冲击加载作用下矿石试件的动态力学特性及块度分布特征_董英健.pdf

冲击加载作用下矿石试件的动态力学特性及 块度分布特征 董英健 1 郭连军 2 贾建军 31 （1. 辽宁科技大学矿业工程学院， 辽宁 鞍山 114051； 2. 沈阳工业大学土木学院， 辽宁 沈阳 110870； 3. 鞍钢矿业爆破有限公司， 辽宁 鞍山 114046） 摘要矿石的动态力学特性影响其破碎效果。利用ϕ50 mm霍普金森杆系统改变冲击荷载对矿石A、 矿石B 试件进行16次动态压缩实验， 分析冲击气压对矿石应变率的影响， 对抗压强度与应变率之间的关联性做了初步研 究； 统计破碎后的矿石块度筛分数据， 分析块度的分布特征。结果表明 冲击速度在12～16 m/s范围内时每增大1 m/s时， 矿石B的动态抗压强度增大8.3 ， 矿石A的动态抗压强度总是低于矿石B， 且矿石A、 矿石B抗压强度随着 应变率的增加呈指数型增长； 随着耗散能量的增加矿石块度破碎的程度越大， 矿石B筛分破碎块度的整体通过率 要低于矿石A， 表明矿石B内部固有大量微缺陷在吸收能量变形中加速了裂纹的闭合， 与矿石A相比， 强度增大且 破碎程度较为平缓。 关键词岩石力学霍普金森压杆动态力学特性块度 中图分类号TD315文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -08-038-06 DOI10.19614/ki.jsks.201908007 Dynamic Mechanical Properties and Fragmentation Distribution of Rock Mass under Impact Loads Dong Yingjian1Guo Lianjun2Jia Jianjun32 （1. School of Mining Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China； 2. School of Civil Engineering， Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China； 3. Ansteel Mining Blasting Co.， Ltd.， Anshan 114046， China） AbstractFragmentation effect of ore was influenced by dynamic mechanical properties. 16 dynamic compression exper- iments were conducted on ore A and B by usingϕ50 mm Hopkinson bar system to change the impact compressive load. The influence of impact pressure on ore strain rate was analyzed， and the correlation between compressive strength and strain rate was preliminarily studied. The fragmentation degree data of crushed ore were counted and the fragmentation distribution was analyzed. The results show that the dynamic compressive strength of ore B increases by 8.3 when the impact velocity increas- es by 1 m/s within the range of 12-16 m/s； the dynamic compressive strength of ore A is always lower than that of ore B， and the compressive strength of ore A and ore B increases exponentially with the increase of strain rate；the fragmentation degree of ore increases with the increase of dissipated energy. The larger the size，the lower the overall pass rate of ore B screening fragmentation is than that of ore A， indicating that a large number of inherent micro-defects in ore B accelerate the crack clo- sure in energy absorption deation. Compared with ore A， ore B shows higher strength and more gentle crushing. KeywordsRock mechanics， Hopkinson pressure bar， Dynamic mechanical properties， Fragmentation degree 收稿日期2019-07-10 基金项目“十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0801603） ， 国家自然科学基金面上项目 （编号 51574123） ， 辽宁省自然科学基金项目 （编号 20170540456） 。 