冲击加载下煤岩破碎块度与能耗关系的试验研究

利用霍普金森压杆对煤岩进行不同冲击加载下的动态力学测试,研究煤岩破碎块度与破碎能耗之间的关系。利用筛分法确定煤岩破碎后的平均块度,借助分形理论,研究不同冲击加载下煤岩的破碎分形维数、破碎块度;借助不同冲击加载下煤岩的应力—应变曲线,依据应力波理论,分析煤岩的破碎能耗;并研究了煤岩的破碎块度与破碎能耗的关系。研究结果表明,在动态冲击试验下,煤岩冲击破碎后的块度具有较好的分形特性,分形维数能够反映煤岩的破碎和脆性程度。煤岩在不同冲击加载下,破碎平均块度在6~19mm之间。随着冲击加载速度的增大,煤岩越破碎,破碎块度越小,破碎能耗越大。     

微波照射下层理矿石破碎的能耗与粒度研究

在矿山的矿石破碎过程中,存在着能耗巨大的弊端,严重阻碍了企业的绿色发展。利用落锤冲击破碎试验,结合微波加热技术,针对含层理面的矿石试件进行冲击破碎试验,并基于岩石剪切破坏角的Coulomb准则,对未经微波照射与经微波照射下,含不同层理倾角矿石的吸收能及碎屑块度分布情况进行了研究。研究表明,随着层理倾角的增大,矿石吸收能呈先降低后增大的趋势,当倾角为90°时,吸收能存在最小值;经微波加热处理后的矿石吸收能E_(WJL)低于未经微波处理的矿石吸收能E_(JL),且在10°～20°时,E_(JL)-E_(WJL)值最大。随着层理倾角的增大,矿石破碎后的平均块度呈逐渐减小趋势,破碎程度加重;经微波预处理后,矿石的平均块度显著降低,破碎程度最高;因冲击破碎后的碎屑尺寸影响,矿石的平均块度与分形维数相关性较弱。研究成果对于矿石破碎中的能耗控制具有一定参考价值。     

微波照射方式对玄武岩损伤特性影响研究

为了实现微波加热岩石时以较低的能量消耗达到较好的损伤效果,基于微波照射后岩石损伤特性的相关理论,对比分析了5种加热方式对玄武岩试件的损伤特性的影响。结果表明:在同样能量消耗的条件下,采用"间断照射+间断区间喷水冷却"的方式照射时玄武岩试件损伤程度更大,为微波辅助机械破岩技术走向实际工程提供借鉴和参考。     

微波照射下玄武岩中产生裂纹原因的研究

通过对玄武岩试件进行一定条件下微波照射以及CT扫描试验,研究微波照射下岩石中产生裂纹的宏观和细观特征,并利用商业软件ANYSYS12.0进行数值模拟,揭示出产生裂纹的原因。基于有限元法和宏观、细观试验所得到的微波照射下玄武岩试件中产生裂纹的原因完全一致。     

冲击载荷作用下煤的破坏特性试验研究

为研究煤的动态破坏特征,利用霍普金森压杆(SHPB)实验系统开展了不同应变率下的煤样冲击实验,分析了煤动态力学特性及其力学参数随应变率的变化规律,研究了煤样破坏形式,并利用分形理论定量描述了煤破坏后的自相似性。研究结果表明:煤的动态应力-应变曲线基本不存在下凹段,可划分为线弹性阶段、弹塑性阶段和塑性软化3个阶段;煤的平均应变率和最大应变率随冲击气压的增加符合指数增长规律,动态弹性模量和动态抗压强度随应变率遵循线性变化规律;冲击载荷作用下,煤的破坏主要以劈裂破坏和碎裂破坏2种形式出现,且破碎后的形态具有明显的自相似性,其分形维数随应变率线性增加;动态抗压强度、弹性模量与分形维数近似正相关关系。研究结果对于解决当前深部矿山采掘等工程实际问题具有一定的理论意义和实用价值。     

