開(kāi)放式微波致裂模擬節(jié)理巖體試驗(yàn)及輔助破巖評(píng)估

鄭彥龍, 馬中駿, 李建春, *, 趙曉豹

(1. 東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 江蘇 南京 211189; 2. 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 210093)

0 引言

隨著地表礦床資源的枯竭和對(duì)礦產(chǎn)資源需求的持續(xù)增加,礦業(yè)工程逐漸進(jìn)入了深部資源開(kāi)采階段[1-4]。相較于鉆爆法,全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)、懸臂掘進(jìn)機(jī)等機(jī)械開(kāi)挖方法由于具有掘進(jìn)速率高、自動(dòng)化程度高、礦石貧化低等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為建造深部礦山斜井和主平巷的首選方法。同時(shí),TBM、懸臂掘進(jìn)機(jī)和破碎錘也廣泛應(yīng)用于土木水利工程中的長(zhǎng)大深埋隧道施工。然而,當(dāng)遇到硬巖或者極硬巖時(shí),機(jī)械的破巖效率將變得低下,刀具正常異常磨損加劇,破巖成本顯著提高。微波預(yù)處理可以顯著弱化巖石強(qiáng)度,降低巖體質(zhì)量,從而提高機(jī)械開(kāi)挖效率、減少刀具磨損,這一技術(shù)的發(fā)展為解決上述問(wèn)題提供了一個(gè)新的思路。

微波輔助機(jī)械破巖的研究始于20世紀(jì)70—80年代,當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)科學(xué)家成功將配備喇叭天線(xiàn)的高功率微波破巖系統(tǒng)應(yīng)用在磷灰?guī)r礦山中,實(shí)現(xiàn)了微波獨(dú)立破巖或者輔助機(jī)械開(kāi)挖斜井和豎井的目的[5-6]。雖然這些開(kāi)創(chuàng)性的研究取得了較為理想的效果,驗(yàn)證了微波技術(shù)在破巖方面的可行性,但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)存在一些問(wèn)題,主要表現(xiàn)在2個(gè)方面: 1)采用全斷面弱化策略(斷面面積5～10 m2),導(dǎo)致微波裝機(jī)功率和能耗過(guò)高(約40 kW/m2); 2)試驗(yàn)開(kāi)展于磷灰?guī)r礦山中,而非微波敏感性較弱的常見(jiàn)硬巖[7-8],因此研究結(jié)論推廣價(jià)值較低。

近30年來(lái),針對(duì)硬巖的高效機(jī)械破碎成為亟待解決的工程難題,因此微波輔助機(jī)械破巖重新成為研究熱點(diǎn)[9]。許多科研人員已經(jīng)通過(guò)單模式或者多模式微波研究了微波參數(shù)(微波功率和照射時(shí)間)、巖石特性(介電性質(zhì)、粒徑、超聲波速以及含水率等)以及天然節(jié)理對(duì)微波弱化巖石效果的影響[10-17]。為了評(píng)價(jià)巖石可微波致裂性,Zheng等[11]提出了巖石可微波致裂性指數(shù)MFI; Koiwa等[18]、Hartlieb等[19]、Lu等[20]、Ma等[21]研究了開(kāi)放式微波天線(xiàn)作用下巖塊/試塊的破裂特征,結(jié)果表明開(kāi)放式微波照射可有效致裂巖石。采用多模式微波可以較好地模擬開(kāi)放式微波照射下高溫區(qū)巖石材料的劣化損傷,而高溫區(qū)外宏觀(guān)的溫度梯度以及溫度應(yīng)力是誘發(fā)巖石破裂的主要原因[22]。對(duì)于機(jī)械破巖來(lái)講,在巖體中預(yù)制裂紋或創(chuàng)造自由面可大大提高破巖效率[23-24]。

相關(guān)人員還研究了微波輔助機(jī)械破巖的可行性。例如: Lindroth等[25]利用15.6 kW的微波系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)天線(xiàn)處理了玄武巖以及花崗閃長(zhǎng)巖,結(jié)果表明微波照射后試樣鉆進(jìn)速度可提高2～2.5倍; Hartlieb等[19]證實(shí)了微波輔助懸臂掘進(jìn)機(jī)破巖的可行性,并發(fā)現(xiàn)微波弱化花崗巖后截齒法向力減少了10%～30%; Kahraman等[26]利用多模式微波爐加熱了9種火成巖并對(duì)照射后的試樣進(jìn)行線(xiàn)性截割試驗(yàn),研究結(jié)果表明試樣的破巖比能均有顯著降低。