作者简介董英健 （1993） ， 男， 硕士研究生。 总第 518 期 2019 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 518 August 2019 露天矿在开挖过程中， 由于爆破施工技术具有 快捷、 效率高等特点被广泛应用， 但是爆破带来经济 效益的同时， 不可避免地对爆破近区的岩石工程产 生损伤与破坏 ［1］。由于岩石的抗拉强度远远小于抗 压强度， 因此在爆破载荷作用下矿岩的变形破碎多 取决于其抗拉强度； 而矿岩的动态拉伸特性是判别 爆区周围岩土工程响应的重要参数， 所以研究矿岩 的动态力学性质在指导矿山爆破开挖过程中显得尤 38 ChaoXing 其重要 ［2-3］。目前， 对矿岩的动态性质相关参数的获 取大部分通过动荷载作用下的冲击实验， 主要方法 有直接单向拉伸实验和巴西圆盘实验 ［4-5］。由于直接 法在试件加工及试验操作方面难度系数较大， 大多 选择间接实验巴西圆盘实验， 该实验主要通过霍 普金森压杆系统对矿岩试件进行加载来研究矿岩的 动力特性， 已逐渐成为目前广泛被认可的简单有效 的岩石动态性能分析的实验方法 ［6-8］。 为了获取矿石A、 矿石B在动态荷载作用下的力 学性能参数， 改善破碎效果， 本实验利用ϕ50 mm霍 普金森杆系统改变冲击荷载对矿石A、 矿石B试件进 行16次动态压缩实验， 分析冲击气压对矿石应变率 的影响， 研究抗压强度与应变率之间的变化规律， 结 合动态冲击能量理论对破碎块度与能量耗散之间的 变化规律做了初步分析。 1实验系统及方案 1. 1矿石试件制作 本实验采用的试件来源于多宝山铜矿520 m平 台， 该平台的矿石针对相同的爆破参数却表现出较大 差异性的破碎效果。为了使矿石试件物理力学性质 与现场矿石保持基本一致， 每类试件均由同一种矿石 样切割并由东北大学实验室加工制造， 本次实验共加 工30个矿岩试件， 其中矿石A、 矿石B各15个， 每个试 件的直径为50 mm， 厚度为25 mm， 为保证实验数据的 准确度， 试件两端面的不平行度打磨在-0.02～0.02 mm范围内， 将试件两端涂匀黄油与入射杆、 透射杆 紧密接触， 使试件受力均匀。 1. 2冲击加载实验系统及其原理 本次实验在辽宁科技大学霍普金森实验室进 行， 其中实验系统如图1所示。该系统主要包括撞 击杆、 入射杆、 透射杆和加载装置、 测试装置等， 其中 撞击杆、 入射杆和透射杆均采用40Cr钢， 撞击杆直径 为50 mm， 长度为400 mm， 入射杆和透射杆长度都是 1 800 mm， 且2杆的弹性模量均为200 GPa， 泊松比均 为0.3， 并在入射杆和透射杆距离试件90 mm的部位 贴上应变片。加载装置采用液氮气提供动力， 当施 加一定的气压时， 撞击杆以某一速度撞击入射杆， 产 生入射脉冲波， 并沿着入射杆传播到试件时反射到 入射杆中形成反射脉冲波， 剩下部分脉冲波通过试 件传递到透射杆中形成透射脉冲波， 并由应变片采 集， 通过计算获得矿岩试件在动态荷载冲击作用下 的动态力学特性。 2冲击实验能量的构成 在冲击实验过程中， 假设撞击杆的动能完全转 化为入射脉冲波携带的能量， 并通过反射脉冲波携 带的能量、 透射脉冲波携带的能量来计算试件所消 耗的能量， 而入射能、 反射能和透射能通过相对应的 应变来计算 ［9-11］， 或者应力来计算。试件的耗散能量 wwi-wr-wt,（1） wi A pC∫ 0 tσi2tdt,w r A pC∫ 0 tσr2tdt,w t A pC∫ 0 tσt2tdt, 式中，wi为入射波携带的能量， J；wr为反射波携带 的能量， J；wt为透射波携带的能量， J；A为输入杆和 输出杆的横截面积， m2；p为压杆密度， kg/m3；C为纵 波速度， m/s。 3实验方案及数据处理 3. 1实验方案 本次实验选取矿石A、 矿石B各8个试件进行动 态冲击压缩实验， 如图2所示。对每一个试件分别施 加0.30 MPa、 0.35 MPa、 0.40 MPa、 0.45 MPa气压， 为了 提高实验数据准确性， 在每一个气压值下重复冲击 实验2次， 并通过入射杆和透射杆上的应变片记录应 力脉冲波， 对应力脉冲波能计算出矿石A、 矿石B试 件在不同气压下的应力应变之间的关系， 并得出2 种矿石的动态力学特性及其变化规律。 董英健等 冲击加载作用下矿石试件的动态力学特性及块度分布特征2019年第8期 39 ChaoXing 3. 2数据处理 利用ϕ50 mm霍普金森杆装置对矿石A、 矿石B 试件施加不同的冲击气压并进行动态压缩实验， 统 计矿石相关参数， 利用式 （1） 计算矿石的耗散能量， 结果如表1、 表2所示。 