微波照射下巖石強度弱化影響因素的試驗研究*

戴　俊，潘艷賓，孟　振

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054;2.煙臺市萊山區水利局,山東 煙臺 264000)

?

微波照射下巖石強度弱化影響因素的試驗研究*

戴俊1，潘艷賓1，孟振2

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054;2.煙臺市萊山區水利局,山東 煙臺 264000)

傳統的破巖方式在機具的消耗、效率的提高、環境的保護等方面都存在一定的制約，微波輔助機械破巖作為一種新型技術得到了快速發展。為了得出巖石在微波照射下的強度弱化規律，以砂巖和石灰巖為研究對象，以點荷載強度為研究指標，分別對不同微波照射條件及冷卻方式下砂巖和石灰巖的強度進行了試驗研究。結果表明：微波照射下巖石強度弱化的影響因素主要有微波照射功率、微波照射時間、冷卻方式、巖石顆粒粒徑大小及巖石礦物組成等；并且微波照射功率越大、照射時間越長對巖石弱化程度越大；噴水冷卻方式相對自然冷卻方式能大大提高微波照射后巖石強度的弱化程度；相同種類的巖石，顆粒粒徑越小，巖石越不易產生弱化，巖石強度弱化所需吸收微波能量越高；巖石所含吸波礦物越多，微波加熱后巖石強度弱化越明顯。為更有效地提高“微波+機械”破巖效率，應結合巖石強度弱化影響因素，選擇最佳的微波照射組合方式。

微波照射；砂巖；石灰巖；強度弱化

2.LaishanDistrictWaterResourcesBureau,Yantai264000,China)

0　引　言

伴隨著研究的不斷深入，微波這一新興技術由于具備改善反應條件、加快反應速度、均勻與選擇性加熱等特性[1-2]，使得微波技術已經廣泛應用于干燥物料、提取礦物、治療疾病等領域中[3-4]，同時微波技術在巖石破碎方面也發揮其強大優勢，主要體現在微波輔助機械破巖[5]上，即在機械破碎巖石之前,先用微波對巖石進行照射加熱使其產生微裂隙進而受到一定程度的弱化，而后采用機械對其進行破碎，彌補了傳統破巖方法存在的不足[6]。F.Hassani[7]對不同地區的玄武巖進行了微波照射試驗，結果表明微波功率越大、微波照射時間越長，巖石的抗壓、抗拉強度弱化程度越大。國內對于微波照射下巖石弱化演化的研究還處于起步階段，戴俊等[8-9]對微波照射作用下花崗巖的強度變化進行了試驗研究，并提出了微波照射后巖石的抗拉強度計算準則，并采用有限差分法對微波照射下巖石顆粒的屈服分布及演化進行計算分析，得出微波照射下巖石顆粒既存在拉伸屈服也存在剪切屈服等結論；孟振[10]通過對微波照射下巖石的試驗研究，得出不同巖石對微波照射因素敏感性不同；吳濤[11]通過巖石沖擊斷口電鏡掃描試驗分析了微波照射后巖石抗沖擊性能弱化的原因、沖擊裂紋的破壞特征及斷裂過程；楊凡[12]通過CT掃描和抗剪切試驗探究了微波照射下巖石弱化演化規律。微波照射下巖石強度弱化主要因素的研究是至關重要的一步，因此，文中對不同巖石、不同照射參數進行對比試驗研究，得到微波照射下巖石弱化演化的基本規律，以期得到微波照射下巖石強度弱化的主要影響因素及影響規律。

1　微波照射巖石強度弱化原理

微波通常是指波長為1mm～1m，頻率為0.3～300GHz的超高頻電磁波，中國工業上應用的微波頻率主要為915和2 450MHz2種，微波的吸收、穿透和反射3種基本性質決定了微波的加熱特性，微波照射下巖石強度弱化主要是由于微波作用下巖石內部吸波礦物吸收微波能量，進而加熱巖體改變其物理特性。電磁場以波的形式給巖石以能量，能量又通過巖石的吸熱而轉換，在交流電磁場作用下，巖石內部由于極化現象產生了類似摩擦的劇烈作用，微波能量轉化為巖石介質的熱量而溫度升高不同，巖石礦物物理性質的差異性導致熱膨脹作用的各向異性，從而產生了非均勻的熱應力，在溫度場和應力場耦合作用下，當產生的熱應力超過了巖石內部某種強度，就會導致巖石礦物顆粒間或顆粒本身產生微裂紋，再加上巖體在水分蒸發、內部分解等共同作用下，巖石內部出現新裂紋，裂紋不斷擴展、貫通從而誘發巖石破裂導致巖石弱化。