相關(guān)人員還研究了熱處理對(duì)巖石磨蝕性和刀具磨損的影響。例如: Ji等[27]研究了常規(guī)熱處理對(duì)新加坡Bukit Timah花崗巖CERCHAR磨蝕性指數(shù)(CAI)的影響,結(jié)果表明試樣的CAI從25 ℃的3.5降低到400 ℃的3.0,在400～600 ℃保持恒定,隨后在800 ℃時(shí)增加到4.1,提示工程應(yīng)用中應(yīng)避免過(guò)度加熱巖石; Eberl等[28]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)700 ℃和900 ℃的高溫處理花崗巖的CAI顯著降低,降低的原因是高溫作用下礦物結(jié)合強(qiáng)度的下降; Tian等[29]發(fā)現(xiàn)在600 ℃內(nèi),經(jīng)過(guò)加熱和水冷的花崗巖磨蝕性隨著溫度的升高而增大。因此可以判斷,微波預(yù)處理可以一定程度上降低刀具磨損。

為了減小微波有效破碎巖石的總功率,Ma等[21, 30]提出了微波聚焦以及中低功率微波破巖的概念,并通過(guò)設(shè)計(jì)縮徑天線(xiàn)和縮徑介質(zhì)填充天線(xiàn)提高微波設(shè)備的峰值功率密度。微波作用下試樣會(huì)產(chǎn)生1個(gè)特定平面尺寸和深度的損傷區(qū)[22],通過(guò)多點(diǎn)組合式照射的方式,即可實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖面的整體弱化。雖然微波輔助破碎錘破碎硬巖在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上都被證明是可行的[22],照射點(diǎn)間距以及照射點(diǎn)與節(jié)理的距離對(duì)微波致裂巖體的影響還有待研究。此外,微波輔助懸臂掘進(jìn)機(jī)破巖效率以及刀具磨損情況亦未充分研究。

本文利用9塊巖塊壘成人造節(jié)理巖體,首先,利用6 kW的工業(yè)微波系統(tǒng)和縮徑介質(zhì)填充天線(xiàn)對(duì)該巖體進(jìn)行微波照射,研究不同照射點(diǎn)間距(15 cm和20 cm)下節(jié)理巖體的破裂特征; 其次,測(cè)量微波處理前后試樣的等效巖石質(zhì)量指標(biāo)和磨蝕指數(shù); 最后,評(píng)估微波處理前后截割頭功率為200 kW的懸臂掘進(jìn)機(jī)的破巖效率和刀具損耗的改善情況。

1 材料及方法

1.1 試樣

試驗(yàn)樣品為細(xì)粒黑云母閃長(zhǎng)巖,其礦物組成為石英8%,斜長(zhǎng)石67%,輝石4%,黑云母20%以及副礦物1%。該巖石單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)為140 MPa,縱波波速為5 800 m/s,密度為2 840 kg/m3。根據(jù)Zheng等[11]的研究,該巖石的可微波致裂性指數(shù)MFI偏低,為較難致裂巖石,因此需要用縮徑介質(zhì)填充天線(xiàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)DLCWA)。試樣的強(qiáng)度超過(guò)了常規(guī)懸臂掘進(jìn)機(jī)的破碎能力(<120 MPa)[31]。本文利用9塊尺寸為0.5 m×0.5 m×0.3 m(長(zhǎng)×寬×厚)的巖塊壘成1.5 m×1.5 m×0.3 m(長(zhǎng)×寬×厚)的人工節(jié)理巖體,以模擬節(jié)理間距為0.5 m的開(kāi)挖面。需要指出的是,采用多塊巖石模擬節(jié)理巖體時(shí),無(wú)法考慮節(jié)理充填材料對(duì)微波致裂的影響,微波誘導(dǎo)產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展到巖石邊界/節(jié)理時(shí)會(huì)發(fā)生截止。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置與試驗(yàn)步驟

