（采矿工程专业论文）石灰石矿露天采剥机开采技术研究.pdf

独创性声明 fi i r l l l l l l l f l l f l i i f l f f f l f r l f l f r l f l r f l l l r r f f f l r 册 y 18 8 0 0 9 4 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：孟兰邱日期：塑f f ：垒挈 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研姓c 捌：缸氓靳c ：附日期姚r 摘要 我国石灰石矿产资源丰富，是生产水泥、石灰的主要原料，在甲类矿产品 中其产量仅次于煤炭。目前我国石灰石矿山的主要开采方式是露天分台阶钻 孔爆破开采，然后再进行铲装、破碎及运输。这种开采工艺复杂，生产效率 较低，资源能耗较大。 随着社会的进步，世界采矿业已向设备大型化与智能化、开采连续化、 操作自动化、资源数字化、开采无害化，以及无人开采等方向发展。露天采 剥机作为近三四十年兴起的露天矿开采设备，具有操作简单，生产效率高， 生产能力大，对环境污染小，能与汽车、胶带输送机良好配合等显著优点。 本文通过应用r f p a 2 d 软件对机械刀具切割破碎不均匀脆性岩石进行了数 值模拟研究，能帮助更深入了解采剥机切割钻头破碎岩石的整个过程和机理， 从而能进行破岩设备的设计，对钻头倾角设置进行合理优化；为了更好地应用 钻头之间的相互作用，通过借鉴国内外多钻头相互作用研究成果，对钻头之间 的合理间距进行了分析。 文章对采剥机的结构组成、分类、技术性能与优缺点进行了分析总结，并 对其开采工艺进行了概述。目前国内外露天采剥机主要应用于软岩开采，对中 硬岩的开采十分有限。本文设想将射流辅助技术应用于露天采剥机上，充分发 挥二者的长处，大大扩展采剥机开采矿岩硬度的范围，实现对更多中硬岩乃至 硬岩矿的经济开采，并针对石灰石矿的特点，对连续或半连续工艺下露天采剥 机、带式输送机、卡车、排土机等相关设备的选型进行了分析。 关键词：露天采剥机，石灰石矿，r f p a 2 d ，连续开采，半连续开采 气 e q 善 a b s t r a c t i no u rc o u n t r y ，t h el i m e s t o n ei sv e r yr i c h ，a n di t st h ep r i m a r ym a t e r i a lo f t h e p r o d u c t i o no fc e m e n ta n dl i m e a m o n gt h em i n e r a lp r o d u c t so f c l a s sa ，i t so u t p u ti s o n l ya f t e rc o a l i np r e s e n t ，t h em a j o rm i n i n gm e t h o do fc h i n a sl i m e s t o n ei sd r i l l i n g a n db l a s t i n g ，a n dt h e nt h el o a d i n gs h o v e l ，c r u s h i n ga n dt r a n s p o r t t h em i n i n ga r t s a n dc r a f t sa r ec o m p l e x ，a n dt h e yh a v el o wp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dg r e a t e re n e r g y r e s o u r c e s a st h ea d v a n c e so fo u rs o c i e t y ，t h ed i r e c t i o n so ft h ew o r l d sm i n i n gi n d u s t r ya r e t h e l a r g e - s c a l e a n di n t e l l i g e n t e q u i p m e n t ，e x p l o i t a t i o nc o n t i n u o u s ，a u t o m a t i c o p e r a t i o n ，d i g i t a lr e s o u r c e s ，s o u n dm i n i n g ，a n ds e l f - s e r v i c em i n i n g a st h er i s e e q u i p m e n to fo p e np i tm i n i n gi np a s tt 1 1 i 啊t of o r t yy e a r s ，s u r