微波照射引起巖石裂紋開裂數值模擬研究＊

師百壘，潘艷賓

微波照射引起巖石裂紋開裂數值模擬研究＊

師百壘1，潘艷賓2

（1.楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100；2.中交西安鐵道設計研究院有限公司，陜西 西安 710000）

隨著現代社會交通的發展，微波輔助機械開挖巖體隧道備受人們的關注。為研究微波照射引起巖石裂紋開裂情況，采用PFC2D進行數值模擬，結果表明，微波照射巖石裂紋首先發生在兩種礦物交界處，不同礦物顆粒巖石晶體發生破裂所需微波能量不同，形狀越不規則的顆粒越容易形成裂紋。

微波照射；數值模擬；巖石裂紋；微波破巖

隨著社會的進步，人們越來越追求出行交通的便利。在山體隧道建設過程中會遇到各種各樣的巖層，目前，巖石的開挖方法主要有鉆爆法、盾構法等[1-2]，巖石的強度越大開挖的難度就越大。微波輔助破巖的提出大大改變了以往人們對巖石破碎技術的發展觀念，微波可弱化巖石強度，提高巖石的可開挖性，減少破巖所需能量，降低施工成本[3-4]。

那么，微波照射是怎么引起巖石裂紋的是急需解決的問題之一，采用數值模擬方法對其進行研究，為“微波+機械”技術的實現提供理論基礎。

1 微波破巖基本理論

巖石在微波照射下受多種場的共同作用，由于組成巖石的礦物成分對微波的敏感度不同，在微波照射時巖石內部應力場會發生重分布，溫度場呈現非均勻性，同時巖石材料特性也會發生變化，所以在進行巖石內部細觀分析時要選取合適的固熱耦合模型[5]。

由于巖石由非均質顆粒隨機組成，要考慮溫度效應的巖體應力平衡方程：

=1，2，3 （1）

式（1）中：λ，G為拉梅常數；為體積應變；為外力；為體積變形模量；為熱膨脹系數；為溫度。

非均質的非穩態熱傳導方程為：

式（2）中：為熱傳導系數；為溫度；為密度；為比熱容；為時間；0為熱量源。

2 數值模擬

2.1 模型建立

采用PFC2D進行模擬，該軟件熱材料模型是由一系列的熱源（吸波顆粒）和熱管（顆粒間黏結）組成，假定材料模型邊界絕熱且照射時間非常短，不存在對流和輻射，控制方程為[6]：

式（3）中：i為熱流量矢量，由傅里葉定律控制；v為體熱強度；為材料密度；P為材料比熱容。

巖石模型尺寸設定為20 mm×40 mm，最小顆粒半徑設為0.1 mm，并選擇對微波敏感的黃鐵礦（FeS2）和不吸波的方解石，模型為黃鐵礦顆粒隨機分布于方解石基質中。其模型如圖1所示。

圖1 二相巖石礦物模型

2.2 結果及分析

采用不同微波參數和不同大小的礦物晶體顆粒分析對照射效果的影響。

2.2.1 不同照射參數

對二相礦物模型進行微波照射時，功率密度采用1×109W/m3，當熱應力超過顆粒間平行黏結法向強度或切向強度，即產生微裂紋。不同照射時間下裂紋發展情況如圖2所示。當功率一定時，裂紋首先發生在兩種礦物交界處，隨著照射時間增長，裂紋不斷增多，巖石損傷程度變大。從圖2中可以看出當照射時間超出一定范圍時，照射效果變的不明顯，即微波照射存在最優微波照射時間。

2.2.2 不同礦物顆粒大小和形狀

對二相礦物模型進行微波照射時，功率密度采用1×1011W/m3下，不同顆粒大小和形狀的礦物對微裂紋數量和分布的影響，如圖3所示。

（a）微裂紋數量 （b）微裂紋數量 （c）微裂紋數量

143d=1×109W/m3， 335d=1×109W/m3， 575d=1×109W/m3，

0.1 s=0.868 kW·h/t 0.5 s=4.34 kW·h/t 1.0 s=8.680 kW·h/t

圖2 不同照射時間下裂紋發展情況

（a）圓形礦物顆粒 （b）圓形礦物顆粒 （c）方形礦物顆粒

d=1×1011W/m3d=1×1011W/m3d=1×1011W/m3

1 ms，=2 mm 1 ms，=3 mm 1 ms

圖3 不同顆粒大小和形狀的礦物對微裂紋發展情況

從圖3可以看出，巖石內部主要是法向拉壓破壞，少部分發生剪切破壞。礦物顆粒越小的巖石晶體要發生破裂的臨界應力強度值越高，熱開裂閥值溫度越高；礦物顆粒越大，巖石發生熱破裂的門檻值微波能量越低；顆粒形狀越不規則，表面曲率變化越快，越容易形成熱應力集中，產生微裂紋所需吸收能量越小。礦物顆粒晶體尖端或棱角處因熱應力奇異性首先出現裂紋。

3 結語

微波照射能引起巖石開裂，弱化巖石強度，不同巖石組成礦物對微波敏感度不同，裂紋首先從較弱的礦物交界面發生。微波照射存在最優照射時間，不同礦物顆粒巖石晶體發生破裂所需微波能量不同，形狀越不規則的顆粒越容易形成裂紋。

［1］田玉新，劉星.巖石爆破破巖機理［J］.科技致富向導，2010（1）：21-22．

［2］戴俊，秦立科.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．

［3］張宗賢.國外巖石破碎和掘進方法的新進展［J］.金屬礦山，1995（4）：23-25．

［4］戴俊，師百壘，吳濤.微波照射對巖石抗沖擊性能的影響［J］.河南科技大學學報，2016，37（1）：64-67．

［5］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．

［6］BRADSHAW S.Techno-economic considerations in the commercial processing of mineral ores［J］.Journal of Microwave Power，2007，40（4）：228-240.

TU45

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.019

2095－6835（2019）14－0048－02

師百壘（1989—），男，研究方向為鐵路工程施工技術。

楊凌職業技術學院自然科學研究基金項目（編號：A2018033）

〔編輯：嚴麗琴〕