动静复合加载下红砂岩破碎规律研究.pdf
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1、第 50卷增刊2023年 9月Vol.50 Sup.Sep.2023:149-155钻探工程Drilling Engineering动静复合加载下红砂岩破碎规律研究张钊玮1,柳洪杰1,肖雄1,凌雪*1,2,牛蒙晓1(1.中国地质大学(北京)工程技术学院,北京 100083;2.自然资源部深部地质钻探技术重点实验室,北京 100083)摘要:振动碎岩具有能量消耗量低、所需轴向压力小等特点。为提高碎岩效率同时降低成本,进行了振动-加压相结合的碎岩模式研究。本文以红砂岩为研究对象,围绕动静复合加载条件下球齿侵入导致的红砂岩内部裂纹扩展规律开展研究。结果表明,球齿下岩石的破碎程度随着动、静载荷的增大而
2、变大,并且只有当组合载荷峰值达到100 kN 时,岩石才会发生明显的体积破碎。在破岩初期,当载荷较小时,岩石倾向于发展为侧向裂纹,岩石损伤成“宽而浅”特点。随着载荷的增大,岩石更倾向于发展中间的深部裂纹,而后才倾向于发展侧向裂纹,即呈“窄而深”的特点。岩石破碎的各项指标受各载荷参数的影响程度存在差异:即在相同的幅值增量条件下,增加动载幅度导致的破碎程度要大于增加相同静载荷时的破碎程度。以上结论可为提高动静载复合破碎硬岩效率、攻克硬岩钻进技术难题提供重要支撑。关键词:振动碎岩;动静复合加载;侵入破坏;裂纹动态扩展;岩石破碎坑;红砂岩中图分类号:P634.1;TE21 文献标识码:A 文章编号:2
3、096-9686(2023)S1-0149-07Study on the fragmentation law of red sandstone under combined dynamic and static loading conditionsZHANG Zhaowei1,LIU Hongjie1,XIAO Xiong1,LING Xue*1,2,NIU Mengxiao1(1.School of Engineering and Technology,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China;2.Key La
4、boratory of Deep GeoDrilling Technology,MNR,Beijing 100083,China)Abstract:Vibratory rock fragmentation has the characteristics of low energy consumption and low required axial pressure.In order to improve the efficiency of rock fragmentation while controlling costs,a study was conducted on the rock
5、fragmentation mode combining vibration and pressure.This article takes red sandstone as the research object and conducts research on the crack propagation law inside the rock when spherical teeth invade red sandstone under dynamic and static composite loading.The results indicate that the degree of
6、rock fragmentation under the spherical tooth increases with the increase of dynamic and static loads,and only when the combined load peak reaches 100kN,will the rock undergo significant volumetric fragmentation.In the early stage of rock breaking,when the load is small,the rock tends to develop late
7、ral cracks,and the rock damage becomes“wide and shallow”.As the load increases,the rock tends to develop deep cracks in the middle,followed by lateral cracks,which exhibit a narrow and deep characteristic.The various indicators of rock fragmentation are affected by different load parameters to varyi
