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动静载荷耦合作用下岩石破碎理论及试验研究

赵伏军

  机械破碎岩石是一种连续、安全、高效的破岩方法。该方法在采矿、岩土等工程应用中日益凸现出巨大的优越性。为了扩大这种方法的应用领域,世界各国正围绕着硬岩的高效机械破碎展开深入的研究。然而,过去的理论与试验研究主要集中在单一静载荷或冲击载荷下的岩石破裂特征及其相应的最优加载形式上,针对动静载荷耦合破岩的研究则很少,而且始终未能解决好硬岩动静组合致裂破碎以及具有多种破岩模式的装置问题。本文正是基于上述问题对动静组合载荷耦合破岩进行了理论分析和试验研究。在总结分析单一动态和静态破岩特征的基础上,应用类似于单一载荷破岩的载荷—侵深、载荷—比能等特征曲线和力学分析方法,探讨了动静耦合加载能提高破岩效果这一思路的可行性;提出了应用上述特征曲线确定适用组合载荷下岩石致裂的合理动静载荷观点。根据机具下岩石损伤断裂特征,探讨了动静加载条件下的裂纹始裂和扩展能量、累积损伤与冲击次数关系以及不同动静耦合载荷对岩石损伤断裂裂纹长度、破岩体积等的影响,为开展动静态耦合破岩试验研究奠定了理论基础。根据机具动静载荷耦合破岩的试验原理与方法,自行设计研制了一台多功能动静态载荷耦合破岩试验装置,其动态加载系统可实现变能级、变频率、变速度冲击,静载泵压系统可从垂直、水平方向进行不同大小的加载,刀头夹具装置可安装单刀、多刀以及各种不同类型的刀具,测试系统采用先进的数据采集处理技术可对动、静态参数进行量测和处理。该系统的成功研制对于研究多种加载模式下的岩石破碎特征及其规律具有重要意义。借鉴单一静载荷或冲击破岩试验的研究成果,确定了动静耦合载荷破岩试验方案和试验参数;分析了静压切削和冲击切削过程,建立了切削力学模型;通过单一动、静载和耦合载荷的破岩试验,结果表明动静载荷耦合可明显提高破岩效果,在破裂深度与破碎体积等方面比单一冲击或压入具有明显的优势。不同的动静载荷耦合存在不同的破岩比能,合理选取动静载荷的比值,可使破岩比能最小,破碎效果达到最优。根据冲击静压耦合切削破岩的试验研究,探讨了冲击点间距、切削深度及其比值R对切削破岩比能耗E_s的影响及规律。试验结果表明,R和E_s呈一定形态分布,将R控制在一定的范围内,可使冲击切削破岩达到良好的效果;冲击……   
[关键词]:动静耦合载荷;多功能试验装置;岩石破碎;冲击-切削;能量耗损;刀具失效机理
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中南大学2004年
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