微波照射下岩石的升温与破碎特性研究.pdf
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1、引用格式:刘超尹,卢高明,周建军,等.微波照射下岩石的升温与破碎特性研究J.隧道建设(中英文),2023,43(8):1348.LIU Chaoyin,LU Gaoming,ZHOU Jianjun,et al.Heating and fracturing characteristics of rocks under microwave irradiationJ.Tunnel Construction,2023,43(8):1348.收稿日期:2022-11-29;修回日期:2023-06-26基金项目:国家自然科学基金项目(42002281);安徽省科技重大专项“揭榜挂帅”项目(2022e0
2、3020006);中国中铁股份有限公司科技开发计划(2020-重大-06);中铁隧道局集团科技创新计划(隧研合 2020-11)第一作者简介:刘超尹(1996),男,河南洛阳人,2022 年毕业于郑州大学,道路与铁道工程专业,硕士,助理工程师,主要从事隧道工程建设及微波辅助破岩等研究工作。E-mail:13838189513 。微波照射下岩石的升温与破碎特性研究刘超尹1,2,卢高明1,2,周建军1,2,姚华彦3,姜礼杰4,范文超1,2(1.盾构及掘进技术国家重点实验室,河南 郑州 450001;2.中铁隧道局集团有限公司,广东 广州 511458;3.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽 合肥
3、 230000;4.中铁工程装备集团有限公司,河南 郑州 450016)摘要:为论证微波辅助破岩过程中岩石的升温破碎理论,选取玄武岩作为岩石试样,对不同微波功率和照射时间下的岩石试样进行了 5 组微波照射试验,获得了岩石表面的温度分布和破碎状态。利用 COMSOL 多物理场建模软件进行仿真模拟,研究岩石内部的电场和温度场分布,揭示岩石的破碎机制。试验结果表明,随着微波发射功率和照射时间的增加,岩石表面的温度、破碎面积、破碎点深度、裂缝数量和裂缝长度均有所增加。模拟结果表明,微波由喇叭天线传递至岩石上表面时电场强度急剧降低,岩石内部电场强度整体呈倒锥形分布;微波照射下的岩石破碎损伤主要与电场强度
4、有关,电场强度的强弱导致不同部位能量密度分布不均匀,进而引起温度梯度变化,产生不同的热膨胀,导致破碎损伤的发生。岩石的破碎损伤演化分为 3 个阶段,根据岩石试样升温过程进行数学模型回归分析发现,微波发射功率对温度特性的影响更为显著,当微波照射功率为 26.645 kW 时,微波能在极短的时间内使岩石达到破碎损伤状态,照射效果最佳。关键词:微波辅助破岩;温度特性;电场强度;COMSOL;破碎特性DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.08.009文章编号:2096-4498(2023)08-1348-12中图分类号:U 455 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码
5、(OSID):H He ea at ti in ng g a an nd d F Fr ra ac ct tu ur ri in ng g C Ch ha ar ra ac ct te er ri is st ti ic cs s o of f R Ro oc ck ks s U Un nd de er r MMi ic cr ro ow wa av ve e I Ir rr ra ad di ia at ti io on nLIU Chaoyin1,2,LU Gaoming1,2,ZHOU Jianjun1,2,YAO Huayan3,JIANG Lijie4,FAN Wenchao1,2(
6、1.State Key Laboratory of Shield Machine and Boring Technology,Zhengzhou 450001,Henan,China;2.China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,Guangzhou 511458,Guangdong,China;3.College of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230000,Anhui,China;4.China Railway Engineering Equipment Group Co.,Lt
7、d.,Zhengzhou 450016,Henan,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To explore the rock heating and fracturing mechanism in microwave-assisted rock breaking,five groups of microwave irradiation tests are conducted on basalt samples under various microwave power and irradiation times,which provide the temperatu
8、re distribution and fragmentation state of rock surface.For deducing the rock-breaking mechanism,the COMSOL multiphysical field-modeling software is used to simulate the distribution of electric and temperature fields inside the rock.Test results show that the increase in the microwave-emission powe