微波致裂巖石試驗(yàn)布置示意如圖1所示。該系統(tǒng)由微波屏蔽集裝箱、Sairem微波公司生產(chǎn)的GMP G4工業(yè)微波發(fā)生器和開(kāi)口為40 mm×30 mm的縮徑介質(zhì)填充天線(xiàn)組成。微波源各組成部分的功能見(jiàn)文獻(xiàn)[32],試驗(yàn)布置及流程見(jiàn)文獻(xiàn)[21],縮徑介質(zhì)填充天線(xiàn)的設(shè)計(jì)見(jiàn)文獻(xiàn)[30]。當(dāng)微波功率設(shè)置為6 kW時(shí),該天線(xiàn)的峰值功率密度約為1 200 W/cm2?？s徑介質(zhì)填充天線(xiàn)的開(kāi)口與升降平臺(tái)上的試樣緊密貼合。依照從左到右、從上到下的順序?qū)r塊進(jìn)行編號(hào)。為了盡量減少照射時(shí)間,微波功率設(shè)置為6 kW,照射時(shí)間設(shè)置為2 min。需要特別說(shuō)明的是,試驗(yàn)過(guò)程中阻抗會(huì)隨著試樣的熔融而失配,可能導(dǎo)致微波加熱提前終止。手動(dòng)阻抗匹配器無(wú)法快速匹配阻抗變化,因此設(shè)備將在反射功率大于1 kW時(shí)自動(dòng)停止工作。

圖1 微波致裂巖石試驗(yàn)布置示意圖(修改自Ma等 [22])

微波致裂節(jié)理巖體試驗(yàn)照射點(diǎn)布置示意如圖2所示。微波照射點(diǎn)以等邊三角形的形式進(jìn)行布置,上半部分的微波照射點(diǎn)(黃色)間距為15 cm,下半部分的微波照射點(diǎn)間距為20 cm。據(jù)此布置,微波照射點(diǎn)數(shù)目總和為77個(gè),每塊試樣的微波照射點(diǎn)數(shù)量為5～12個(gè),并且微波照射點(diǎn)距離試樣邊界的最小距離為2.5 cm(2號(hào)和5號(hào)巖塊最左和最右照射點(diǎn)),最大距離為20 cm。

圖2 微波致裂節(jié)理巖體試驗(yàn)照射點(diǎn)布置示意圖(單位: cm)

本試驗(yàn)使用FLIR T420紅外熱像儀和Smart Sensor AS872紅外測(cè)溫槍進(jìn)行溫度測(cè)量。紅外測(cè)溫滯后于微波停止照射5～10 s,所得溫度值略低于試樣經(jīng)歷的最高溫度。紅外熱像儀的測(cè)溫范圍為-20～650 ℃,測(cè)量精度為±2 ℃或±2%(以較大者為準(zhǔn))。當(dāng)試樣溫度超過(guò)紅外熱像儀測(cè)溫范圍時(shí),可借助紅外測(cè)溫槍進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量(其測(cè)溫范圍為-30～1 350 ℃)。在微波加熱停止后,首先拍攝試樣的紅外圖像和光學(xué)圖像,并在試樣表面標(biāo)記裂紋,進(jìn)而提取出裂紋的數(shù)量和長(zhǎng)度信息。最后利用便攜式顯微鏡可以測(cè)量裂紋的開(kāi)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 照射時(shí)間與最高溫度

微波致裂節(jié)理巖體試驗(yàn)的最高溫度以及加熱時(shí)間如圖3所示?？梢钥闯? 1)大部分照射點(diǎn)發(fā)生了熔融(只有3個(gè)照射點(diǎn)未發(fā)生熔化),試樣發(fā)生熔化時(shí),測(cè)量溫度均超過(guò)700 ℃; 2)加熱時(shí)間與最高溫度均呈正態(tài)分布,最短、最長(zhǎng)以及平均加熱時(shí)間分別為55、120、84 s,最低、最高以及平均溫度分別為623、893、790 ℃。