f a c em i n e rh a s s i g n i f i c a n ta d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l eo p e r a t i o n ，h i 曲e f f i c i e n c y ，l a r g ec a p a c i t y ， a n dl o w e re n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n i tc a na c ti nc o n c e aw i t hc a r s ，t h eb e l tc o n v e y o r w e l l t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fr f p a 2 ds o f t w a r e ，w eh a v em a k en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s e a r c ha b o u tm e c h a n i c a lc u t t i n gt o o l s c u t t i n g a n db r o k e n h e t e r o g e n e o u sb r i t t l er o c k s ， a n di tc a nh e l pu su n d e r s t a n dt h ew h o l ep r o c e s sa n d m e c h a n i s mo fs u r f a c em i n e rc u t t i n gr o c k s b e t t e r ，a n dt h u sw ec a nd e s i g nt h e e q u i p m e n ta n do p t i m i z et oe n g a g ei nt h eo fa r e a s o n a b l es e to fb i td i p ；i no r d e rt o u s et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ed r i l l sab i tb e t t e ra n dt h r o u g ha n l e h n u n gt h er e s e a r c h o fi n t e r a c t i o nb e t w e e nd r i l l sa th o m ea n da b r o a d ，t h er e a s o n a b l es p a c i n gb e t w e e nt h e d r i l lw a sa n a l y s e d i nt h i sa r t i c l e ，t h ec o m p o s i t i o n ，c l a s s i f i c a t i o n ，t e c h n i c a lp e r f o r m a n c ea n d a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs u r f a c em i n e ra r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d ，a n d t h em i n i n gt e c h n o l o g yi so u t l i n e d a tp r e s e n t ，s u r f a c em i l l e ri sm a i n l yu s e di ns o f t r o c km i n i n ga th o m ea n da b r o a da n di ti sv e r yl i m i t e do nt h eh a r dr o c km i n i n g i ti s t h i i l l 【t h a ts u r f a c em i n e rw i t hh i 曲p r e s s u r ew a t e rj e tt e c h n o l o g yc a l lg i v ef u l lp l a yt o t h es t r e n g t h so ft h et w o ，a n di tw i l lg r e a t l ye x p a n d i n gt h es u r f a c em i n e rm i n i n g r a n g eo fr o c kh a r d n e s s ，t oa c h i e v ee c o n o m i ce x p l o i t a t