2　微波加熱試驗

2.1試驗設備、巖石試樣選取及試件加工

試驗采用工業微波作為高功率微波爐發生設備，額定工作電壓為380V，裝置由微波發射器(發射微波頻率為2 450MHz)和腔體2部分組成，輸出功率可調范圍為0～10kW；巖石試樣加工設備主要包括自動取芯機、箱式切割機及打磨機。

針對研究內容選取3種巖石：①四川成都地區砂巖；②陜北黃陵地區某煤礦礦區砂巖；③陜西咸陽市涇陽地區石灰巖。根據《公路工程巖石試驗規程》，試件加工具體樣式見表1.

表1　照射試驗巖石試件加工數量

2.2試驗方案

試驗以研究微波照射下對巖石造成強度弱化的主要因素為本質目的，采用對比試驗方法，試驗對3種巖石試件進行微波照射，照射功率分配為1，3，5，8 kW，照射時間分配為0，2，4，6 min.成都砂巖冷卻方式為自然冷卻和噴水冷卻2種，其余巖樣皆采用自然冷卻，然后對各巖樣進行點荷載試驗，得出巖樣強度結果，進行對比分析，得出微波照射巖石強度弱化影響因素及影響規律。

3　試驗結果及數據分析

3.1微波照射參數對巖石強度弱化的影響

成都砂巖試件在不同照射功率和照射時間下，得到巖石試件的殘余強度規律，如圖1所示。

圖1　成都砂巖在不同照射參數下 巖石殘余強度變化規律Fig.1　Chengdu sandstone rock residual strength variation at different irradiation parameters

由圖1可知，在一定照射時間范圍內，隨著照射時間的增長，巖石試件中強度弱化越來越明顯，如功率1 kW，成都砂巖隨著照射時間的增長其點荷載強度分別下降了13%，24%，28%，照射時長為4 min時，試件強度弱化幅度最明顯，6 min與4 min試件強度弱化相差不大，說明低功率照射下巖石弱化程度是有限的，因此，采取最佳照射時間為4 min.

由圖1可以看出，巖石試件的弱化程度隨著微波照射功率的增大而增加，高功率(5 kW)條件下，點荷載強度分別下降了22%，25%，35%，試件強度弱化幅度和速度比低功率(1 kW)條件下要大且快的多，在前2 min弱化幅度最大。功率為5 kW時，最佳照射時間是2 min.

由巖石強度變化規律可知，為高效利用微波能量宜選用高功率與短時間的組合方式。

3.2冷卻方式對巖石強度弱化的影響

由圖2對比成都砂巖在不同冷卻方式下微波照射巖石弱化的規律：自然冷卻條件下，巖石的強度弱化程度分別為22%，25%，35%，而在噴水冷卻條件下，巖石強度弱化程度達到35%，56%，65%，兩者對比，差異明顯。

圖2　不同冷卻方式下巖石強度弱化對比Fig.2　Comparison of rock strength weakening under different cooling ways

推斷微波照射后，巖石處于高溫狀態，直接進行噴水冷卻，由熱脹冷縮原理，巖石表面急劇收縮，而內部溫度變化較小，會使巖石內外發生不均勻變形，這種不均勻變形造成巖石內部裂紋的大量形成和貫通，大大降低了巖石的強度，因此，可以看出不同的冷卻方式對巖石弱化程度影響很大，噴水冷卻能有效降低微波照射后巖石的強度。在微波輔助機械破巖技術中采用噴水冷卻的方法是很有利的。

