微波照射后岩石抗冲压性能试验研究

作     者：全鑫 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李建春

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：微波照射 花岗岩 SHPB 力学特性 冲击性能 

摘      要：机械破岩作为目前主流的岩石破碎技术之一,被广泛应用于隧道掘进、矿石开采、地质勘探等领域之中,但是面对强度较高的硬岩地层会使钻头的磨损程度变大,从而增加破岩的成本、降低破岩的效率。利用微波提前照射岩石的微波辅助破岩技术,可以弱化岩石的强度,从而延长刀盘寿命、降低破岩成本、增加破岩效率,最大程度的发挥机械破岩的优势。现有的研究更多关注于微波照射对岩石的损伤,而对微波照射后岩石力学特性的变化没有进行系统性、全面性的研究。本研究以花岗岩为研究对象,设置不同时间的微波照射,以微波照射后岩石的升温规律、波速变化、动静态抗拉及抗压强度、硬度、吸收能等作为研究指标,利用准静态全自动伺服仪和SHPB装置进行静态与动态力学试验,并模拟实际掘进开挖过程中钻头与岩石的冲击与贯入进行动静态贯入试验,最后进行微观到宏观的裂纹损伤分析,得出微波对花岗岩力学特性的影响规律。本课题主要对微波照射后的试样进行以下试验:(1)利用温度相机和超声波测速仪进行表面最高温度和波速的测量,探究岩石的升温规律和波速衰减规律。(2)通过准静态全自动伺服仪和SHPB装置进行动静态力学试验,并模拟实际掘进工程中钻头与岩石点荷载作用进行动静态贯入试验,探究微波对岩石力学性能的影响。(3)利用三维扫描仪、CT扫描仪、电子显微镜对微波照射后的试样进行微观和宏观裂纹观察,探究微波照射对试样力学特性影响的机制。主要结论如下:(1)通过对微波照射后温度和波速的测量分析发现,在短时间30 s的微波照射下,温度和波速都有极大幅度的变化,且并非线性变化,具体变化趋势:随微波照射时间的增加,温度的增长和波速的衰减并不完全是线性变化的趋势,在照射的初期和后期阶段变化都较为缓慢。(2)力学试验发现,花岗岩试样的动静态强度及抗贯入能力整体随照射时间的增加呈下降趋势,但由于岩石内部随机损伤或晶体直间存在差异,表现出波动下降的趋势,最终试样的强度和抗贯入能量相较未照射时都有较大的降幅,可见微波照射确实可以有效的降低岩石的强度及可贯入度,利用微波辅助机械破岩具有一定的可行性。(3)对试样在微波照射后损伤的分析发现,即使是30 s的短时间微波照射,也会对岩石产生较大的损伤,试样内部微裂纹及外部宏观裂纹都有较大程度的增加。试验研究表明高功率短时间的微波照射就可以使岩石的强度产生迅速的降低,说明微波提前照射岩石有利于机械掘进,能够降低钻头的损耗、提高掘进效率,因此微波辅助机械破岩是一种有效且可行的方法。但是本试验中对尺寸效应、微波致裂原因、微波功率影响等没有进行深入探讨,将在未来进行更进一步的研究。