不同硬度块煤冲击破碎后粒度分布特征试验研究

为了探究不同硬度的块煤在冲击破碎作用下破碎后的粒度分布特征,利用坚固性系数实验装置,对4种不同硬度的块煤进行了冲击破碎试验研究,试验结果表明:破碎功与块煤破碎后的新增表面积成线性关系,折算直径与破碎功成反比。块煤破碎后具有自相似特征,其分形维数能够反映煤的破碎程度,分形维数越大,破碎效果越好,坚固性系数f与分形维数D呈线性关系。颗粒在破碎过程中,大颗粒因周边小颗粒的存在而受到缓冲作用,使得较小颗粒由于挤压作用而优先破碎,小颗粒的缓冲作用增强了大颗粒抵抗破碎的能力,因此较小颗粒反而更容易破碎。     

冲击载荷下砂岩的动态力学特性及破坏机制

为探究冲击载荷下砂岩的动态力学特性及破坏机制，采用SHPB装置，开展了砂岩的动态力学测试，研究了砂岩的应力-应变曲线、动态抗压强度、动态弹性模量和单位体积吸收能变化；分析了砂岩的破坏机制，阐明了砂岩的破坏模式及破坏块度变化规律。结果表明：冲击荷载作用下砂岩应力-应变曲线整体呈阶段式发展，依次为线弹性上升阶段、非线性振荡起伏阶段和峰后下降阶段；砂岩的动态抗压强度、单位体积吸收能和动态弹性模量与冲击速度分别呈幂函数、二次函数、二次函数的关系，均具有明显的冲击速度效应；随着冲击载荷增大，砂岩的分形维数增大，破碎程度增加，砂岩的破坏模式由拉伸破坏转向拉-剪耦合型破坏。研究结果可为强动压巷道和采场围岩稳定性控制提供理论依据。     

微波照射下玄武岩强度参数尺寸效应分析

通过对不同尺寸玄武岩试件进行微波照射和单轴抗压强度试验,并基于ANSYS有限元模拟软件对玄武岩进行微波加热模拟,研究分析了不同参数微波照射情况下由于尺寸效应对玄武岩强度劣化的影响。结果表明:在微波照射玄武岩的相关试验中,大高宽比尺寸试件和高微波功率能减小尺寸效应带来的影响,使试验结果更接近于实际工程。     

落锤冲击破碎能耗试验分析

为加深对冲击破碎机理的认识,同时为模拟冲击破碎过程提供试验支撑,采用实验室设计的落锤装置对单个钨矿进行了冲击破碎试验。以破碎后质量粒级分布、平均粒径、粒度分维数及新增表面积为衡量指标,分析了试验过程中冲击破碎能量与破碎效果之间的关系,并基于前人研究基础,对表面分维数与粒度分维数进行了定量分析。结果表明:在不同冲击高度下,钨矿破碎后的质量粒级分布,在细粒级区,具有一定的线性关系;在粗料区,呈曲线关系;破碎后粒径具有分形特性,粒度分维数与冲击破碎能呈线性关系,与平均粒径具有某种函数关系。利用试验数据验证了破碎能耗分形理论中表面分维数与粒度分维数取值范围重合(D≈Ds)的正确性,表面分维数也可用于表征冲击破碎效果。     

微波照射对鞍山式铁矿石磨矿效果的影响

破碎磨矿能耗在选厂总能耗中占比较大,但其中仅有1%的能量用于新表面的生成,造成了资源的极大浪费。微波照射作为一种有效的预处理手段,能显著提升矿石的磨矿效果。为研究微波照射对鞍山式铁矿石磨矿效果的影响,以鞍山式赤铁矿为主要研究对象,开展了微波照射功率、微波照射时间、矿石块度以及冷却方式等条件试验,同时对比了鞍山式磁铁矿石的磨矿效果。结果表明：①微波照射能显著提升鞍山式赤铁矿石的磨矿效果,最佳的微波照射条件为：矿石块度20~25 mm、微波照射功率3 kW、照射时间45 s、水淬冷却。在此条件下,磨矿产品中-0.074 mm粒级含量为65.80%,相比未经微波处理的矿样,提高了5.57个百分点。②在相同的微波照射条件下,赤铁矿石的磨矿效果要明显优于磁铁矿。微波照射能显著降低鞍山式赤铁矿石和磁铁矿石的最大抗压强度,且赤铁矿石的降低程度要大于磁铁矿石。③SEM微观结构分析结果表明,微波照射后赤铁矿和石英之间出现明显裂痕,有助于提高选择性磨矿效果。赤铁矿石和石英的升温特性曲线表明,微波照射功率3 kW、微波照射时间60 s的赤铁矿石,其中心顶部温度可以达到600 ℃以上,而石英的温度几乎不随微波加热时间而变化,该特性有助于实现有用矿石和脉石矿物的有效分离。     

