【摘 要】
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“微波照射+机械破岩”的新型破岩方法可大大提高机械的掘进速率、减小刀盘的磨损。成岩矿物种类、形状、尺寸以及含量等都是微波照射弱化岩石效果的重要影响因素,为探究岩石细观结构对微波照射效果影响,本文运用著名多物理场分析软件COMSOL,开展微波照射弱化岩石的电磁-温度-力多场耦合数值模拟分析,研究了花岗岩、伟晶岩、石灰岩、大理岩三类不同岩性岩石在微波照射过程中细观结构对试样电磁场、温度场、应力场、塑性
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“微波照射+机械破岩”的新型破岩方法可大大提高机械的掘进速率、减小刀盘的磨损。成岩矿物种类、形状、尺寸以及含量等都是微波照射弱化岩石效果的重要影响因素,为探究岩石细观结构对微波照射效果影响,本文运用著名多物理场分析软件COMSOL,开展微波照射弱化岩石的电磁-温度-力多场耦合数值模拟分析,研究了花岗岩、伟晶岩、石灰岩、大理岩三类不同岩性岩石在微波照射过程中细观结构对试样电磁场、温度场、应力场、塑性区的特征以及演化发展规律;通常对岩石细观结构归纳与抽象,建立了理想化的矿物粒组特征模拟模型,研究了岩石颗粒大小、排列、含量等粒组特征对微波照射弱化岩石的影响。主要研究成果如下:(1)在相同的微波入射条件下花岗岩、伟晶岩、石灰岩、大理岩均处于均匀的电场中。同等微波照射条件下变质岩内透过的电磁波更多。尽管微波照射过程中花岗岩与伟晶岩所在电场强度相等,但花岗岩电磁功损耗能力强于伟晶岩;大理岩电磁功损耗能力最弱,不管何种岩石在岩石内部矿物介电属性强的矿物对电磁功的损耗能力也强。(2)岩石内部温度分布与矿物的电磁功损耗相关联,电磁损耗能力越强的矿物在微波照射过程中温度高,温度差主要出现在吸波矿物与透波矿物的界面处,且微波照射功率越大温度差异越显著,越有利于岩石的弱化。火成岩的电磁功损耗能力强于沉积岩、变质岩,故火成岩在微波照射后的温度高于沉积岩、变质岩温度。(3)微波照射岩石过程中热应力的形成方式主要有两种方式,第一种热应力主要是由于矿物界面温度差异而形成的热应力集中现象,另一种热应力因矿物内部温度梯度而形成。而当热应力的值超过岩石内部矿物的屈服强度后便在该处形成塑性破坏,随微波照射时间的增加塑性破坏区域逐渐扩展演化。因变质岩、火成岩的结构完整性高于沉积岩,故在微波照射后变质岩、火成岩形成的破坏区域较少,分别是大理岩7%、伟晶岩12.4%、花岗岩38.6%,属沉积岩类的石灰岩最多为73.4%。微波照射过程中因岩性不同形成塑性破坏的起始温度各不相同,形成塑性变形的起始温度依次为石灰岩51℃、花岗岩77℃、伟晶岩148℃、大理岩134℃。(4)岩石内温度随吸波矿物颗粒直径的增大而增大,岩石内的温度差随吸波矿物颗粒直径的增加而增加,当矿物颗粒直径为2mm时岩石内的温度差最大为44.9℃,对岩石弱化的贡献更显著。岩石内塑性区率先在受拉的透波基质内形成,矿物颗粒直径为2mm时,岩石内形成的塑性破坏区最多为74.3%。吸波矿物含量从5%增加到20%时岩石内温度差异依次分别为25.3℃、40.2℃、53.1℃、71.3℃,吸波矿物含量增加越有利于岩石破坏。
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