(a) 最高溫度與加熱時(shí)間的關(guān)系

(b) 加熱時(shí)間直方圖

(c) 最高溫度直方圖

2.2 照射試樣表面外觀(guān)變化

采用6 kW功率和縮頸介質(zhì)填充天線(xiàn)處理后,1.5 m×1.5 m節(jié)理巖體的破裂特征如圖4所示。可以看出,微波致裂產(chǎn)生的裂紋呈輻射狀分布。3號(hào)巖塊微波加熱時(shí)間及其致裂特征如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明: 1)每個(gè)微波照射點(diǎn)平均會(huì)產(chǎn)生5條照射面裂紋以及1.1條側(cè)面裂紋,它們的平均長(zhǎng)度分別為6.6 cm和6.7 cm。2)當(dāng)照射點(diǎn)間距為15 cm時(shí),相鄰輻射點(diǎn)產(chǎn)生的裂紋可能會(huì)搭接、重疊。微波致裂所產(chǎn)生的裂紋將試樣切割成更小的塊體,有助于機(jī)械破碎。同時(shí),后續(xù)照射點(diǎn)產(chǎn)生的裂紋會(huì)延伸并截止于前序照射點(diǎn)所產(chǎn)生的裂紋。3)當(dāng)照射點(diǎn)間距為20 cm時(shí),相鄰輻射點(diǎn)產(chǎn)生裂紋的搭接、重疊概率將會(huì)降低到30%。4)當(dāng)照射點(diǎn)間距為15 cm時(shí),微波致裂所產(chǎn)生的裂紋數(shù)目(5.3)略多于照射點(diǎn)間距為20 cm時(shí)所產(chǎn)生的裂紋數(shù)目(5.1)。因此,可以得出結(jié)論,隨著照射點(diǎn)數(shù)量的增多,微波照射所產(chǎn)生的裂紋也相應(yīng)地增加。

圖4 采用6 kW功率和縮頸介質(zhì)填充天線(xiàn)處理后1.5 m×1.5 m節(jié)理巖體的破裂特征

紅色數(shù)字表示加熱時(shí)長(zhǎng); 黑色數(shù)字分別表示照射面(不帶+)和側(cè)面(帶+)的裂紋長(zhǎng)度。

2.3 節(jié)理對(duì)于致裂效果的影響

裂紋參數(shù)和照射點(diǎn)與邊界之間距離的關(guān)系如圖6所示。隨著照射點(diǎn)間距或者照射點(diǎn)與節(jié)理間距的增加,初步可以得到以下結(jié)論:

1)照射面裂紋數(shù)量從4條逐漸增加至9條(見(jiàn)圖6(a)),相應(yīng)的總裂紋長(zhǎng)度略有增加(見(jiàn)圖6(b)),最長(zhǎng)裂紋可達(dá)19 cm(5號(hào)巖塊的第8個(gè)照射點(diǎn))。

2)側(cè)面裂紋數(shù)由3條減少為1條(見(jiàn)圖6(a)),照射面裂紋總長(zhǎng)度減小,最長(zhǎng)側(cè)面裂紋可達(dá)18.5 cm(6號(hào)巖塊的第1個(gè)照射點(diǎn))。

3)最大裂紋開(kāi)度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)(見(jiàn)圖6(c)),最大裂縫開(kāi)度為0.01～0.6 mm。

4)照射面裂紋平均長(zhǎng)度增加(見(jiàn)圖6(d))。

(a) 裂紋數(shù)目

(b) 裂紋最大長(zhǎng)度

(c) 最大裂紋開(kāi)度

(d) 照射面裂紋平均長(zhǎng)度

2.4 模擬節(jié)理巖體對(duì)微波致裂的影響

在自然形成的巖體中,當(dāng)裂紋遇到節(jié)理時(shí),其與節(jié)理夾角以及節(jié)理充填材料與巖石材料強(qiáng)度的差異會(huì)導(dǎo)致截止、穿透、偏轉(zhuǎn)和跟隨4種可能的情況[33-34]。Ma等[17]進(jìn)行的微波照射試驗(yàn)顯示,在54個(gè)樣本中,這4種情況分別出現(xiàn)了30、19、1、4個(gè)?？梢钥闯?截止和穿透分別占約60%和40%。由于人工節(jié)理中沒(méi)有充填材料,只能模擬截止的情況,這使得試驗(yàn)結(jié)論偏保守。