8、ng degrees:that is,under the same amplitude increment conditions,the degree of fragmentation caused by increasing the dynamic load amplitude is greater than that caused by increasing the same static load.The above conclusions can provide important support for improving the efficiency of dynamic and
9、static load composite crushing of hard rock and overcoming the technical 收稿日期:2023-05-31;修回日期:2023-08-12 DOI:10.12143/j.ztgc.2023.S1.022基金项目:国家 863计划“自动化智能化岩心钻探技术与设备研制”(编号:2014AA06A614);国家自然科学基金资助面上项目“真空无水低功耗条件下碎岩机理研究”(编号:41672365)第一作者:张 钊 玮,男,汉 族,1997 年 生,硕 士 研 究 生,地 质 工 程 专 业,从 事 岩 石 断 裂 与 损 伤 研 究
10、 工 作,北 京 市 海 淀 区 学 院 路 29 号,。通信作者:凌雪,女,汉族,1988 年生,博士,工程力学专业,主要从事碎岩机理及井壁稳定性的研究工作,北京市海淀区学院路 29 号,。引用格式:张钊玮,柳洪杰,肖雄,等.动静复合加载下红砂岩破碎规律研究 J.钻探工程,2023,50(S1):149-155.ZHANG Zhaowei,LIU Hongjie,XIAO Xiong,et al.Study on the fragmentation law of red sandstone under combined dynamic and static loading condition
11、s J.Drilling Engineering,2023,50(S1):149-155.2023年 9月钻探工程difficulties of hard rock drilling.Key words:vibratory rock fragmentation;dynamic and static composite loading;invasion damage;dynamic crack propagation;rock fragmentation pit;red sandstone0引言岩土工程中,岩石破碎是涉及到的重要问题之一,如何在提高碎岩效率的同时控制好工程成本是亟待解决的问题。与
12、传统的钻探方法相比,振动碎岩具有能量消耗量低、所需轴向压力小等特点。因此,为了在控制成本的基础上提高碎岩效率,进行振动-加压相结合的碎岩模式研究,通过数值模拟探究在振动与轴向加压力共同加载下的岩石破碎效果和影响规律,能为提高动静载复合破碎硬岩效率、攻克硬岩钻进技术难题提供重要支撑。在影响岩石裂纹动态扩展因素研究方面:Akesson 等1发现岩石内部裂纹扩展长度取决于岩石本身的天然性质。Bagde 等2-3发现随着加载频率以及载荷幅值的逐步增大,岩石的各项物理性质发生变化。Obolt 等4发现随着加载速率的提高,混凝土的破坏模式逐步发生改变。Li等5发现花岗岩石疲 劳 的 阈 值 为 其 单 轴
13、 抗 压 强 度 的 60%70%。Zhang6发现裂纹基本都是沿着载荷施加的方向扩展延伸的。Li等7探究了谐振激励下岩石破碎的机理,并通过建立微胁迫振动方程的方法来解析其影响因素。在动静组合加载下岩石力学特性方面,R.J.Christenson 等8于 1972 年 首 次 运 用 霍 普 金 森(SHPB)设备进行了施加围压下的岩石冲击试验。李夕兵等9对 SHPB 装置进行了改进,研制出可实现二维乃至三维动静组合加载的试验装置。宫凤强等10-11从能量角度探讨了岩石爆炸机理,指出轴向压应力的施加会使岩石内部蓄积弹性能,导致压剪破坏并形成破裂面,当冲击入射能小于岩石内部积聚的弹性能时,岩石积
14、聚的能量得以释放,进而导致岩爆现象的发生;反之,当冲击入射能量大于岩石内部积聚的弹性能时,岩石则在破坏过程中持续吸收能量,丧失承载能力并整体失稳,但此时并非岩爆的模式状态。殷志强12发现在仅受到纯动载荷,或者轴压未达到足够高的情况下,岩石往往不具有岩爆的倾向,但在较高轴压下存在岩爆倾向的现象,是因为在高轴压下岩石内部会积聚较高的弹性能,此时只需要微小的冲击扰动便能导致岩爆。崔栋梁13发现在恒应变率加载下,粉砂岩在三维动静组合加载下呈 X或 V形破坏模式。1PFC2D 数值模型的建立数值实验基于 PFC2D 数离散元软件,颗粒间接触本构采用平行粘结模型。本试验采用原产地为四川自贡的红砂岩作为研究
15、对象(见图 1)。岩石标准试样是由切割机加工而成,加工精度可以保证所有岩样间的高度误差在 0.5 mm 之内。通过室内试验测定了红砂岩标准样品的物理力学性质(见表 1)。为了使所建立的岩石模型与实际红砂岩的宏观物理力学性质尽可能的匹配,本文采用试错法(在构建完整的模拟试样后,通过赋予一组细观参数并进行计算,将计算结果与室内试验结果进行对比,根据对比结果,对细观参数进行调整,再次进行计算,重复该过程,直到模拟结果能够与试验结果在宏观力学参数和破裂模式上较好地吻合),利用进行的室内单轴压缩试验获得的宏观力学试验参数来标定数值模型的微观参数。最后选用表 2 的参数时,数值模型的宏观力学数据与试验数据
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