微波加热技术对隧道开挖过程中的硬岩破碎影响研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月湖南交通科技 ,收稿日期:?作者简介:周级(),男,研究方向:岩土工程应用。文章编号:?()?微波加热技术对隧道开挖过程中的硬岩破碎影响研究周级,(湖南建工集团有限公司,湖南 长沙 ;贵州省岩土力学与工程安全重点实验室,贵州 贵阳 )摘要:针对以往微波辅助破岩的不足之处,使用铜箔将页岩进行包裹,然后对处理过后的页岩进行不同时间的微波照射试验、单轴压缩试验,分析并比较微波作用下不同时间的试件裂纹、强度和弹性模量变化。结果表明,微波对岩石的劣化作用与微波照射时间呈正比,但其作用效果将会逐渐下降;在相同微波照射情况下,与未使用铜箔包裹的试件相比,使用铜箔包裹的试件并不会直接发生
2、破坏,而会保留一定的强度;微波对岩石的劣化作用随着微波作用深度逐级递减。研究成果可为试验研究和工程中微波辅助破碎硬岩的应用提供参考作用。关键词:微波辅助破岩;试验研究;页岩;单轴压缩试验中图分类号:文献标志码:引言使用机械法进行隧道开挖时,硬岩破碎问题一直是困扰隧道开挖进程的一大问题。当使用机械法进行地下工程作业时,其工作效率以及刀盘的适用性受到岩石的无侧限抗压强度、点荷载强度和巴西抗拉强度影响,在应对硬岩环境时,该影响在刀盘的磨损上显得尤为突出,不可避免地使得施工成本上升、破岩效率低下。等 定义了磨损率影响 刀盘寿命的重要参数。圆盘铣刀的寿命和每转钻穿度可根据下式进行计算:()槡()()()
3、式中:表示圆盘切割机在硬岩上滚动的距离,表示一次切入深度;表示刀盘直径;为刀盘厚度,表示圆盘刀刃的角度,;表示圆盘上的正荷载,、分别代表岩石的无侧限抗压强度、点荷载强度和巴西抗拉强度;为岩石磨蚀性指数。由于微波加热具有加热速度快、选择性加热等特点,能够使岩石在短时间内达到极高的温度从而劣化岩石,因此很多研究者对其作用效果进行了研究。等 通过建立电磁、传热和多相多孔介质全耦合模型来研究煤在微波辐射下的热响应,得到了微波加热过程中的温升具有快 慢 快的特点,以及煤中的水分蒸发会使得煤岩的温度呈非线性增加的结论。等 研究了有效介质损耗因子和纵波波速对硬火成岩的微波破裂指数()影响,得到 与平均粒径、
4、有效介质损耗系数和初始纵波波速呈正相关关系的结论,提出并验证了火成岩 的多参数线性回归模型。为了研究微波处理对含水岩石的损伤机制,卢高明等 分别对玄武岩、花岗岩和砂岩进行了微波加热试验,并通过 波波速和单轴压缩强度来评价微波处理对干燥和浸水岩石的损伤特性,得到了水分对升温速率影响较大,对强度影响较小的结论。李贺 通过微波辐射试验和数值模拟的方法研究了微波辐射下媒体电磁 热 流 固全耦合机制,由电磁 热 流 固模型得到了导致煤体孔隙率增大的主要因素是“瓦斯解吸引起的基质收缩”的结论。湖南交通科技 卷目前对于微波辅助破碎岩石的研究已经很多,发现微波照射的有效范围是有限的 ,且在隧道开挖或者是矿物开
5、采时微波也只能从岩石的一个面进行照射。本文在已有研究的基础上,以页岩为研究对象,使用铜箔将其进行包裹,采用同一微波照射参数对页岩的某一表面进行照射,测得其微波照射前后的单轴强度和应变的改变程度。试验方法先测出未经处理的页岩试样的单轴压缩强度、径向应变和轴向应变。然后取出 个页岩试件,使用铜箔将岩石进行包裹并将其置于微波炉中,在 的微波功率下对页岩分别照射 、。然后测量经微波处理的页岩的单轴压缩强度和应变,得到应力应变曲线。试件处理流程见图 。图 试件处理流程 分析与讨论 微波照射下页岩的热破裂分析用铜箔包裹的圆柱页岩试件尺寸为 ,在 功率的微波下分别照射 、。在页岩微波加热、冷却完成后,选择满
6、足岩石力学试验规范的试件进行常规单轴压缩试验,单轴加载速率为 。图 为单轴试验后试件的破裂状况。图 经微波照射后的岩石单轴试验试件破裂状况从图 可以看出,经过微波照射 、的岩石试件,其微波照射面出现了被灼烧现象,这是因为岩石外部空气中的介电常数 较小,使得岩石试件的升温速率高于岩石表面周围空气的升温速率,在岩石与空气边界形成了逐渐递增的温度差。由于岩石表面温度很高,导致与空气接触面的部分可燃矿物性质发生改变,出现灼烧现象。与未经微波照射的试件进行对比,经微波照射的岩石试件进行单轴试验后,其裂缝宽度明显增大,这是因为岩石是由不同矿物组成的,而不同矿物的微波吸收能力不同。从微观角度上来说,岩石内部
7、的不均匀性会导致经微波照射的岩石内部矿物颗粒升温速度不同,从而导致矿物颗粒因热应力的作用而发生沿晶破裂和穿晶断裂 。从宏观角度上来说,经微波照射的岩石表面温度明显低于岩石内部的温度,两者之间的热量差将会形成强烈的冲击效应。岩石在经过这 种破岩方式的共同作用后,会产生新的裂纹或使岩石内部的裂纹进一步扩展,加大了岩石内部的总孔隙体积,从而使岩石抵抗外荷载的能力下降。微波照射对页岩应力应变的影响图 为微波照射对页岩应力应变曲线的影响,从图中可以明显看出,未经微波处理的页岩强度为 ,而经过微波处理 、后,页岩的强度分别为 、。由此可见,将试件使用铜箔包裹后,只对试件的一个面进行微波照射也会大幅度降低试
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