9、r and irradiation time increase the rock-surface temperature,breaking area,breaking-point depth,crack quantity,and crack length.Furthermore,simulation results reveal the following:(1)The electric-field intensity in rock decreases sharply when the microwave is transmitted from the microwave antenna t
10、o the upper rock surface and exhibits an inverted cone distribution.(2)Additionally,the rock-fragmentation damage under microwave irradiation is revealed to be mainly attributed to the electric-field intensity.The electric-field power results in an uneven distribution of energy density in different
11、rock parts,causing a change in 第 8 期刘超尹,等:微波照射下岩石的升温与破碎特性研究the temperature gradient and foreign thermal expansion,which lead to fragmentation damage.The evolution of rock-fragmentation damage can be divided into three stages.Based on the regression analysis of mathematical models for the heating pro
12、cess of rock samples,the microwave-emission power has considerable influence on temperature-dependent characteristics.A microwave irradiation power of 26.645 kW is shown to cause fragmentation damage of rock in a short time,indicating the best irradiation effect.K Ke ey yw wo or rd ds s:microwave-as
13、sisted rock breaking;temperature characteristics;electric-field intensity;COMSOL;fracturing characteristics0 引言微波辅助破岩是一种将微波加热技术和机械破岩技术相结合的混合型破岩方法。通过微波辐射的加热效应对岩石进行弱化,显著降低其单轴抗压强度、抗拉强度和点荷载强度等力学特性,是一种新的辅助破岩方法1。该方法克服了传统机械破碎硬、高磨蚀性岩石效率低,刀具磨损严重的问题,具有良好的应用前景,因此近几年对这一课题的研究也逐渐深入。1991 年,Lindroth 等2首次将微波加热岩石作为一种
14、可能的新兴破岩方法推广,该方法的工作原理是当微波照射岩石时,将微波能转化为热能,在岩石内部产生热梯度,热梯度会导致岩石内部产生应力,并导致裂缝的形成3。进入21 世纪,对微波破岩技术的研究更加深入,其中,Kingman 等4-6通过试验测试和数值模拟探究了微波能在矿石预处理和岩石破碎过程中的潜力。Hassani 等7研究了微波处理对硬岩岩石强度的影响,岩石暴露在高功率微波下处理会导致温度升高,对岩石表面和内部产生一定程度的损伤,能够更好地促进传统机械的破岩能力。Kingman 等8在试验中测试了微波功率对矿石破碎的影响,研究发现在较高的微波功率下,样品的强度迅速下降,在功率 15 kW的微波照
15、射下岩石强度在短时间内急剧降低至 15%。在一项试验研究中,Chen 等9使用频率为 2.45 GHz、功率为 3 kW 的微波对钛铁矿进行处理,分别在微波下曝光 10、20、30 s,试验之后将试样研磨平整,随后采用扫描电镜和傅里叶变换红外分析方法对辐射后的岩石样品进行表征,结果发现矿物的升温特性存在成分依赖性,其中玄武岩对微波的吸收能力表现更好。国内在微波辅助破岩方面也做了相当多的研究。其中,以卢高明、李元辉、田军等为代表的学者在对微波辅助破岩进行系统性综述的基础之上,进一步探究了微波作用下水分对岩石波速和强度的影响10,多模谐振腔对微波致裂效果的影响11,微波加热路径对硬岩破碎效果的影响
16、12以及微波对不同敏感性造岩矿物加热效果的影响13。戴俊等14-15对微波辐射下岩石的冲击性能、岩石强度和裂纹扩展等进行了大量的研究工作。随着有限元数值仿真技术的普及,一些学者发现将试验与数值模拟结合更有助于理解微波辐射对岩石的破坏机制。微波对岩石的破坏浅显地说取决于不同的微波参数,但更多的是取决于岩石本身的热、电特性。其中,Toifl 等16在探究微波对岩石力学性能的影响过程中进行了数值仿真,模拟了温度场的分布。Wang 等17对暴露于短脉冲微波下岩石的热应力和裂纹扩展情况进行了二维有限元数值模拟。Li 等18建立了电磁-热-力耦合三维模型,对微波加热下煤层气的开采机制以及微波辐射对煤岩物性
17、的影响进行了深入探究。数值模型可以模拟岩石内部温度场和电场的变化,数值模拟的发展增强了对微波辅助破岩及其热力学特性的理解,试验结果则可以验证数值模拟的准确性。综上可知,以往的学者多从试验或数值模拟中的单一途径进行微波加热岩石升温和破碎特性的研究,存在一定的片面性。本文在众多学者研究成果的基础上,基于微波照射岩石模型试验,构建了电磁-热耦合三维数值模型,探究岩石表面的温度和破碎状态以及岩石内部的温度场和电场分布,建立岩石破碎、温升、能量密度和电场强度之间的相互关系,以期更全面、更深层次地揭示岩石的破碎损伤演化。1 微波加热试验设备及方法微波加热试验采用频率为 2.45 GHz 的硬岩微波致裂系统