微波照射对岩石强度的影响研究

岩石破碎作业有很多新兴的方法,微波辅助机械破岩便是其中之一。研究该方法的关键是掌握微波照射对岩石强度的影响规律。采用特制的微波设备,通过微波照射岩石,研究岩石在微波照射下的强度变化。通过改变微波对岩石照射的强度和时间,测得不同情况下岩石强度,最后得出微波照射对岩石强度的影响规律:微波对岩石的照射时间越长、微波的强度越大,对岩石强度的影响也就明显。该方法的研究有利于微波辅助机械破岩方法的实现,可以使岩石破碎作业方法更加多样化,岩石破碎作业的费用大大降低,工人的工作环境得到改善。     

微波照射对玄武岩强度的影响分析

微波辅助破岩技术可以降低岩石强度,提高破岩效率。利用ANSYS有限元软件对微波照射下玄武岩的升温效应和热应力分布进行了仿真模拟,通过改变微波照射强度和时间,获得了玄武岩试样在不同情况下的升温效应和热应力分布规律。     

冲击载荷作用下层状岩石破碎能耗及块度特征

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对0°,22. 5°,45°,67. 5°和90°五种不同层理倾角的层状岩石进行了不同冲击速度下的动态压缩试验,对破碎后的试样碎屑进行筛分,对比分析了层状岩石动态破坏时的块度分布特征;探讨了不同入射能对层状岩石反射能、透射能、耗散能密度和块度分布的影响。结果表明:对同一层理倾角试样,随着冲击速度增大,块度平均粒径逐渐减小,破碎程度逐渐增大;相同冲击速度下层理倾角为67. 5°的试样破碎程度最大,0°试样破碎程度最小。分形维数可以很好的量化表征破碎块度分布特征,破碎块度越小,分形维数越大。相同入射能时,90°试样耗散能密度最大,0°或22. 5°耗散能密度较小,表明高倾角试样能量利用率高,0°或22. 5°的利用率较低。层理倾角为45. 0°,67. 5°和90. 0°的试样在入射能相同时反射能较大,层理倾角为0°,22. 5°的试样透射能较大,表明大倾角下无用功大多以反射波形式耗散,低倾角下无用功大多以透射波形式耗散;反射能、透射能与耗散能密度随入射能增大而增加;分形维数随耗散能密度增大而增大。高倾角时随能耗增大,试样破碎程度越剧烈;低倾角随耗散能密度增大,试样破碎趋势变化较小,产生新裂纹与破裂面所需能量较多。在实际工程中,选择45°～67. 5°倾角的动态加载角度,不仅岩石强度较低,岩石破碎程度高,且能量利用率较高。     

煤-岩-煤组合体冲击荷载作用下力学特性研究

为了研究煤-岩-煤组合体在冲击荷载作用下的力学特性和破坏模式,利用分离式霍普金森压杆和高速摄像仪在不同的冲击荷载下对组合体试件进行动态冲击压缩试验。试验结果表明:煤-岩-煤组合体的应变率、应变、应力、动态弹性模量和破碎程度都与冲击荷载有较强的相关性,都随冲击荷载的增强而变大;组合体在动态冲击作用下应力-应变曲线变化规律大致可划分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;高速摄像结果表明,组合体在冲击荷载作用下,裂纹先在两端产生,并沿轴向发展产生贯穿裂纹,且两端煤体破裂明显并有较大破碎变形,组合体中间岩体部分具有较高的强度,其裂纹的产生及扩展要比两端煤体缓慢;组合体随冲击荷载的加大,破碎程度显著增强。     