3.3巖石顆粒粒徑大小、礦物分布對巖石強度弱化的影響

圖3　2種砂巖巖樣對比Fig.3　Comparison of two kinds of sandstone samples 左側黃陵砂巖；右側為成都砂巖

從圖3可以看出，黃陵砂巖有明顯的層理結構，黑白相間，層理間礦物組成不同，即礦物分布不均勻，而成都砂巖質地均勻，顆粒細膩，顏色統一，完整性強。

圖4　2種砂巖強度弱化對比Fig.4　Comparison of two kinds of sandstone strength weakening

微波功率為5 kW條件下2種砂巖的殘余強度隨照射時長的變化規律如圖4，可以看出，成都砂巖在不同的照射時長下，其強度弱化分別為22%，25%，35%，而黃陵砂巖強度弱化分別達到56%，66%，75%，黃陵砂巖弱化程度遠遠大于成都砂巖。

成都砂巖較黃陵砂巖質地細膩，結構致密，顆粒粒徑較小，因為顆粒粒徑的大小直接影響著巖石的強度，顆粒粒徑越小，克服巖石抗拉強度所需熱應力越大，即所需吸收微波能量越高，相同照射條件下，成都砂巖強度弱化程度要比黃陵砂巖強度弱化程度小。另外，黃陵砂巖層理結構明顯，礦物分布不均勻，在微波照射下更容易形成較大的溫度梯度，引起巖石內部熱應力分布不均勻，從而加大巖石的弱化程度。

3.4巖石礦物成分對巖石強度弱化的影響

圖5　砂巖和石灰巖強度弱化對比圖Fig.5　Comparison of sandstone and limestone strength weakening

石灰巖主要由方解石和石英組成，其中方解石80%～90%，石英1%～8%，白云石2%～5%，黑云母<1%；砂巖主要由石英和巖屑組成，其中石英50%～60%，巖屑30%～40%，長石10%，黑云母3%～5%；不同礦物具有不同的介電常數，其中方解石的介電常數為1.8～2.0，石英4.2～5，黑云母9.28.

圖5中石灰巖和砂巖的強度弱化規律驗證了礦物成分對微波作用下巖石弱化程度的影響。介電常數較大的礦物對微波較敏感，微波作用下升溫較快，形成“熱點”，不同礦物之間形成溫度差，產生熱應力，引起巖石弱化。相同微波照射參數條件下，微波敏感礦物含量越高，巖石弱化程度越大。

4　結　論

試驗驗證了微波照射會引起巖石強度弱化，得到微波照射下巖石弱化的基本規律。通過對比分析出微波照射下巖石強度弱化主要影響因素包括：微波照射參數(微波功率和照射時間)、冷卻方式、巖石粒徑大小、礦物分布情況及巖石礦物成分。

1)不同種類巖石在微波照射后強度弱化不同，但總體趨勢都是隨著微波照射參數(微波功率和照射時間)的增加，巖石弱化程度增大；

2)相同照射條件下的冷卻方式，對巖石弱化程度影響很大，其中，采用噴水冷卻效果最明顯；

3)雖然相同種類不同產地的巖石，礦物成分相同，但巖石顆粒粒徑不盡相同，在相同的微波照射條件下，顆粒粒徑較小、礦物分布均勻的巖石，強度弱化相對較小；

4)由于不同種類的巖石其礦物成分不同，不同礦物具有不同的介電特性。介電特性越強，吸收微波能力越大，相同微波照射條件下，巖石強度弱化越明顯。

References

[1]崔禮生，韓躍新.微波技術在選礦中的應用[J].金屬礦山，2006(4)：29-32.

CUI Li-sheng，HAN Yue-xin.Application of microwave in mineral processing[J].Metal Mine，2006(4)：29-32.

[2]盛宇航，陶秀祥，許寧.煤炭微波脫硫影響因素的試驗研究[J].中國煤炭，2012，38(4)：80-82.

SHENG Yu-hang，TAO Xiu-xiang，XU Ning.Experimental study on influence factors of coal desulfurization under microwave irradiation[J].China Coal，2012，38(4)：80-82.

[3]張強.巖石破碎技術發展趨勢[J].中國礦山工程，1996(6)：20-22.

ZHANG Qiang.Rock-breaking technology trends[J].China Mine Engineering，1996(6)：20-22.

[4]李文成，杜雪鵬.微波輔助破巖新技術在非煤礦的應用[J]．銅業工程，2010(4)：1-4.

