以較低的能量進(jìn)行循環(huán)沖擊加載時(shí)，磁鐵礦石依次經(jīng)歷了初始損傷階段、加速損傷階段和完全斷裂階段，與循環(huán)沖擊損傷過(guò)程的理論分析結(jié)果一致。隨著沖擊次數(shù)和累計(jì)吸收能的增加，試件波速以負(fù)指數(shù)的規(guī)律降低，損傷因子以指數(shù)的規(guī)律增大，由此提出落錘循環(huán)沖擊條件下磁鐵礦石的3段損傷模型，如圖8所示。

2.3 磁鐵礦石循環(huán)沖擊斷裂的能量特征分析

統(tǒng)計(jì)磁鐵礦石在不同沖擊高度下，循環(huán)沖擊加載完全斷裂時(shí)的總吸收能和沖擊次數(shù)，建立總吸收能、沖擊次數(shù)與沖擊高度的關(guān)系，見(jiàn)表2。

由表2 可知，錘體質(zhì)量一定時(shí)，隨著沖擊高度的增大，磁鐵礦石試件發(fā)生斷裂的循環(huán)沖擊次數(shù)和總能量降低，沖擊高度增加至一定程度時(shí)，試件沖擊1～2 次就會(huì)斷裂。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在達(dá)到斷裂高度后，繼續(xù)增加沖擊高度，試件就會(huì)發(fā)生過(guò)度破碎，且破碎程度隨沖擊高度的增加而增大。因此，在錘體質(zhì)量和試件參數(shù)一定的條件下，存在使磁鐵礦石恰好一次沖擊完全斷裂的沖擊高度及其對(duì)應(yīng)的礦石吸收能，為了便于表達(dá)和理解，將一次沖擊條件下使磁鐵礦石完全斷裂的吸收能稱為斷裂性破碎能。礦石承受一次沖擊的條件下如果吸收的能量小于斷裂性破碎能，試件只發(fā)生損傷，不會(huì)破碎；反之，試件將發(fā)生超出完全斷裂的破碎現(xiàn)象。這與理論分析的結(jié)果基本一致。

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3 結(jié) 論

本文采用落錘試驗(yàn)裝置，研究了循環(huán)沖擊條件下磁鐵礦石損傷特征，主要結(jié)論如下：

（1）循環(huán)沖擊載荷條件下，隨著沖擊次數(shù)和累計(jì)吸收能量的增大，縱波波速呈先緩慢降低后急劇降低，損傷因子呈先緩慢增加后急劇增加的變化趨勢(shì)。試件完全斷裂前，試件累積損傷出現(xiàn)劇烈增長(zhǎng)的征兆。

（2）隨著沖擊高度的增大，縱波波速和損傷因子隨沖擊次數(shù)和累計(jì)吸收能量的變化愈加顯著，循環(huán)載荷條件下，磁鐵礦石的損傷過(guò)程表現(xiàn)出明顯的沖擊速率效應(yīng)。

（3）研究結(jié)果將磁鐵礦石循環(huán)沖擊損傷至完全斷裂的過(guò)程劃分為初始損傷階段、加速損傷階段、斷裂階段三個(gè)階段；隨著沖擊高度的增大，磁鐵礦石發(fā)生斷裂的總沖擊次數(shù)和累計(jì)吸收能量降低，一定尺寸的磁鐵礦石存在一次沖擊斷裂的最小能量。