18、(见图 1),其主要包括:红外热成像仪、谐振腔、操作台、微波发生器、喇叭天线、红外热像仪接口、岩石试样、试样底座(可调节高度)以及高频微波电源。试验选取 200 mm200 mm200 mm 的赤峰玄武岩11作为试样,将岩石试样放置于试样底座上,试样中心正对喇叭天线,喇叭天线至岩石表面的照射距离为 50 mm。试验分为 2 组:1)微波功率为 18 kW,照射时间为 1、3、5 min;2)微波照射时间为 3 min,微波功率为 12、15、18 kW。试验过程中控制其他变量不变。微波照射岩石过程中,距离谐振腔 0.5 m 的位置布置有微波泄露检测设备。微波照射岩石试验正常进行过程中,微波泄露
19、检测仪检测到的微波泄露量仅为10 W/cm2,远 远 低 于 微 波 侵 害 人 体 的 阈 值9431隧道建设(中英文)第 43 卷80 mW/cm2。同时,本文中微波的泄漏量与微波发射功率相比较,对试验结果的影响极其微弱,基本可以忽略不计。微波照射岩石的过程中,通过红外热成像仪及连接的外部电脑设备,全程采集记录试样表面温度变化。试验结束后,采用热像仪分析软件对数据进行分析,研究不同微波功率、不同照射时间对岩石表面温度及破裂特性的影响。(a)外部结构(b)内部结构(c)高频微波电源图 1 硬岩微波致裂试验系统Fig.1 Microwave fracturing test system for
20、 hard rock为表征岩石的损伤状态,以破碎时间、破碎区域面积、破碎区域中心点深度、裂缝数量和裂缝长度为指标。其中,岩石表面破碎时间可根据岩石破碎的响声、红外图像以及可见光图像确定;破碎区域面积由于呈现出不规则的形状,采用方格纸分割填补的方法求取面积占比,见图 2(a);破碎面中心点深度使用精度为0.001 mm 的游标卡尺进行量测,见图 2(b);裂缝长度采用尺子进行量测。2 数值模型建立使用三维建模的方法计算微波在岩石表面和内部产生的热效应时,需要通过数值模拟技术将多种物理量联系起来。通过近几年来微波在硬岩预处理中的应用研究19可以得到,岩石在微波照射下的温度力学响应很大程度上取决于样
21、品的电磁、热等特性,即介电常数、介电损耗因子、比热容和导热系数等。本文采用完全耦合建模的方法,利用岩石材料的升温特性,综合处理岩石中电磁-热多物理场耦合的行为。建模方法的理论公式分为 2 个部分:电磁物理(麦克斯韦理论)、热物理(传热理论)。电磁-热多场耦合方法如图 3 所示。(a)方格纸计算破碎面面积(b)游标卡尺测破碎面中心点深度图 2 试样破碎面积和破碎深度测量方法Fig.2 Measuring method for fracturing area and depth of specimen图 3 多场耦合原理Fig.3 Multi-field coupling principle2.1
22、 电磁物理学(麦克斯韦理论20)麦克斯韦方程是一组偏微分方程,描述了基本电磁量之间的关系。在一定边界条件下求解这些问题就是宏观层面的电磁分析问题,模型电磁物理部分的控制方程为?-1r(?E)-k20(r-je0)E=0。(1)0531第 8 期刘超尹,等:微波照射下岩石的升温与破碎特性研究式中:?为旋度符号;r为相对磁导率,N/A2;E 为电场强度,N/C;r为相对介电常数,F/m;0为介电常数,F/m;为角频率,rad/s;e为电导率,s/m;k0为自由空间波数,rad/m,k0=c0,c0为真空中光速,取2.998108 m/s。2.2 热物理(传热理论21)采用电磁-热耦合模型对微波照射
23、下的岩石进行加热模拟。在本文模型的电磁物理场部分,f(E,H)函数作为物理场的输入。在多物理场接口中,向频域添加电磁波,向固体接口添加传热,以物理场耦合增加电磁波部分的电磁损耗作为热源。固体传热方程为Cpu?T+?q=Q+Qted。(2)式中:q 为热通量,q=-k?T,k 为岩石导热系数,W/mK;T 为温度,;为岩石密度,kg/m3;Cp为恒压热容,J/(kgK);u 为热气学能,J;Q 为电磁热源,W/m3;Qted为岩石中的热弹性阻尼效应,W/m3。2.3 模型建立在实验室现有模型基础上,基于 COMSOL 软件,按照 1 1 比例进行适当简化,建立微波照射岩石三维模型,如图 4 所示
24、。图 4 微波照射岩石三维模型(单位:m)Fig.4 Three-dimensional model of microwave heating(unit:m)为减少计算量,本文对模型中非关键因素进行适当简化,由此作出以下假设:1)波导管和腔体的材质均为铜质;2)试样和空气的分布是均匀的;3)试样和空气之间的化学反应忽略不计;4)试样完全绝缘。建模各项材料尺寸如表 1 所示。表 1 建模各项材料尺寸Table 1 Modeling material dimensionsmm模型部件宽度长度高度半径微波谐振腔680700800波导管41.4887.84250试样200200200试样底座40014
25、0 其中,喇叭口至试样表面的初始距离为 50 mm,在试验和模拟过程中可通过调节试样底座的高度控制其距离,本文控制喇叭口至上表面初始距离不变。玄武岩试样的热电参数如表 2 所示。其中,相对介电常数通过高温岩石介电特性测试系统测得,玄武岩密度通过试验测得,其他参数通过阅读文献总结所得22。所建模型完整网格共包含 802 938 个域单元,26 864 个边界单元,1 024 个边单元。表 2 玄武岩试样热电参数Table 2 Thermoelectric parameters of basalt属性数值电导率/(S/m)510-5相对介电常数8.609 75-1.352 8j导热系数/(W/(m
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