i o ni nm e d i u mh a r dr o c ko r n 卜r ， ：二 ， k e yw o r d s ：s u r f a c em i n e r ，l i m e s t o n em i n e ，r f p 岔b ，c o n t i n u o u sm i n i n g t e c h n o l o g y ， s e m i c o n t i n u o u sm i n i n gt e c h n o l o g y m ，jlj【ly 妒【 摘要 a b s t r a c t 目录 i i i 1 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义：l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 机械破岩模拟研究现状”2 1 2 2 采剥机发展应用概况一2 1 2 3 连续与半连续开采工艺概况”3 1 3 研究内容与方案5 1 3 1 研究内容”5 1 3 2 研究方案5 1 4 仓u 新点5 第2 章机械破岩机理数值模拟研究一一- - - - - - - - - - - - 7 2 1 不均匀脆性材料切割破裂机理的数值研究7 2 1 1 数值方法和数值模型7 2 1 2 数值模拟结果1 1 2 1 3 数值模拟结果分析15 2 2 双钻头切削的数值分析2 0 2 2 1 双钻头的无量纲弹性解2 1 2 2 2 双钻头切削数值模拟2 3 2 3 小结2 7 第3 章露天采剥机一2 8 3 1 露天采剥机结构组成2 8 3 2 露天采剥机分类3 2 3 2 1 中部滚筒式露天采剥机3 2 3 2 2 前端滚筒式露天采剥机3 3 3 2 3 前端斗轮式露天采剥机3 4 3 3 露天采剥机技术性能与优缺点3 6 3 3 1 露天采剥机技术性能3 6 3 3 2 露天采剥机优缺点”3 7 3 4 露天采剥机适用条件“3 9 i v 3 5 露天采矿机开采工艺3 9 3 5 1 露天采剥机工作方式及工作面规格3 9 3 5 2 露天采矿机的生产能力4 3 3 5 3 影响露天采矿机生产能力的因素“4 4 3 6 卅、结4 4 第4 章石灰石矿概况一”一4 5 4 1 矿石矿物特性4 5 4 2 矿床成因及勘探类型4 6 4 3 我国石灰石矿产资源分布特点4 8 4 4 我国石灰石矿开采现状及存在的问题4 9 4 5 小结5 0 第5 章石灰石矿露天采剥机开采”0 0 o o o q q 0 0 0 0 0 0 0 0 1 h n 一5 1 5 1 采剥机中硬矿石开采现状5 l 5 2 高压水射流技术在采矿机上的应用5 2 5 3 石灰石矿采剥机连续开采工艺”5 3 5 3 1 开采程序及推进方式5 4 5 3 2 连续开采工艺设备选型5 4 5 3 3 连续开采工艺能力匹配6 0 5 3 4 运输系统设计需注意的问题“_ 一6 2 5 4 石灰石矿采剥机半连续开采工艺6 3 5 4 1 石灰石矿采剥机半连续工艺系统”6 4 5 4 2 半连续开采工艺设备选型6 6 5 5 小结6 8 第6 章结论与展望6 9 6 1 结论6 9 6 2 展望7 0 参考文献7 1 致谢一 附录：攻读硕士学位期间发表的论文 v 7 4 7 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 我国石灰岩矿资源是世界上比较丰富的国家之。据原国家建材局统计， 全国( 未包括西藏和台湾) 石灰岩分布面积约占国土面积的1 2 0 ，达4 3 8 万砌2 ， 其中有1 4 - 1 3 的石灰岩资源能用做水泥原料。截止n 2 0 0 3 年，全国已发现水 泥石灰岩矿点七、八千处，其中有1 2 8 6 处已探明储量一小型矿床4 8 6 处、中型 4 8 1 处、大型2 5 7 处，保有矿石储量达5 4 2 亿吨，其中石灰岩储量占9 3 ，为5 0 4 亿吨；大理岩储量占7 ，为3 8 亿吨。除上海市以外，保有储量广泛分布于2 9 个省市【1 1 。 石灰石矿属于非金属矿，是生产水泥、石灰的主要原料，也是重要的冶金 辅料和建筑及铁路建设的主要原料，还是c a c 0 3 化学原料提炼的重要材料。在甲 类矿产品中，石灰石产量仅次于煤炭，每年水泥用石灰石量达1 1 亿多吨，另外 作为化工和熔剂用的石灰石也达2 - 3 亿吨。 随着社会的进步，科学技术的发展，采矿业已向设备大型化与智能化、 开采连续化、操作自动化、资源数字化、开采无害化，以及无人开采等方向 发展。而目前我国的石灰石矿山的开采方式主要是露天分台阶钻孔爆破开采， 紧随其后的还有铲装、破碎、运输工艺。这种开采方法具有工艺复杂，生产 效率低，资源能耗大的缺点，已逐渐不能满足日益增加社会需求。 