微波处理后饱水煤岩冲击破坏的试验研究

利用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)结合高速摄影设备研究了微波加热0、50、125、200 s后饱水煤样力学参数上的变化、动态加载过程中裂纹的发展以及冲击破碎后的块度特征。研究表明:微波加热对饱水煤岩的作用具有时间效应;加热125 s后煤样的峰值应力和峰值应变下降幅度较大,并且破碎后的块度更加均匀和细碎;此外,微波加热的时间越长,煤岩就越早发生破碎;出现上述现象的原因是煤岩中的水分在微波的作用下快速汽化,随着加热的进行煤样内部的蒸汽压力不断上升并在加热125 s后达到最大,造成煤岩内部孔隙和微裂隙的发育和扩张,从而导致煤样动态力学性能的劣化。     

微波照射后花岗岩动力响应及破碎特征

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对微波加热后的湖北麻山花岗岩进行动态冲击压缩试验,研究了不同含水状态下花岗岩动态力学性质及破碎特征,对比分析了不同微波加热参数对其力学性能的影响,揭示了微波对花岗岩强度弱化的作用机制.研究结果表明:当微波功率小于2.6 kW时,岩石强度降低是由微波生热及岩石内部水分共同作用造成的;当微...     

不同冲击比能下煤岩颗粒破碎的分形演化

为研究不同冲击比能对矿岩粒度分布的影响,根据分形理论建立了粒度分形维数与冲击比能的理论模型。利用落重试验机对无烟煤和矸石进行不同冲击比能下破碎试验,结果表明:冲击比能对无烟煤和矸石破碎粒度分布规律影响较小,G-S分布可以很好的表征不同冲击比能下无烟煤和矸石的累积分布规律;粒度分形维数随着冲击比能的增加呈对数增长。通过试验和其他学者的试验数据验证该理论模型的正确性。     

循环冲击作用下岩石能量耗散特征及损伤研究

为研究玄武岩在循环冲击作用下的能耗特征及损伤，采用带围压装置的霍普金森压杆(SHPB)系统设置5种冲击气压梯度对玄武岩试样开展单轴冲击试验和两种围压状态下的循环冲击试验。研究发现，随着循环次数增加，试样单位体积吸收能呈现前期匀速缓慢增长，临近破碎时增长速率急剧攀升的趋势，玄武岩试样单位体积吸收能与冲击气压值呈正相关；施加围压可大大增加玄武岩抵抗外部冲击的能力，破碎时累计比能量吸收值比无围压状态提升10倍以上；随着循环冲击次数的增加，损伤因子D先匀速上升，而后上升速率加大，临近破碎时，岩石吸能效率下降，损伤因子又趋于平稳；损伤因子D达到0.4左右时，玄武岩试样出现较为明显的剪切裂纹。     

煤的破碎特征研究

根据分形理论建立了煤的冲击破碎块度分布分形表达式,并利用冲击式破碎装置进行了正交试验。结果表明:在双对数坐标下的回归曲线均为直线,并且线性回归良好,说明使用分形方法可以描述煤的冲击破碎块度的分布特征。分析煤的冲击破碎块度分形维数的影响因素,冲击速度的影响最为显著,物料硬度的影响次之,冲击次数的影响很小;分形维数随着煤硬度的增加而减小,随着冲击速度的增大而增大。     

岩石冲击破碎块度分形与能量耗散特征研究

为研究冲击荷载作用下岩石能量吸收与破碎分形特征,应用霍普金森试验系统对0.6、0.8、1.0、1.2、1.4长径比花岗岩进行动态冲击试验,分析了应变率效应和尺寸效应对花岗岩试件的破碎能耗和破坏形态的影响;在考虑时间因素的基础上,提出一种新的能时密度指标来评价能量耗散,结合分形维数计算与能时密度分析,研究岩石在冲击过程中的能时密度与分形特征。结果表明：0.6 ~ 1.4长径比花岗岩试件的应变率和能时密度均符合乘幂关系,同种长径比试件的能时密度随应变率增大呈递增趋势;在48.8 ~124.2 s_^-1应变率区间内,分形维数随应变率增加显著增大;花岗岩试件在动荷载下的能时密度和分形维数符合乘幂关系,单位时间内岩石吸收能量越多,分形特征就越明显;引用能时密度结合岩石破碎块度的分形维数计算,能够定量研究岩石单位时间内的能量吸收规律。