發(fā)布時(shí)間：2018-11-25 09:09

【摘要】：巖石破碎是隧道開(kāi)挖不可回避的工作,選擇破巖方法應(yīng)以快速、高效為原則。機(jī)械破巖是目前的主要方法之一,但是對(duì)于強(qiáng)度較大的硬巖層和特硬巖層,機(jī)械破巖刀具往往磨損過(guò)快,缺乏經(jīng)濟(jì)上的競(jìng)爭(zhēng)力。如果在機(jī)械破碎之前,預(yù)先使用微波照射以降低硬巖強(qiáng)度,將極大提高破巖效率,故“微波+機(jī)械”組合能量切巖、破巖系統(tǒng)將成為一種重要的隧道開(kāi)挖新技術(shù)。本文依據(jù)微波加熱和巖石熱破裂的基本理論,在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,尋求建立有效的巖石數(shù)值模型,采用數(shù)值模擬方法對(duì)微波照射損傷巖石進(jìn)行研究,分析巖石損傷的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理,得到損傷的規(guī)律。具體研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:(1)從巖石熱破裂理論對(duì)微波照射巖石造成強(qiáng)度損傷的原理進(jìn)行理論分析,認(rèn)為微波照射對(duì)巖石強(qiáng)度的損傷主要是由巖石內(nèi)部不同礦物的性質(zhì)差異引起。在照射中,性質(zhì)差異造成巖石內(nèi)溫度不平衡,形成“熱點(diǎn)”,再由于不同礦物熱膨脹系數(shù)差異,造成膨脹差異引發(fā)熱應(yīng)力,當(dāng)熱應(yīng)力大于巖石強(qiáng)度時(shí)就引發(fā)巖石損傷,強(qiáng)度降低。(2)試驗(yàn)施加不同功率和照射時(shí)間的微波作用,得到巖石強(qiáng)度損傷規(guī)律:照射時(shí)間一定的條件下,巖石損傷程度與微波功率呈正相關(guān);微波功率一定的情況下,存在一個(gè)最佳的照射時(shí)間范圍,在此時(shí)間范圍內(nèi),照射時(shí)間增加將有效地造成損傷,降低強(qiáng)度。此后增加照射時(shí)間將不能有效提高損傷程度。(3)依據(jù)試驗(yàn)研究,利用有限元軟件ANSYS建立類似花崗巖的二相巖石模型,通過(guò)模擬微波照射得到巖石內(nèi)部溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和塑性破壞的發(fā)展演化規(guī)律,分析巖石破壞的細(xì)觀機(jī)理和不同條件下的損傷規(guī)律,認(rèn)為巖石損傷主要由拉應(yīng)力破壞和剪切破壞兩方面造成,功率密度越高對(duì)損傷越有利。高功率微波作用下的巖石破壞趨向于拉應(yīng)力破壞,低功率情況下則主要為剪切破壞。在一定時(shí)間以內(nèi),照射時(shí)間與損傷呈正相關(guān)。數(shù)值研究結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)論相一致,驗(yàn)證了模擬的正確性。通過(guò)本文研究,深刻了解微波照射損傷巖石的機(jī)理和規(guī)律,對(duì)今后的研究奠定了基礎(chǔ),促進(jìn)了“微波+機(jī)械”組合能量隧道掘進(jìn)破巖技術(shù)的發(fā)展。
[Abstract]:Rock breakage is an unavoidable work in tunnel excavation. Mechanical rock breaking is one of the main methods at present, but for the hard and extra hard rock formations with high strength, the mechanical rock breaking tools often wear out too fast and lack the economic competitiveness. If microwave irradiation is used in advance to reduce the strength of hard rock before mechanical crushing, the rock breaking efficiency will be greatly improved. Therefore, "microwave machinery" combined energy cutting rock and rock breaking system will become an important new technology for tunnel excavation. Based on the basic theory of microwave heating and rock thermal rupture, this paper seeks to establish an effective numerical model of rock on the basis of experiments, and studies the damage of rock by microwave irradiation by using numerical simulation method. The micromechanical mechanism of rock damage is analyzed and the damage law is obtained. The specific research contents and conclusions are as follows: (1) the principle of rock strength damage caused by microwave irradiation is analyzed theoretically from the theory of rock thermal rupture. It is considered that the damage to rock strength caused by microwave irradiation is mainly caused by the difference in the properties of different minerals within the rock. During the irradiation, the property difference causes the temperature imbalance in the rock, forming a "hot spot", and then the thermal stress is caused by the difference in the coefficient of thermal expansion of different minerals. When the thermal stress is greater than the strength of the rock, the damage of the rock is caused. (2) under microwave irradiation with different power and irradiation time, the damage law of rock strength is obtained: under certain irradiation time, the damage degree of rock is positively correlated with microwave power; Under certain microwave power, there is an optimal time range for irradiation. In this time range, the increase of irradiation time will effectively cause damage and decrease the intensity. After that, increasing the exposure time will not effectively improve the damage degree. (3) based on the experimental study, a two-phase rock model similar to granite is established by using the finite element software ANSYS, and the temperature field inside the rock is obtained by simulating microwave irradiation. The development and evolution of stress field and plastic failure are analyzed. The micromechanism of rock failure and damage law under different conditions are analyzed. It is concluded that rock damage is mainly caused by tensile stress failure and shear failure, and the higher the power density is, the more favorable the damage is. The rock failure under high power microwave is inclined to tensile stress failure, and shear failure at low power condition. Within a certain time, there was a positive correlation between irradiation time and injury. The numerical results are in agreement with the experimental results, and the correctness of the simulation is verified. Through the research in this paper, the mechanism and law of rock damage caused by microwave irradiation are deeply understood, which lays a foundation for future research and promotes the development of rock breaking technology of "microwave machinery" combined energy tunnel.
【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：U455.4

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