开放式微波致裂模拟节理岩体试验及辅助破岩评估.pdf
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1、引用格式:郑彦龙,马中骏,李建春,等.开放式微波致裂模拟节理岩体试验及辅助破岩评估J.隧道建设(中英文),2023,43(8):1338.ZHENG Yanlong,MA Zhongjun,LI Jianchun,et al.Fracturing of an artificial rock mass by open-ended microwave and potential benefits to assisted mechanical excavationJ.Tunnel Construction,2023,43(8):1338.收稿日期:2022-11-30;修回日期:2023-06-05
2、基金项目:国家自然科学基金(52104121,41831281);江苏省双创团队项目(JSSCTD202140);江苏省双创博士项目(201930618);中央高校基本科研业务费项目(2242022k30054)第一作者简介:郑彦龙(1988),男,河南新乡人,2017 年毕业于澳大利亚蒙纳士大学,土木工程专业,博士,副教授,主要从事隧道工程和岩石破碎等方向的研究与教学工作。E-mail:yanlong.zheng 。通信作者:李建春,E-mail:jcli 。开放式微波致裂模拟节理岩体试验及辅助破岩评估郑彦龙1,马中骏1,李建春1,赵晓豹2(1.东南大学土木工程学院,江苏 南京 211189
3、;2.南京大学地球科学与工程学院,江苏 南京 210093)摘要:为研究开放式微波作用下节理岩体的破裂特征,并评估微波辅助悬臂掘进机的破岩效率,开展微波致裂模拟节理岩体试验。首先,利用 9 块尺寸为 0.5 m0.5 m0.3 m(长宽厚)的闪长岩岩样垒成 1.5 m1.5 m0.3 m(长宽厚)的人造节理岩体,以模拟节理间距为0.5 m 的岩石开挖面;然后,利用6 kW 的工业微波系统及缩径介质填充天线对该节理岩体进行微波照射加热致裂试验,研究不同微波照射点间距(15 cm 和 20 cm)下岩体的破裂特征,分析节理与照射点间距对微波致裂的影响,测量微波处理后岩体的等效岩石质量指标(RQD)
4、和磨蚀性指数(CAI);最后,基于 Bilgin 经验模型评估微波照射前后刀盘功率为 200 kW 的悬臂掘进机的破岩效率和刀具磨损变化。结果表明:1)2 种照射点间距下,岩体的等效 RQD 从 100 降低到 62 和 50,微波预处理可使悬臂掘进机在该闪长岩岩体中的破岩效率提高 170%280%;2)照射点间距为 20 cm 时,CAI 从 4.0 减少到 3.4,可使刀具损耗降低11%。关键词:开放式微波;岩体;RQD;破岩效率;刀具损耗DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.08.008文章编号:2096-4498(2023)08-1338-10中图分类号:
5、U 45 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):F Fr ra ac ct tu ur ri in ng g o of f a an n A Ar rt ti if fi ic ci ia al l R Ro oc ck k MMa as ss s b by y O Op pe en n-E En nd de ed d MMi ic cr ro ow wa av ve e a an nd d P Po ot te en nt ti ia al l B Be en ne ef fi it ts s t to o A As ss si is st te ed d MMe ec ch
6、 ha an ni ic ca al l E Ex xc ca av va at ti io on nZHENG Yanlong1,MA Zhongjun1,LI Jianchun1,*,ZHAO Xiaobao2(1.School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,Jiangsu,China;2.School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210093,Jiangsu,China)A Ab bs st tr ra ac c
