微波照射引起岩石裂纹开裂数值模拟研究＊

2019-08-12师百垒潘艳宾

科技与创新 2019年14期

师百垒，潘艳宾

微波照射引起岩石裂纹开裂数值模拟研究＊

师百垒1，潘艳宾2

（1.杨凌职业技术学院，陕西杨凌 712100；2.中交西安铁道设计研究院有限公司，陕西西安 710000）

随着现代社会交通的发展，微波辅助机械开挖岩体隧道备受人们的关注。为研究微波照射引起岩石裂纹开裂情况，采用PFC2D进行数值模拟，结果表明，微波照射岩石裂纹首先发生在两种矿物交界处，不同矿物颗粒岩石晶体发生破裂所需微波能量不同，形状越不规则的颗粒越容易形成裂纹。

微波照射；数值模拟；岩石裂纹；微波破岩

随着社会的进步，人们越来越追求出行交通的便利。在山体隧道建设过程中会遇到各种各样的岩层，目前，岩石的开挖方法主要有钻爆法、盾构法等[1-2]，岩石的强度越大开挖的难度就越大。微波辅助破岩的提出大大改变了以往人们对岩石破碎技术的发展观念，微波可弱化岩石强度，提高岩石的可开挖性，减少破岩所需能量，降低施工成本[3-4]。

那么，微波照射是怎么引起岩石裂纹的是急需解决的问题之一，采用数值模拟方法对其进行研究，为“微波+机械”技术的实现提供理论基础。

1 微波破岩基本理论

岩石在微波照射下受多种场的共同作用，由于组成岩石的矿物成分对微波的敏感度不同，在微波照射时岩石内部应力场会发生重分布，温度场呈现非均匀性，同时岩石材料特性也会发生变化，所以在进行岩石内部细观分析时要选取合适的固热耦合模型[5]。

由于岩石由非均质颗粒随机组成，要考虑温度效应的岩体应力平衡方程：

=1，2，3 （1）

式（1）中：λ，G为拉梅常数；为体积应变；为外力；为体积变形模量；为热膨胀系数；为温度。

非均质的非稳态热传导方程为：

式（2）中：为热传导系数；为温度；为密度；为比热容；为时间；0为热量源。

2 数值模拟

2.1 模型建立

采用PFC2D进行模拟，该软件热材料模型是由一系列的热源（吸波颗粒）和热管（颗粒间黏结）组成，假定材料模型边界绝热且照射时间非常短，不存在对流和辐射，控制方程为[6]：

式（3）中：i为热流量矢量，由傅里叶定律控制；v为体热强度；为材料密度；P为材料比热容。

岩石模型尺寸设定为20 mm×40 mm，最小颗粒半径设为0.1 mm，并选择对微波敏感的黄铁矿（FeS2）和不吸波的方解石，模型为黄铁矿颗粒随机分布于方解石基质中。其模型如图1所示。

图1 二相岩石矿物模型

2.2 结果及分析

采用不同微波参数和不同大小的矿物晶体颗粒分析对照射效果的影响。

2.2.1 不同照射参数

对二相矿物模型进行微波照射时，功率密度采用1×109W/m3，当热应力超过颗粒间平行黏结法向强度或切向强度，即产生微裂纹。不同照射时间下裂纹发展情况如图2所示。当功率一定时，裂纹首先发生在两种矿物交界处，随着照射时间增长，裂纹不断增多，岩石损伤程度变大。从图2中可以看出当照射时间超出一定范围时，照射效果变的不明显，即微波照射存在最优微波照射时间。

2.2.2 不同矿物颗粒大小和形状

对二相矿物模型进行微波照射时，功率密度采用1×1011W/m3下，不同颗粒大小和形状的矿物对微裂纹数量和分布的影响，如图3所示。

（a）微裂纹数量（b）微裂纹数量（c）微裂纹数量

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

图2 不同照射时间下裂纹发展情况

（a）圆形矿物颗粒（b）圆形矿物颗粒（c）方形矿物颗粒

d=1×1011W/m3d=1×1011W/m3d=1×1011W/m3

1 ms，=2 mm 1 ms，=3 mm 1 ms

图3 不同颗粒大小和形状的矿物对微裂纹发展情况

从图3可以看出，岩石内部主要是法向拉压破坏，少部分发生剪切破坏。矿物颗粒越小的岩石晶体要发生破裂的临界应力强度值越高，热开裂阀值温度越高；矿物颗粒越大，岩石发生热破裂的门槛值微波能量越低；颗粒形状越不规则，表面曲率变化越快，越容易形成热应力集中，产生微裂纹所需吸收能量越小。矿物颗粒晶体尖端或棱角处因热应力奇异性首先出现裂纹。