针对目前露天石灰石矿在开采过程中存在的各种问题，采用新兴露天矿开采 设备露天采剥机可实现连续化或半连续化开采，可明显提高露天采剥效率；若将 高压水射流技术应用于露天采剥机可使其开采石灰石矿石硬度进一步增大；采用 汽车、大倾角胶带运输机组成的运输系统与之配合使用，既可发挥汽车机动灵活 的特点，又可发挥大倾角胶带机运输能力大，费用低等优点，可大大提高矿山的 生产效益，从而达到节约成本，高效开采的目的。 露天采剥机半连续或连续开采技术在石灰石矿山的应用可推动我国石灰 石矿开采技术的快速发展，可为在石灰石矿以外的其他中硬岩及软岩露天矿 山推广使用提供借鉴。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 机械破岩模拟研究现状 很多学者进行了机械工具作用下岩石破坏过程的数值模拟。目前有三种主要 的数值分析方法一有限元方法( f e m ) 、边界元方法( b e m ) 和离散元方法 ( d e m ) 来模拟在机械工具作用下岩石的破碎。s a o u m a 睇】通过将自动再划分算 法加入到有限元模型程序中来模拟主要碎片形成过程中的裂纹开裂和随后的裂 纹扩展；i n g r a f f e a 【3 1 应用相似的有限元程序来模拟由于拖拉风镐而导致的岩石切 割过程；z e u c hl 4 j 建立了有限元数值模型来模拟岩石刀具相互作用和切屑形成过 程；s u n t 5 j 通过用任意位移间断弹性模型的边界元方法，对由于切割引起岩石破 碎的复杂应力状态和裂纹扩展行为进行了广泛的研究；t a n 【6 j 应用断裂力学模型 的不连续位移法来模拟在机械工具作用下裂缝的形成及在机械工具的作用下岩 石的后期破碎现象，像表面碎片及不连续体等的形成；前苏联物理学家阿齐莫维 奇对均匀脆性的玻璃进行了关于破坏机理和裂缝系统的研究；为了研究不均匀脆 性材料在切割中的损伤和破坏，m i s h n a e v s k yr 7 】引进了信息、分形和模糊集理论。 1 2 2 采剥机发展应用概况 露天采矿机是2 0 世纪7 0 年代末发展起来的，从道路机械和井工采煤机组移 植开发的一种新型露天采矿设备【8 】。其靠坚固的履带行走，用安装有碳化钨镶尖 截齿的旋转滚筒截割物料，并用滚筒的螺旋线结构运输物料，然后通过主胶带输 送机和卸料胶带输送机将物料装入卡车或输送机系统。8 0 年代以来，作为一种 新型的连续或半连续露天矿开采机械在世界范围内得到了广泛的应用。它不仅可 用来开采有用矿物，还可剥离露天矿表土，故又称之为“采剥机。其主要特点 是采运效率高、分采效果好、采掘成本低【9 】。它集穿爆、破碎、采装于一体，具 有连续作业的特点，极大的简化了露天采矿工艺，取得了较好的技术效果与经济 效益 1 0 1 。 目前世界上露天采矿机的生产厂家有近2 0 个，其中著名的生产厂家有德国 w i r t g e n 公司、k r u p p 公司以及西门子奥钢联公司等，而在露天矿应用最为广泛 的是w i r t g e n 公司和k r u p p 公司的产品【l 。 1 9 8 1 年，w i r t g e ns m 3 0 0 0 型露天采矿机首次应用于联邦德国莱茵矿区的弗 里缅斯多夫露天矿开采褐煤；1 9 8 2 年，美国德克萨斯州米古厄尔褐煤矿用 w i r t g e ns m 3 0 0 0 型露天采矿机开采【1 2 1 ；1 9 8 4 年1 0 月，w i r t g e ns m l 9 0 0 型露天 连续采矿机采矿应用于南非莱诺石膏矿业公司格拉纳茨博斯克石膏矿床开采，减 2 武汉理工大学硕士学位论文 少了移动破碎站等设备的购置费，生产的灵活性大大增加，相比于穿爆法，降低 了生产成本，增加了经济效益 1 3 】；1 9 8 6 年1 0 月，美国采矿协会拉斯维佳斯展览 会上，w i r t g e n 公司最新的4 2 0 0 s m 2 6 0 0 型采矿机得以展出；1 9 8 8 年德国k r u p p 公司生产的斗轮式露天采矿机其工作机构位于主机前端，工作方式为主机向前运 动，掘轮掘松矿物后装入铲斗，再向后翻卸到皮带输送机上【1 4 j ；2 0 0 9 年3 月， 中国神华北电胜利能源公司胜利西一号露天煤矿5 。煤层开始采用w i r t g e n s m 2 2 0 0 露天采矿机选采，其选采精度可达到0 2 m ，选采后其含矸率降低了 1 7 6 7 ，极大的提高了煤炭回收率和发热型1 5 】。 1 2 3 连续与半连续开采工艺概况 按生产的矿岩物料流的性质，露天矿生产工艺可分为连续的、半连续的和间 断的。针对不同的矿山开采条件，选用不同的露天矿山机械，可与露天采剥机配 合组成连续和半连续工艺系统 9 1 。 ( 1 ) 连续开采工艺系统 连续式开采工艺流程如下图1 1 所示，其系统的组成为：露天采剥机胶带 输送机一排土机( 或堆取料机) 。为了减少工作面胶带机的移设次数，扩大采剥机 的作业范围，可在工作胶带机与采矿机之间设转载机。 