7、t t:In order to investigate the fracturing characteristics of jointed rock mass subjected to open-ended microwave and estimate the efficiency of microwave-assisted rock breakage by roadheader,tests are conducted on an artificial rock mass under open-ended microwave.The artificial rock mass(1.5 m1.5
8、m0.3 m)is erected by nine diorite blocks(0.5 m0.5 m0.3 m)to simulate a working face with a 0.5 m joint spacing.The rock mass is treated point by point at a spacing of 15 cm and 20 cm,respectively,using a 6 kW microwave source and an open-ended antenna.The influences of radiation spacing and the dist
9、ance from radiation to joint on the fracturing of the artificial rock mass are analyzed.The equivalent rock quality designation(RQD)of the microwave treated rock mass is then calculated and the improvement in the rock breakage efficiency of a 200 kW roadheader is estimated based on the Bilgin empiri
10、cal model.The Crechar abrasivity indexes(CAI)of diorite with and without microwave treatment are measured.The results show 第 8 期郑彦龙,等:开放式微波致裂模拟节理岩体试验及辅助破岩评估that the equivalent RQD is reduced from 100 to 62 and 50 at an radiation spacing of 15 cm and 20 cm,respectively,and the CAI is reduced from 4.0
11、 to 3.4 at the radiation spacing of 20 cm.Microwave treatment can significantly enhance the rock breakage efficiency of the roadheader by 170%280%,and reduce the tool wear by 11%.K Ke ey yw wo or rd ds s:open-ended microwave;rock mass;rock quality designation;rock breakage efficiency;tool wear0 引言随着
12、地表矿床资源的枯竭和对矿产资源需求的持续增加,矿业工程逐渐进入了深部资源开采阶段 1-4。相较于钻爆法,全断面隧道掘进机(TBM)、悬臂掘进机等机械开挖方法由于具有掘进速率高、自动化程度高、矿石贫化低等优点,逐渐成为建造深部矿山斜井和主平巷的首选方法。同时,TBM、悬臂掘进机和破碎锤也广泛应用于土木水利工程中的长大深埋隧道施工。然而,当遇到硬岩或者极硬岩时,机械的破岩效率将变得低下,刀具正常异常磨损加剧,破岩成本显著提高。微波预处理可以显著弱化岩石强度,降低岩体质量,从而提高机械开挖效率、减少刀具磨损,这一技术的发展为解决上述问题提供了一个新的思路。微波辅助机械破岩的研究始于 20 世纪 70
