微波辅助破岩(microwave-assisted rockbreakage)最新研究进展

 

微波作用下岩石力学强度和损伤特性的劣化是评价微波高效破岩技术适用性的主要焦点。本研究分析了玄武岩在微波辐照下的机械强度退化和损伤特征，并对玄武岩在多级应力加载（MSL）路径下的损伤过程进行了X射线数字成像（DR）图像分析。研究结果表明，孔隙率大的玄武岩对微波辐射具有较好的热效应，并显著增强了其抗劣化能力。极性矿物的微波热效应对塑性破坏行为至关重要。本研究还提出了一种基于X射线DR图像定量分析和X射线吸收剂量阈值分割的岩石损伤特征评价模型。图像分析模型能够准确描述岩石损伤特征的演化过程。提出了一种改进的玄武岩损伤特征分析模型。将基于Cast3M有限元软件的弹塑性损伤模型与基于X射线DR图像的损伤模型进行了比较。计算结果表明，损伤区的变化与玄武岩的损伤裂纹扩展过程相一致。因此，所提出的损伤评估模型可以为科学评估微波辅助隧道掘进机（TBM）高效破岩技术的适应性提供指导。

 

 

 

 

 

微波辅助岩石破碎在采矿和岩土工程领域得到了广泛的应用。然而，由于涉及复杂的多物理耦合问题，岩石的破碎机制没有得到明确的解释。为了研究玄武岩在微波辐射下的热力学行为，建立了电磁-热-力学耦合数学模型，分析了玄武岩的加热过程，解释了其破碎机理。结果表明，在电场的能量转换阶段，在空腔和玄武岩中观察到不均匀的电场分布，这进一步导致由于岩石的介电损耗而在样品中产生温度梯度。这种现象可以在耦合电磁-热模型中得到证明。模拟结果表明，内压和外拉是玄武岩断裂或爆炸的主要原因。玄武岩的实验破坏位置符合模拟中最大热应力和应变的产生。实验和模拟结果表明，断裂过程中存在协同应力和应变损伤。这项研究的结果可以为微波辅助岩石破碎的应用提供一些科学指导。

 

 

 

 

 

微波辐照是一种很有前途的辅助机械破岩技术，因为它在减少刀具磨损和增强岩石断裂方面具有明显的优势。由于实验室实验和现场测试的高成本，数值模拟已成为研究微波辅助隧道掘进机（TBM）切割关键问题的主要方法。在这项工作中，开发了一种电磁-热-机械耦合方法来实现微波辅助TBM圆盘切割的数值模拟。在我们的模型中，不同的数值方法相互耦合，以发挥各自的优势，包括COMSOL的电磁热解、晶格弹簧模型（LSM）的热机械断裂模拟以及不连续变形分析（DDA）的岩石刀具接触处理。采用欧拉域到拉格朗日域的转换来解决圆盘切割过程中电磁热场的运动问题。所提出的耦合数值方法首先通过微波辐照岩石实验的相应建模进行了验证，其中耦合方法还可以提供实验中难以获得的三维空间岩石破裂的演化过程。在美国全尺寸岩石线性切割实验中，我们进一步将耦合方法应用于微波辅助岩石圆盘切割的模拟。通过数值计算结果表明，在圆盘切削过程中，移动微波辐射有利于整体降低刀具法向力。对于移动的微波辐射，刀具法向力会随着微波功率的增加或移动速度的降低而减小，其中在总微波能量输入不变的情况下，微波功率的作用更为显著。最后，基于我们的耦合模型的数值结果，分析了工程规模下平均法向力随微波能量输入的减小曲线，为微波辅助TBM隧道的未来实际应用提供了一些见解和建议。

 

 

 

 

 

微波破碎和辅助机械破碎岩石已被证明是有效和经济的，在岩石开挖中具有巨大的潜力。然而，尺寸对使用开放式微波天线的压裂过程的影响尚未得到很好的研究或理解。为了解决这个问题，使用介质加载会聚天线来加热和断裂不同尺寸的闪长岩样品。研究了试样平面尺寸、厚度以及微波能量对裂纹特性的影响。结果表明，随着试件平面尺寸的增加，断裂变得更加局部化，裂纹越来越短、越来越窄。相反，试样厚度与微波处理表面的裂纹特性呈负相关。该研究还定义并检验了使用天线的微波压裂的代表性基本体积（REV）。开发并验证了回归模型，以预测裂纹特征，如数量、密度、总长度和最大宽度。本文最后讨论了利用天线在不同节理间距的岩体上布置微波辐射的问题。

 

 

 

 

微波辐照岩石压裂作为一种提高粉碎过程能效的可行预处理方法，近年来受到了极大的关注。本研究对微波加热对硬质岩石力学性能的影响进行了数值分析。特别是，对微波辐照引起的类花岗岩单轴抗压强度和抗拉强度的降低进行了数值评估。岩石断裂采用损伤-粘塑性模型建模，具有拉伸和压缩破坏类型的单独损伤变量。开发了一种全局求解策略，首先在COMSOL multiphysics软件中求解电磁问题，然后将其解作为热力问题的输入，最后通过交错显式求解方法求解。由于热辐射的突出性，问题的热部分和机械部分被认为是不耦合的。模型行为在三个矿物数值岩石样本的三维有限元模拟中进行了测试，其中明确定义了细观结构，首先在微波炉中进行预处理，然后进行单轴压缩和拉伸测试。结果表明，微波预处理可以显著降低岩石的抗压强度和抗拉强度。