露天采剥机连续工艺系统与由轮斗电铲组成的连续工艺系统有基本相同的 特点和适用条件，但露天采剥机具有挖掘中硬( 普氏硬度系数厂= 5 8 ) 矿岩的优 点。这就意味着露天采剥机的应用扩大了连续开采工艺的应用范围【1 6 1 。 排 胶带输送机 土 i 露天采矿机卜- 机 或 一选矿厂或排土场 堆 叫转载机h 胶带输送机卜一+ 取 料 机 图1 1 采剥机连续开采工艺流程 ( 2 ) 半连续开采工艺系统 在露天矿生产中，半连续开采是近三四十年来兴起的一种适应性强、优点突 出、比较先进的开采工艺。由连续工艺和间断工艺两种开采工艺基础上发展起来 的半连续开采工艺系统，同时具有连续工艺和间断工艺的优势，能解决中硬、硬 矿岩的开采，适应性强，能连续运输矿岩，扩大生产规模和降低生产成本，因此 武汉理工大学硕士学位论文 被公认为国际采矿界“最有生命力的露天矿开采工艺【1 7 , 1 8 】。由于优点突出，一 般在新建露天矿及老矿改造时该工艺被优先考虑 国内外目前常用的半连续工艺主要有两种：单斗一卡车一半固定式破碎站一 带式输送机，其生产工艺流程如图1 2 ；单斗一自移式破碎站一带式输送机，其 生产工艺流程如图1 3 所示【1 7 1 。 图1 2 半固定或固定破碎站半连续工艺流程 图1 3 移动式破碎机半连续系统 露天采剥机采出的矿岩块度在3 0 0 m m 以下，完全可以满足胶带运输机要求， 从而可取消半连续工艺系统中的破碎站，形成如下的工艺系统：露天采剥机一( 装 载机) 一工作面汽车一( 胶带输送机) 一排土机( 或堆取料机) ，如图1 - 4 所示。 这一采矿工艺既可发挥采剥机连续作业的高效率，又可发挥汽车短运距机动灵活 的优点，效率高、成本低、组织管理简单。因此，它是矿体赋存条件复杂，选采 或分采要求较高的矿山的理想工艺方式【1 6 】。 工作面汽车 排 土 机 i 连续采矿机h 工作面汽车i- l 胶带输送机l - 或 一选矿厂或排土场 堆 取 料 装载机 工作面汽车 机 图1 - 4 采矿机半连续工艺流程 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 研究内容与方案 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 石灰石矿露天采剥机开采的可行性； ( 2 ) 机械钻头破岩过程及钻头合理间距数值模拟研究； ( 3 ) 石灰石露天矿半连续开采工艺； ( 4 ) 石灰石露天矿连续开采工艺； 1 3 2 研究方案 ( 1 ) 资料收集 根据研究课题收集相关资料，包括我国石灰石矿资源特点及开采现状，采剥 机在我国的应用现状等，为后续研究与分析提供基础。 ( 2 ) 文献调研与理论学习 根据本文研究内容，在图书馆、数据库查阅大量国内外相关研究资料，包括 国内外露天采剥机应用现状、机械切割岩石研究现状、射流辅助研究现状、大倾 角带式输送机在我国应用现状及采剥机连续或半连续开采工艺应用等。 ( 3 ) 软件学习与数值模拟 学习r f p a 2 d 软件，进行数值模型构建及结果分析，了解机械破岩机理。 ( 4 ) 石灰石矿连续、半连续开采工艺研究 针对我国石灰石矿特点，结合各类露天采剥机技术性能及优缺点，进行采剥 机选型，对应用采剥机组成的连续或半连续开采工艺下的各类设备分析选择。 1 4 创新点 ( 1 ) 对采剥机在我国中硬岩矿的应用进行研究，通过数值模拟掌握机械破岩 机理，并应用于采剥机改进； ( 2 ) 将高压水射流技术应用于露天采剥机，使采剥机开采矿石硬度范围进一 步扩大； ( 3 ) 对由露天采剥机组成的连续或半连续开采工艺及其设备选型进行分析 总结，充分发挥采剥机与两类开采工艺的优点。 图1 5 为本文技术路线图。 5 武汉理工大学硕士学位论文 图1 5 技术路线图 6 i 于 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章机械破岩机理数值模拟研究 机械破岩由于其过程的连续性、直接的破岩方式和更小的能量损失，因此是 移除岩石最有效的方法。一般说来，最普通的切割工具对于切割煤和一些相关的 软质材料是可行的。然而，随着高强度工具材料和高压水射流技术的发展，在带 有盘形滚刀、滚筒切割机和按钮切割机的机械使得非常坚固的脆性材料切割变得 可行【1 9 1 。在切割刀具的作用下，对岩石破碎的正确理解将能帮忙我们设计采矿 工具和装备进而提高采矿效率。 在切割过程中各种机制相互作用，特别是塑性压碎和脆性切削。通过减少压 碎部分和提高了压头切削能力可显着改善切削性能。因此，当两个压头同时作用， 它们之间的相互距离起着至关重要的作用，为了尽可能发挥每个压头的最大切削 能力，有必要对它们之间的距离进行研究。 2 1 不均匀脆性材料切割破裂机理的数值研究 很多学者对不均匀软质材料的切割过程进行了广泛的研究。