13、80 年代,当时苏联科学家成功将配备喇叭天线的高功率微波破岩系统应用在磷灰岩矿山中,实现了微波独立破岩或者辅助机械开挖斜井和竖井的目的5-6。虽然这些开创性的研究取得了较为理想的效果,验证了微波技术在破岩方面的可行性,但现场试验存在一些问题,主要表现在 2 个方面:1)采用全断面弱化策略(断面面积 510 m2),导致微波装机功率和能耗过高(约40 kW/m2);2)试验开展于磷灰岩矿山中,而非微波敏感性较弱的常见硬岩7-8,因此研究结论推广价值较低。近 30 年来,针对硬岩的高效机械破碎成为亟待解决的工程难题,因此微波辅助机械破岩重新成为研究热点9。许多科研人员已经通过单模式或者多模式微波研
14、究了微波参数(微波功率和照射时间)、岩石特性(介电性质、粒径、超声波速以及含水率等)以及天然节理对微波弱化岩石效果的影响10-17。为了评价岩石可微波致裂性,Zheng 等11提出了岩石可微波致裂性指数 MFI;Koiwa 等18、Hartlieb 等19、Lu 等20、Ma 等21研究了开放式微波天线作用下岩块/试块的破裂特征,结果表明开放式微波照射可有效致裂岩石。采用多模式微波可以较好地模拟开放式微波照射下高温区岩石材料的劣化损伤,而高温区外宏观的温度梯度以及温度应力是诱发岩石破裂的主要原因22。对于机械破岩来讲,在岩体中预制裂纹或创造自由面可大大提高破岩效率23-24。相关人员还研究了微
15、波辅助机械破岩的可行性。例如:Lindroth 等 25利用 15.6 kW 的微波系统和标准波导天线处理了玄武岩以及花岗闪长岩,结果表明微波照射后试样钻进速度可提高 22.5 倍;Hartlieb等19证实了微波辅助悬臂掘进机破岩的可行性,并发现微波弱化花岗岩后截齿法向力减少了 10%30%;Kahraman 等 26利用多模式微波炉加热了 9 种火成岩并对照射后的试样进行线性截割试验,研究结果表明试样的破岩比能均有显著降低。相关人员还研究了热处理对岩石磨蚀性和刀具磨损的影响。例如:Ji 等 27研究了常规热处理对新加坡Bukit Timah 花岗岩 CERCHAR 磨蚀性指数(CAI)的影
16、响,结果表明试样的 CAI 从 25 的 3.5 降低到 400 的3.0,在400600 保持恒定,随后在800 时增加到4.1,提 示 工 程 应 用 中 应 避 免 过 度 加 热 岩 石;Eberl 等 28发现经过 700 和 900 的高温处理花岗岩的 CAI 显著降低,降低的原因是高温作用下矿物结合强度的下降;Tian 等 29发现在 600 内,经过加热和水冷的花岗岩磨蚀性随着温度的升高而增大。因此可以判断,微波预处理可以一定程度上降低刀具磨损。为了 减 小 微 波 有 效 破 碎 岩 石 的 总 功 率,Ma等21,30提出了微波聚焦以及中低功率微波破岩的概念,并通过设计缩径
17、天线和缩径介质填充天线提高微波设备的峰值功率密度。微波作用下试样会产生 1 个特定平面尺寸和深度的损伤区22,通过多点组合式照射的方式,即可实现开挖面的整体弱化。虽然微波辅助破碎锤破碎硬岩在技术、经济上都被证明是可行的22,照射点间距以及照射点与节理的距离对微波致裂岩体的影响还有待研究。此外,微波辅助悬臂掘进机破岩效率以及刀具磨损情况亦未充分研究。本文利用 9 块岩块垒成人造节理岩体,首先,利用6 kW 的工业微波系统和缩径介质填充天线对该岩体进行微波照射,研究不同照射点间距(15 cm 和20 cm)下节理岩体的破裂特征;其次,测量微波处理前后试样的等效岩石质量指标和磨蚀指数;最后,评估微波
18、处理前后截割头功率为 200 kW 的悬臂掘进机的破岩效率和刀具损耗的改善情况。9331隧道建设(中英文)第 43 卷1 材料及方法1.1 试样试验样品为细粒黑云母闪长岩,其矿物组成为石英 8%,斜长石 67%,辉石 4%,黑云母 20%以及副矿物1%。该岩石单轴抗压强度(UCS)为 140 MPa,纵波波速为 5 800 m/s,密度为 2 840 kg/m3。根据 Zheng等11的研究,该岩石的可微波致裂性指数 MFI 偏低,为较难致裂岩石,因此需要用缩径介质填充天线(简称 DLCWA)。试样的强度超过了常规悬臂掘进机的破碎能力(120 MPa)31。本文利用 9 块尺寸为0.5 m0.