通过改变动力源氮气的冲击气压， 使撞击杆以 不同的速度冲击入射杆， 进而给矿石施加动荷载。 图3描述的是利用霍普金森压杆动力压缩系统试验 建立冲击速度与矿石应变率之间的关系， 当冲击速 度较低时， 应变率较低， 反之， 应变率也会增大， 二者 呈现正相关性， 且在整个动力压缩过程中矿石A的应 变率明显高于矿石B， 但二者的应变率的变化速率却 明显不同， 相对于矿石B来说， 矿石A在冲击速度低 于13.5 m/s的情况下初始应变率的变化速度较为缓 慢， 而冲击速度高于13.5 m/s应变率却快速上升， 说 明矿石A、 矿石B之间的性质差异导致同区域的2种 矿石的应变率对爆破动力载荷的敏感程度不同。 图4表述了矿石的冲击速度与抗压强度之间的 变化曲线， 随着冲击速度的增大， 矿石A的动态抗压 强度总是低于矿石B的抗压强度， 且矿石A、 矿石B的 动态抗压强度变化趋势差异较为明显， 对于矿石B来 说， 当冲击速度每增加1 m/s时， 其动态抗压强度增大 8.3， 而矿石A的动态抗压强度增大16.7， 即随着 冲击荷载的增加， 矿石B的动态抗压强度相对于矿石 A来说增大幅度较低， 表明了矿石A、 矿石B之间性质 较大差异性。 图5显示的矿石A、 矿石B的抗压强度与应变率 之间的关系。从图5可以得出， 随着应变率的增加， 矿石A、 矿石B的抗压强度呈指数型增长的趋势， 当 应变率处于25～150 s-1时， 矿石B的抗压强度大约是 矿石A的2倍， 但应变率达到200 s-1时， 矿石A的抗压 强度增加速度缓慢， 而矿石B的抗压强度仍然以指数 型递增， 说明矿石B内部大量的原生孔隙逐渐发生了 闭合， 使其抗压强度显著增强， 表明矿石B的抗压强 度对应变率的响应明显高于矿石A， 体现出矿石B具 较强的应变率相关性， 同时证明了矿石A、 矿石B的 抗压强度对应变率的敏感程度不同， 验证了2类矿石 性质存在较大差异的观点。 金属矿山2019年第8期总第518期 40 ChaoXing 3. 3矿石破碎块度分析 为了分析矿石A、 矿石B在冲击载荷作用下块度 分布规律， 量取破碎后的矿石A、 矿石B的质量， 利用 孔径为0.28 mm、 0.6 mm、 1 mm、 2 mm筛子按照孔径从 下到上的顺序竖直方向排列并放置筛选机上， 对不 同冲击载荷作用下的破碎矿石的块度进行筛分， 称 取每次的筛分后的质量， 统计其筛分结果如表3、 表4 所示。 图6是矿石A、 矿石B的破碎形态， 矿石A、 矿石B 在不同应变率作用下均已破碎， 在低应变率下存在 较大的碎块， 随着应变率的增大， 矿石尺寸小的碎块 数量所占比例逐渐增加， 破碎程度显著提高。 为了定量地评价矿石A、 矿石B破碎程度， 直观 地描述破坏程度与平均耗散能量的关系， 由表1～表 4可建立矿石A、 矿石B试件平均耗散能量与筛孔尺 寸及通过率的变化曲线。图7、 图8显示的矿石A、 矿 石B的块度分布的变化规律， 从图中可以得出， 矿石 A、 矿石B耗散能量越大， 筛分后的块度通过率整体呈 上升趋势， 矿石碎块的块度的特征尺寸值逐渐变小， 表明矿石的破碎效果较好。当冲击载荷达到 0.45 MPa时矿石A破碎块度的通过率较大， 说明矿石A耗 散能量达到58.15 J时内部贯通的裂纹数量增多汇合 形成宏观裂纹， 给矿石充分破碎提供了基本条件。 对于矿石B来说， 相同筛孔直径下的破碎块度通过率 整体上要低于矿石A， 冲击气压低于0.35 MPa时， 矿 石A的耗散能量低于矿石B， 表明矿石B在初期阶段 吸收能量致使内部固有裂纹、 微缺陷闭合， 动态抗压 强度增大， 破坏程度相对于矿石A较为平缓。 4结论 （1） 通过矿石A、 矿石B的动态冲击压缩实验， 建 立了冲击速度与抗压强度的关系， 冲击速度在12～ 16 m/s范围内时速度每提高1 m/s时， 矿石B的动态 抗压强度增强8.3， 呈近似线性增加， 并且大于矿石 A的抗压强度， 表明了矿石B在冲击载荷作用下内部 缺陷发生闭合使其动态抗压强度增大。 （2） 矿石A、 矿石B的应变率随着冲击速度的增 大呈上升趋势， 但二者的应变率的变化速率却明显 不同， 表明了矿石A、 矿石B之间的性质差异导致同 区域的2种矿石的应变率对爆破动力载荷的敏感程 度不同。 （3） 从矿石A、 矿石B的抗压强度与应变率之间 的关系可得， 随着应变率的增加， 二者的抗压强度呈 指数型增大， 但矿石B的抗压强度对应变率的响应大 于矿石A， 说明矿石B具有较强的应变率相关性。 （4） 随着应变率的增加， 矿石A、 矿石B小尺寸块 度数量所占比例逐渐增大， 并结合矿石A、 矿石B试 董英健等 冲击加载作用下矿石试件的动态力学特性及块度分布特征2019年第8期 41 ChaoXing 件的耗散能量与块度通过率的关系曲线， 表明矿石 A、 矿石B耗散能量越大， 筛分后的块度通过率整体呈 上升趋势， 实现了矿石的充分破碎。 参 考 文 献 张国华， 陈礼彪， 夏祥. 大断面隧道爆破开挖围岩损伤范围试 验研究及数值计算 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2009，28 （8） 1610-1619. 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