然而，对切割脆 性材料，特别是对不均匀脆性材料的研究并不多。区别于塑性材料和均质材料的 切割，脆性材料的切割显然有很多的特性。排屑机理、有效的裂缝系统和碎片的 不连续性可能是不同的。然而，用理论分析方法研究不均匀脆性材料切割过程中 的应力状态和裂纹扩展行为太复杂了。由于成熟的计算力学理论和高效率个人电 脑的应用使得破坏的细节过程可以用适当的数值方法来实现。应用数值方法可以 将裂纹的形成、扩展和其需要的条件通过相应地破坏准则精确的确定和展现，进 而可以更好地理解碎片的形成机理及其渐进破坏过程。 初步研究表明，岩石破裂过程分析( r f p a ) 模型 2 0 l 适合研究岩石切割问题 【2 。本节应用r f p a 2 d 程序来模拟不均匀脆性材料的切割问题。通过模拟，再现 了岩石或类岩石材料在机械工具下的破裂过程：逐渐积聚的应力场，破碎带的形 成，表面碎片和内部裂隙的形成。由于考虑了材料的不均匀性，通过模拟发现了 一些新的特性，完成了一些定性和定量的分析。 2 1 1 数值方法和数值模型 岩石是不均匀材料的典型代表。岩石在自然条件下形成，经受很多随机因素 的影响，表现出复杂的非均质特性。在机械工具的作用下，岩石的固有特性如下： 在破坏后区的应变软化，当变形超出了弹性范围的大的正膨胀，随着荷载的增大 7 武汉理工大学硕士学位论文 模数逐渐的减小，伴随着侧压的增大而不断增大的峰值强度，在高侧压下脆韧性 的逐渐转变。r f p a 2 d 软件可以用来模拟在机械工具作用下岩石复杂的机械行 为。与其它软件相比，其最重要的特征是考虑到了岩石的不均匀性，其基本单元 可以归纳为：( 1 ) 通过在模型中引进岩体参数的不均匀性，r 见4 2 d 软件可以应 用线性方法模拟非线性行为；( 2 ) 通过对破坏单元引进减小的弹性模量，r f p a 2 d 能够通过连续力学方法处理不连续的力学问题；( 3 ) 通过记录破坏单元的变化率， 可以模拟与岩石逐渐破坏相关的地震活动。 2 1 1 1 不均匀材料模型 对于岩石或类岩石的不均匀脆性材料，如果所考虑的问题关系到微观粒度， 那么均质假设是有争议的。概率方法是模拟不均匀材料破坏的最简单方法。 w e i b u l l 2 2 1 是研究概率方法的先驱，在其强度统计理论中，假设加载体中任意数 量的微观裂隙超出了临界值而遭到破坏。因此，根据岩石的性质，可应用适当的 概率密度分布函数来描述岩石的不均质性。 岩石被划分为很多的微观单元，因为每个单元包含数目不等的缺陷，所以每 个单元肯定拥有不同的强度，从而可以假设固有强度按照某种可能的分布而进行 分布。根据研究经验，w e i b u l l 分布能很好地用来描述岩石中的微观缺陷分布。 因此，假设岩石单元的参数( 破坏强度以，弹性模量互等) 服从w e i b u l l 分布， 即： ，、”一1r 口、_ 矽：旦l 旦1 p 甫j ( 2 1 ) 一7 l 式中：口一材料( 岩石) 介质基元体力学性质参数( 弹模、强度、泊松比、自 重等) ；一基元体力学性质参数的平均值；m 一分布函数的性质参数，其物理意 义反映了材料( 岩石) 介质的均匀性，定义为材料( 岩石) 介质的均匀性系数，反 映材料的均匀程度；缈( 口) 一是材料( 岩石) 基元体力学性质口的统计分布密度。 w e i b u l l 分布值得引起注意的是其存在形状参数，这使得其可以形成多种多 样的形状。如图2 1 所示，当聊= 1 时，是指数分布；当m = 1 5 时，接近于对数 正态分布；当m = 4 时，它接近于正态分布。形状参数m 可以用来衡量单元参数 的变化性，所以也被认为是均质度指数 2 0 1 。指数m 越大，岩石越均匀。当m 趋 近于无穷大时，不均匀性趋近于0 ，便获得了理想的均匀岩石。 8 武汉理工大学硕士学位论文 0 0 1 0 0 0 8 旦0 0 0 6 9 - 0 0 0 4 0 0 0 2 o 0l o o2 0 03 0 0 4 0 05 0 0 o 图2 1 不同均质度指数的概率密度分布函数 根据w e i b u l l 分布，当指定单元参数就形成了样本空间。然而，尽管单元参 数的分布函数相同，但空间分布可能会不同。这些单元组成的岩石有几乎同样的 宏观力学行为，例如峰值强度，但它们可能有不同的破坏模式，最大的不同在于 表现杂乱细观结构的细节。杂乱的细观结构可以精确地反映岩石或类岩石不均匀 脆性材料特有的离散特性。通常，在物理空间的杂乱概率分布能用m o n t ec a r l o 方法实现。最简单的方法是生成一系列介于0 和1 之间均匀分布的随机数据。因 为w e i b u l l 分布的非单调性，可以推导出积分分布函数，即： q ( c r l = l 。矽f x 伽= 1 一p 一卅) ( 2 2 ) 一、7 、7 如图2 2 所示，为由m o n t ec a r l o 方法得出的介于o 和1 之间的随机数据。 