动静组合载荷破岩声发射数值分析及试验研究

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1、动静组合载荷破岩声发射数值分析及试验研究学位类型：学术型学位学科（专业学位类别）：采矿工程作者姓名：王宏宇导师姓名及职称：赵伏军教授实践导师姓名及职称：学院名称：能源与安全工程学院论文提交日期：2012年5月31日学位授予单位：湖南科技大学AcousticEmissionNumericalAnalysisandExperimentalResearchonRockFragmentationunderDynamic-StaticCombinedLoadsTypeofDegreeAcademicDegreeDiscipl

2、ine(TypeofProfessionalDegree)MiningEngineeringCandidateWangHong-yuStudentNumber09010102006SupervisorandProfessionalTitleProf.ZhaoFu-junPracticeMentorandProfessionalTitleSchoolSchoolofEnergyandSafetyEngineeringDateMay31,2012UniversityHunanUniversityofScienceand

3、Technology学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校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。本人授权湖南科技大学可以将本

4、学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要机械破碎岩石具有连续、安全、高效等优点。该破岩方法在矿山开采、隧道施工、石油钻探等岩土工程领域得到了广泛应用，并日益发挥着重要作用。然而，过去的理论与试验研究主要集中在单一静载荷或冲击载荷作用下的岩石破碎特征及其对应的最优加载形式上，对动静组合载荷破岩的研究则较少；各种破岩试验中重点研究的是岩石的凿入深度、破碎程度以及破岩比功等破岩效果，破岩

5、过程监测的研究则更少。对于动静组合载荷破岩并利用声发射技术实时监测岩石破碎过程的理论或试验研究则几乎没有。基于上述问题，本文对动静组合载荷作用下岩石破碎时的声发射特点进行了理论分析、数值模拟以及实验研究。在总结分析单一静载和动载破岩特征的基础上，运用物理力学和弹塑性力学理论，分析了压头侵入破碎岩石时受力情况、破碎特点，得出了动静组合载荷凿入力和波动方程，并在此基础上运用岩石破碎声发射理论构建了动静组合载荷破岩声发射总数、声发射率和声发射能量关系式。结果表明：动静组合载荷作用下岩石声发射能量和计数均大于单一静载或动载

6、，且能在较短时间内使得岩石破碎声发射能量和计数达到最高水平，说明动静组合载荷能显著提高破岩效率和效果。采用岩石破坏过程分析软件―RFPA对花岗岩和水泥砂浆块在受不同动静组合载荷作用下的破碎情况进行了数值分析。结果表明：在静载破岩时，岩石声发射活动随压头作用力呈波浪形变化，声发射能量的激增总是对应压头作用力下降阶段，且在岩石整体开裂时声发射能量达到峰值；动载荷破岩时，岩石的岩性对破岩效果和岩石破碎过程中声发射活动影响较大；动静组合载荷能明显提高破岩效果，不同组合加载模式下岩石破碎，其声发射能量和计数各不相同，存在一个

7、合理的动、静载荷配比能够使声发射总能量和总计数达到最大值。在多功能动静组合破岩试验装置上对混凝土、花岗岩和水泥砂浆块在不同静载荷、动载荷以及组合载荷作用下进行了破碎试验，应用高速摄影机记录了岩石破碎过程，采集并分析了岩石破碎过程中声发射数据。结果表明不同岩性岩石在静载、动载作用下破碎效果以及声发射特点各不相同；动静组合载荷作用下岩石破碎声发射能量、计数和破岩深度均大于单一静载荷或动载荷作用，合理选择载荷形式可提高破岩效果，验证了动静组合载荷能提高破岩效果的理论分析和数值模拟结果。关键词：动静组合载荷；应力波；岩石破

8、碎；声发射；数值分析-i-ABSTRACTMechanicalrockfragmentationplaysanincreasinglyimportantroleingeotechnicalengineeringfieldsforitsadvantagesofcontinuity,safety,andefficient,etc.Therefore,itiswi