LI Wen-cheng，DU Xue-peng.Application of microwave-assisted rock breaking in metal mines[J].Coffer Engineering，2010(4)：1-4.

[5]Kingman S W，Vorster W，Rowson N A.The influence of mineralogy on microwave assisted grinding[J].Minerals Engineering，2000，13(3)：313-327.

[6]鮑挺，黃寧.巖石破碎技術研究與發展前景[J].安徽建筑，2010(6)：110.

BAO Ting，HUANG Ning.The research and development prospects of rock-breaking technology[J].Anhui Architecture，2010(6)：110.

[7]Hassani F，Nekoovaght P M.Microwave assisted mechanical rock breaking[C]//Harmonising Rock Engineering and the Environment.London：Taylor and Francis Group，2011.

[8]戴俊，孟振，吳丙權.微波照射對巖石強度的影響研究[J]．有色金屬：選礦部分，2014(3)：54-57.

DAI Jun，MENG Zhen，WU Bing-quan.Study on impact of rock strength by microwave irradiation[J].Nonferrous Metals：Mineral Processing Section，2014(3)：54-57.

[9]戴俊，秦立科.微波照射下巖石損傷細觀模擬分析[J].西安科技大學學報，2014，34(6)：652-655.

DAI Jun，QIN Li-ke.Meso-simulation of rock damage under microwave irradiation[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014，34(6)：652-655.

[10]孟振.微波照射下巖石損傷演化的數值模擬研究[D]．西安：西安科技大學，2014.

MENG Zhen.Numerical simulation research on damage of rock strength caused by microwave irradiation[D].Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2014.

[11]吳濤.微波照射引起巖石抗沖擊性能變化的試驗研究[D]．西安：西安科技大學，2015.

WU Tao.Experimental research on the variation of impact resistance of rock caused by microwave irradiation[D].Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2015.

[12]楊凡.微波照射引起巖石抗沖擊性能變化的試驗研究[D]．西安：西安科技大學，2015.

YANG Fan.Experimental research on mechanism of rock damage caused by microwave irradiation[D].Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2015.

Experimental study on influential factors of rock strength weakening under microwave irradiation

DAI Jun1，PAN Yan-bin1，MENG Zhen2

(1.CollegeofCivilandArchitecturalEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China;

Traditionalmethodsofrockfragmentationhavecertainrestrictionsduetotheconsumptionofmachine，efficiency，environmentalprotectionandotheraspects，Microwave-assistedmechanicalrock-breakingasanewtechnologyhasbeendevelopedrapidly.Inordertodrawthestrengthweakeninglawofrockundermicrowaveirradiation，sandstoneandlimestonerockasthestudyobjects，basedonpointloadstrengthindex，experimentalstudyonthestrengthofsandstoneandlimestonerockarecarriedoutunderthedifferentmicrowaveirradiationconditionsandcoolingways.Theresultsshowthatthemaininfluentialfactorsofrockstrengthweakeningundermicrowaveirradiationaremicrowaveirradiationpower，irradiationtime，coolingways，diametersizeofrockparticlesandrockmineralcompositionetc.；thelargerthemicrowaveirradiationpowerandthelongerirradiationtime，thegreaterthedegreeofrockweakeningis；spraycoolingwaycaneffectivelyimprovetherockstrengthweakeningdegreecomparedwithnaturalcoolingway；underthesamecondition，thesmallerdiametersizeofrockparticles，rockstrengthweakeningrequiredtoabsorbthehighermicrowaveenergy；themoreabsorbingmicrowaveminerals，thestrengthweakeningofrockundermicrowaveheatingwillbeobviouswiththeincreaseofabsorbingmicrowaveminerals.Inordertoimprove“MicrowaveandMechanical”methodofrockcrushingeffectively，theinfluentialfactorsofrockstrengthweakeningshouldbeconsideredforselectingtheoptimalmicrowaveirradiationcombinations.

microwaveirradiation；sandstone；limestone；strengthweakening

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0311

1672-9315(2016)03-0364-05

2016-01-10責任編輯：劉潔

國家自然科學基金(51174159)

戴俊(1964-)，男，貴州安順人，博士，教授，E-mail：1060968244@qq.com

TU 528

A