这一系列的随机数据确定了一系列的单元参数，从而能确定单元的有限元网络。 在岩石或类岩石不均匀材料的有限元网络中，基于统计和随机性的方法满足了单 元参数的不均匀性和随机性的要求。 1 0 8 0 6 b 叮0 4 0 2 0 o1 0 02 0 03 0 04 0 0 o 图2 2 臃汤扰刀分布的累积分布 9 5 0 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 2 双椭圆强度准则 摩尔一库仑准则和胡克一布朗准则是采矿和岩土工程中两个最常用的强度 准则。但传统的摩尔一库仑准则和胡克一布朗准则仅仅对岩石破坏表层的脆性部 分有效。岩石切割实验表明在岩石切割工具的末端存在非常高的围压，其值可能 大于三轴实验所得的脆韧转变的压力。在这种情况下，屈服面强度准则更适合研 究这个问题。 此次模拟应用了如图3 所示的双椭圆屈服面模型。双椭圆屈服面模型能够用 广义剪应力乞= ( q o 3 ) 2 和广义正应力o - = ( q + g ) 2 ( q 和0 - 3 分别表示 最大和最小主应力) 来表示如下： ，_ a 4 0 - g z + 4 + 6 0 - , = c ( 2 - 3 ) 口，+ 4 + 6 7 0 - , = c ( 2 - 4 ) 式中a ，b ，口，矿和c 是常数参数。如图2 3 所示，常数参数能够根据单 轴抗拉强度q 、单轴抗压强度吒、脆韧破坏转折点( 虻，) 和静水l t i , 力p 0 来 定义。 双椭圆准则的脆性破坏面代表岩石在剪切或拉伸作用下的破坏，延性破坏面 代表岩石在高围压下的延性破坏模式引起的破坏。双椭圆强度准则模型主要优点 是避免了在线性破坏准则下张力区的顶端角，并且破坏准则和屈服面模型有统一 的数学形式，即韧性屈服面与脆性破坏面是相互关联的。 龟。 ，一罗墨卜 。 i 、 、- 2 一。h 。一 、一 图2 3 广义剪应力和正应力所表示的双椭圆强度准则 2 1 1 3 岩石破坏过程分析软件( r f p a 2 d ) 简介 真实破裂过程分析系统r f p a 2 d 是由东北大学岩石破裂与失稳研究中心开 发的。该软件基于有限元理论和全新的材料破裂过程算法思想，通过引用耽汤棚 分布、正态分布等各种统计分布函数，来模拟考虑材料的非均匀性特征，进而可 l o 武汉理工大学硕士学位论文 以从本质上模拟材料的非线性特征。通过单元的弱化来模拟材料变形、破坏的非 连续行为，可用于模拟研究岩石的破裂过程，特别适宜于研究由局部破坏过程引 起的应力重新分布对进一步变形和破坏的影响；也可以模拟岩石破裂过程中的声 发射规律，从而研究声发射频度与震级关系以及岩石失稳破坏的前兆特征团j 。 该软件在加载的过程中，通过有限元方法计算每一个单元的应力和变形，而 双椭圆强度准则用来判断单元是否经历了破坏性的转变。外部荷载一步一步的慢 慢施加在所构建的模型上，当在某一步某些单元的应力满足强度准则，该单元将 会变弱进而破坏。每一个破坏达到平衡状态后，整个模型的应力和变形分布会及 时的调整。由于应力重分布而引起的应力增加可能超出临界值从而导致进一步的 破坏，这个过程重复直到没有破坏单元出现。然后随着外部的荷载进一步增加， 整个模型逐渐发展成了宏观破坏。在加载的过程中能量贮存在单元中，并通过破 坏时候的声发射而得到释放瞄j 。 2 1 1 4 数值模型 此次模拟将岩石切割简化为二维平面应变问题，如图2 - 4 所示。灰度代表不 同的弹性模量值。颜色越明亮，单元的弹性模量值就越大。刀具被认为是与岩石 相比有高强度的准各向同性均质材料，而岩石为不均匀材料。对刀具从左边施加 水平位移( 0 0 0 5m m 步) ，并且上部保持同一水平，在竖直方向没有任何的运动。 整个模型被划分为2 0 0 1 0 0 ( = 2 0 0 0 0 ) 个细观有限元。 2 1 2 数值模拟结果 图2 - 4 岩石切割数值模拟模型 在机械加载作用下，岩石破碎过程一般包括以下几步：积聚的应力场，裂缝 系统的形成，表面碎片，凹坑的形成和表面裂隙的形成。在本节，模拟结果再现 了岩石破碎的渐进式过程和及其复杂的裂缝系统。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 1 准光弹应力条纹 在切割岩石的初始阶段，岩石表现为弹性体，如图2 5 所示。岩石中的应力 场主要由三个区域组成：相互作用区，围压区和围压区以外的区域。相互作用区 是由岩石和刀具之间不相匹配的弹性模量引起的。围压区的岩石_ 般处于相当高 的三轴压缩状态。在破坏后区分析中，发现围压区在某种程度上限定了破碎带的 形状和大小。比较图2 5 中的a 图和b 图可以发现，由于不均匀性，围压区的应 力轨迹很模糊，从而导致破碎带的边界变得模糊，不均匀的应力分布将决定裂纹 开裂的位置和裂纹发展的方向。在应力集中区常会引起刀具的破坏或磨损。 ( a )( b ) 图2 5 刀具和岩石中的准光弹应力条纹：( a ) 均匀岩石；( b ) 不均匀岩石 2 1 2 2 断裂模式 图2 - 6 表明了随着切割位移的增大，岩石破碎过程和应力场的逐渐演化。如 图2 - 6 ( a ) 所示，裂隙首先发生在刀具的下边缘，然后传播到与刀具位移成大约 4 5 度的岩石内部。由于脆性材料的抗拉强度远低于其抗压强度，所以裂隙是由 拉伸破坏产生的。随着刀具位移的增加，拉伸裂隙出现在刀具的上边缘，同时刚 开始出现在下边缘的裂隙开始向下发展，如图2 6 ( b ) 所示。随着连续不断的位 移加载，如图2 - 6 ( c ) 和( d ) 所示，在围压区域前出现压缩破坏。由于拉伸破坏 和压缩破坏释放三轴压缩区域的限制，原先围压区域的岩石被压缩破坏，而破碎 带区域逐渐形成刀具与岩石接触面大小相似的尺寸，如图2 - 6 ( e ) 所示。从模拟的 结果可以看出，破碎带是高密度的微裂隙区，也并不是刀具和岩体相互作用的独 立体。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 刀具切割破岩过程( 最大主应力分布) 破碎带对裂隙系统的发展有重要影响，其改变了刀具所施加的力的传播方 向。如图2 6 ( a ) ( ) ，在破碎带形成前，所有裂隙呈现侵入岩石的趋势。体积 膨胀和拉应力场同时存在于破碎带，从而导致拉伸裂纹的扩展和碎屑裂隙的形 成，进而形成了两类主要的裂隙碎屑裂隙和内部裂隙，如图2 - 6 ( e ) 所示。随着 位移的增加，一条碎屑裂隙快速的贯穿自由面，形成了小块的岩石，如图2 6 ( 厂) 武汉理工大学硕士学位论文 所示。同时，另外的碎屑裂隙以与岩石的自由面近似平行的曲线路径传播。一般 认为曲线路径是由岩石的不均质性引起的。碎屑裂隙的机理主要由与破碎带相联 系的拉伸应力引起的拉伸破坏。随着加载位移的不断增加，由拉伸应力引起的主 要碎屑裂隙传播分叉，如图2 - 6 ( g ) 所示。分叉的碎屑裂隙传播和相互作用，如 图2 - 6 ( h ) 所示。同时，破碎带周围形成了越来越多的裂隙，这使得破碎带增大， 它的边界变得模糊。随着加载位移的不断增加，分叉的碎屑裂隙结合并又形成一 个单独的主要碎屑裂隙，如图2 - 6 ( i ) 所示。随着碎屑裂隙的传播并与自由面相交， 形成了主要的碎片，如图2 6 ( ，) 所示。 根据模拟可知，当切割不均匀脆性材料时，碎片的形成过程是由复杂的应力 状态引起的，单元主要为拉伸模式或剪切拉伸模式并且拉伸模式占主导地位的混 合破坏模式，而内部裂隙实际上是一些主要拉伸裂隙的分支。 2 1 2 3 荷载位移响应 如图2 7 ( a ) 所示为荷载位移曲线，图2 - 7 ( b ) 为声发射位移曲线。从两 条曲线可以看出，荷载一位移响应与刀具在岩石中引起的断裂是紧密相连的。开 始阶段，荷载的增加只引起了岩石表面近似弹性的变形，如图2 6 、7 中的( a ) 所示。这一阶段的荷载一位移关系近似为直线，而除了由非常少量损害发生引起 的声发射，在岩石中几乎没有声发射。紧接着这种类似弹性的变形后的是破碎带 和裂隙区的变形。在这个阶段，破碎带岩石的运动受周围的完整岩石所限制。在 岩石断裂的过程中，刀具逐渐地进入岩石。当裂隙到达岩石表面，初始上部限制 的周围岩石和刀具下面的部分岩石被剔除形成碎片，从而使得刀具的运动受到的 阻力逐渐变小，最后以一个非常小的加载就能搬走岩石碎片。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 0 0 一1 0 0 0 z 赫 椽5 0 0 o 0 0 1 0 20 30 40 5 ( a ) 雠( 嗍) 8 0 0 妊伽 尢 盔4 0 0 划 假2 o oo 10 20 3 0 4 0 5 ( b ) 雠m m ) 图2 7 加载位移曲线和声发射位移图( 字母与图2 - 6 相对应) ：( 口) 加载一位移； ( b ) 声发射一位移 从声发射计数曲线可以明确地看到加载下降是由突然增大的声发射计数( 即 破坏单元的数量) 引起的。般来说，声发射计数每次大的增加会导致荷载大的 下降。此外，从模拟结果很容易得出切割深度决定于加载的大小、岩石的微观力 学性质和岩石的不均匀性，当然也受决定加载分布的刀具的几何特性所影响。 2 1 3 数值模拟结果分析 2 1 3 1 不均质性 图2 5 所示为对不同特征( 一种为均质的，另一种为不均质的) 岩石的准光弹 应力外形的模拟。可以发现，因为不均匀性，应力轨道变得模糊，由此可以得出 定性的结论即岩石的不均匀性对后面的破坏过程有重要的影响。不均匀材料切割 破坏有如下特性：碎片裂隙和内部裂隙以曲线路径传播；在传播过程中，分支和 结合经常发生；破碎带的边界变得非常模糊，一些裂隙区甚至独立于主要裂隙之 外；由于复杂的应力分布导致了不均质材料破坏过程中形成的碎片拥有复杂的几 何形状；在弹性变形阶段甚至也有声发射现象，说明在低荷载下，一些脆弱单元 仍然发生