19、5 m0.3 m(长宽厚)的岩块垒成 1.5 m1.5 m0.3 m(长宽厚)的人工节理岩体,以模拟节理间距为 0.5 m 的开挖面。需要指出的是,采用多块岩石模拟节理岩体时,无法考虑节理充填材料对微波致裂的影响,微波诱导产生裂纹扩展到岩石边界/节理时会发生截止。1.2 试验设置与试验步骤微波致裂岩石试验布置示意如图 1 所示。该系统由微波屏蔽集装箱、Sairem 微波公司生产的 GMP G4工业微波发生器和开口为 40 mm30 mm 的缩径介质填充天线组成。微波源各组成部分的功能见文献32,试验布置及流程见文献21,缩径介质填充天线的设计见文献30。当微波功率设置为 6 kW时,该天线的峰
20、值功率密度约为 1 200 W/cm2。缩径介质填充天线的开口与升降平台上的试样紧密贴合。依照从左到右、从上到下的顺序对岩块进行编号。为了尽量减少照射时间,微波功率设置为 6 kW,照射时间设置为 2 min。需要特别说明的是,试验过程中阻抗会随着试样的熔融而失配,可能导致微波加热提前终止。手动阻抗匹配器无法快速匹配阻抗变化,因此设备将在反射功率大于 1 kW 时自动停止工作。图 1 微波致裂岩石试验布置示意图(修改自 Ma 等 22)Fig.1 Experimental setup of microwave fracturing of rock blocks using the DLCWA(
21、revised from Ma et al 22)微波致裂节理岩体试验照射点布置示意如图 2 所示。微波照射点以等边三角形的形式进行布置,上半部分的微波照射点(黄色)间距为 15 cm,下半部分的微波照射点间距为 20 cm。据此布置,微波照射点数目总和为 77 个,每块试样的微波照射点数量为 512个,并且微波照射点距离试样边界的最小距离为2.5 cm(2 号和 5 号岩块最左和最右照射点),最大距离为 20 cm。图 2 微波致裂节理岩体试验照射点布置示意图(单位:cm)Fig.2Location of radiation points on 1.5 m1.5 m rock mass su
22、rface and distance to boundaries(unit:cm)本试 验 使 用 FLIR T420 红 外 热 像 仪 和 Smart Sensor AS872 红外测温枪进行温度测量。红外测温滞后于微波停止照射 510 s,所得温度值略低于试样经历的最高温度。红外热像仪的测温范围为-20 650,测量精度为2 或2%(以较大者为准)。当试样温度超过红外热像仪测温范围时,可借助红外测温枪进行补充测量(其测温范围为-301 350)。在微波加热停止后,首先拍摄试样的红外图像和光学图像,并在试样表面标记裂纹,进而提取出裂纹的数量和长度信息。最后利用便携式显微镜可以测量裂纹的开度
23、。2 试验结果2.1 照射时间与最高温度微波致裂节理岩体试验的最高温度以及加热时间如图 3 所示。可以看出:1)大部分照射点发生了熔融(只有 3 个照射点未发生熔化),试样发生熔化时,测量温度均超过 700;2)加热时间与最高温度均呈正态分布,最短、最长以及平均加热时间分别为 55、120、84 s,最 低、最 高 以 及 平 均 温 度 分 别 为 623、893、790。0431第 8 期郑彦龙,等:开放式微波致裂模拟节理岩体试验及辅助破岩评估(a)最高温度与加热时间的关系(b)加热时间直方图(c)最高温度直方图图 3 微波致裂节理岩体试验的最高温度以及加热时间(微波功率 6 kW)Fig
24、.3 Maximum temperature and heating time of microwave heating tests at 6 kW2.2 照射试样表面外观变化采用 6 kW 功率和缩颈介质填充天线处理后,1.5 m1.5 m 节理岩体的破裂特征如图 4 所示。可以看出,微波致裂产生的裂纹呈辐射状分布。3 号岩块微波加热时间及其致裂特征如图 5 所示。试验结果表明:1)每个微波照射点平均会产生 5 条照射面裂纹以及 1.1 条侧面裂纹,它们的平均长度分别为 6.6 cm 和6.7 cm。2)当照射点间距为 15 cm 时,相邻辐射点产生的裂纹可能会搭接、重叠。微波致裂所产生的裂
25、纹将试样切割成更小的块体,有助于机械破碎。同时,后续照射点产生的裂纹会延伸并截止于前序照射点所产生的裂纹。3)当照射点间距为 20 cm 时,相邻辐射点产生裂纹的搭接、重叠概率将会降低到 30%。4)当照射点间距为 15 cm 时,微波致裂所产生的裂纹数目(5.3)略多于照射点间距为 20 cm 时所产生的裂纹数目(5.1)。因此,可以得出结论,随着照射点数量的增多,微波照射所产生的裂纹也相应地增加。图 4采用 6 kW 功率和缩颈介质填充天线处理后 1.5 m1.5 m 节理岩体的破裂特征Fig.4Fracturing characteristics of 1.5 m1.5 m rock m
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