动静态组合加载模式下机具破岩机理与效能研究

从理论上研究动态、静态及组合加载下机具破岩机理，分析表征破碎效能的特征参量，重点探讨动态加载波形、能级、频率与不同静压组合对受载矿岩应力场演化及破碎效能的影响，建立机具破岩工况参数与岩石微观裂纹扩展到断裂破坏的力学机制，确定一维动静态组合加载和具有围压条件下动静组合加载系统机具-岩石的能量转化关系以及破碎岩石的最优载荷比等力学参数。实验上，首先对前期自行研制的多功能矿岩破碎试验机作进一步改进，使之满足冲击、静力压入、冲击切削、静压切削和冲击+静压-切削等各种破碎模式的研究需要。然后，选用大尺度矿岩进行不同能级与载荷水平的破碎试验。通过理论分析、实验室试验、数值仿真、工程实践和观测相结合的途径，确定动静载荷组合破岩在破裂方式、能量耗损、破岩效率等方面与单一冲击或压入载荷相比具有优势，证实研究矿岩动静组合加载连续采掘机械这一思路的可行性，为开发新型的动静态组合加载的采掘设备提供理论基础。

理论上分析了各种机具破岩模式的破碎机理和表征破碎效能的特征参量，建立了机具各破岩系统工况参数与岩石微裂纹萌生、扩展到断裂破坏的力学分析模型，揭示了静力加载、动态加载和动静耦合加载情况下岩石内应力场演化规律，确定了一维同轴动静态组合加载和具有围压条件下动静组合加载机具破碎岩石机具-岩石的功能转化关系以及最优载荷比等参数。应用功率谱分析方法揭示了动静耦合切削破岩过程是混沌运动。采用关联维数定量表征了切削破岩反映出的信号特征。通过对动静耦合破岩分形特征的分析，得到了关联维数与动静耦合加载的关系，关联维数与破岩比能的变化曲线极其相似。采用GP算法对冲击切削破岩的分形特征进行了研究，探讨了不同冲击间距和切削深度对关联维数的影响，得到了破岩比能随冲击间距与切削深度的比值呈凹形曲线分布，存在最优比值，可使破岩比能最小的结论。实验上，首先对自行研制的多功能矿岩破碎试验机作进一步改进，使之满足冲击、静力压入、冲击切削、静压切削和冲击+静压—切削等各种破碎模式的研究需要。然后，在动静组合载荷多功能试验装置上，以脆性岩石为研究对象，进行了不同载荷作用下的破碎试验。结果表明：动静组合载荷破岩在破碎深度、破碎体积和破岩比能方面比静力压入或单一冲击具有明显的优势，能大幅度提高破岩效果。不同的动静组合载荷存在不同的破岩比能，合理选取动静载荷的比值，可使破岩比能最小，破碎效果达到最优。运用声发射系统AEwin 采集岩石破碎过程中的声发射数据，得到动载荷、动静组合载荷和静载荷下破碎单位体积岩石释放的声发射累计能量为WD＜WS+D＜WS；组合载荷破岩的声发射累计能量和破碎体积较纯动载或纯静载大，且存在最优加载参数组合，可使破岩体积达到最大且破岩比能最小。以工程机械中平头型破岩刀具为研究对象进行模拟及试验验证，结果表明：刀头尺度对岩石的破碎过程起重要作用，对裂纹扩展速度、长度和破碎体积等表征破碎效果的参数影响显著。裂纹扩展速度和岩石破碎体积与刀头尺度(钝锐性)呈非线性关系。从累积声发射能量及累积声发射次数分析得到了双压头的最优间距。基于本课题的研究，发明了一种动静载荷与水压耦合破裂岩石的试验装置及试验方法，提出了一种应用关联维数分析动静载荷破岩效果的新方法，确立了硬岩破碎工程应采用动静组合载荷破岩的思想。