3 微波輔助懸臂掘進(jìn)機(jī)破巖

3.1 對(duì)破巖效率的影響

3.1.1 破巖效率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

懸臂掘進(jìn)機(jī)具有機(jī)動(dòng)、靈活的特點(diǎn),相較于微波輔助TBM破巖,微波輔助懸臂掘進(jìn)機(jī)破巖具有更高的可行性與可操作性。微波預(yù)處理與隨后的懸臂掘進(jìn)機(jī)巖石破碎可以分步驟進(jìn)行,從而實(shí)現(xiàn)微波輔助懸臂掘進(jìn)機(jī)破巖。實(shí)際工程中,懸臂掘進(jìn)機(jī)可破碎最高強(qiáng)度為120 MPa的巖石,當(dāng)巖體高度破碎時(shí),這一強(qiáng)度上限可達(dá)160 MPa[31]。微波預(yù)處理可以提高懸臂掘進(jìn)機(jī)破碎巖石的強(qiáng)度上限,也可以提高其破碎巖石的效率。對(duì)于特定懸臂掘進(jìn)機(jī),其破巖性能主要由巖石性質(zhì)和巖體質(zhì)量共同決定。Bilgin等[35-37]提出了懸臂掘進(jìn)機(jī)性能預(yù)測(cè)模型,巖石材料UCS與巖體RQD的函數(shù)關(guān)系如式(1)和式(2)所示。

ICR=0.28Pi(0.974)RMCI;

(1)

(2)

式(1)—(2)中: ICR為懸臂掘進(jìn)機(jī)的瞬時(shí)破巖效率,m3/h;Pi為懸臂掘進(jìn)機(jī)截割頭功率,HP; RMCI為巖體可截割性指數(shù)。

由上述經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫浇馗铑^功率為200 kW時(shí)不同UCS和RQD對(duì)應(yīng)的懸臂掘進(jìn)機(jī)的瞬時(shí)破巖效率ICR,如圖7所示?？梢钥闯? RQD較大時(shí),ICR較低; 隨著RQD的減小,ICR顯著上升。

圖7 不同UCS和RQD對(duì)應(yīng)的ICR(修改于Bilgin等[31])

3.1.2 等效RQD

本文中,通過(guò)采樣線(xiàn)上不連續(xù)面頻率確定RQD。Priest 等[38]提出RQD與不連續(xù)面頻率λ存在關(guān)系如式(3)所示。

(3)

式中λ為不連續(xù)面頻率,可以表示為節(jié)理數(shù)目/采樣線(xiàn)長(zhǎng)度,m-1。

以5號(hào)巖塊為例,在巖塊表面繪制間距為5 cm的網(wǎng)格(見(jiàn)圖8),通過(guò)計(jì)算網(wǎng)格線(xiàn)與裂紋的交點(diǎn)數(shù)目即可得到水平和豎直方向上的節(jié)理頻率,繼而可以得到每條線(xiàn)的等效RQD以及巖塊的平均RQD。微波處理后巖塊的等效RQD如表1所示。研究結(jié)果表明: 1)對(duì)于節(jié)理間距為0.5 m的人造巖體,微波預(yù)處理可使等效RQD從100降低到44～64,豎直方向的RQD下降幅度相對(duì)較大; 2)當(dāng)輻射點(diǎn)間距為15 cm時(shí)(巖塊1—3),微波照射后巖塊的等效RQD為50; 3)當(dāng)輻射點(diǎn)間距為20 cm時(shí)(巖塊7—9),微波照射后巖樣的等效RQD為62; 4)隨著照射點(diǎn)數(shù)量的增多(巖塊4—6), 巖體的等效RQD相應(yīng)降低。

圖8 使用測(cè)線(xiàn)采樣方法計(jì)算微波處理后5號(hào)巖塊的等效RQD

表1 微波處理后巖塊的等效RQD

3.1.3 破巖效率評(píng)估

根據(jù)微波致裂產(chǎn)生的微觀(guān)以及宏觀(guān)裂紋的分布,可以將試樣損傷區(qū)分為3個(gè)部分: 碎裂區(qū)、裂紋區(qū)和原巖區(qū)[22]。碎裂區(qū)位于天線(xiàn)開(kāi)口的正下方,主要是因高溫作用產(chǎn)生大量穿晶或沿晶裂紋; 裂紋區(qū)是由高溫區(qū)膨脹形成的,其特征是包含大量呈放射狀的宏觀(guān)裂紋。在機(jī)械破巖過(guò)程中,微波致裂的宏觀(guān)裂紋起著更重要的作用。因此,本文忽略巖石材料UCS在微波輻射后的變化?；谑?1)計(jì)算得到的ICR如表2所示。研究結(jié)果表明: 1)微波預(yù)處理可以顯著提高懸臂掘進(jìn)機(jī)的巖石破碎效率; 2)對(duì)于輻射間距為15 cm的試樣,巖石破碎效率提高了280%; 3)對(duì)于輻射間距為20 cm的試樣,巖石破碎效率提高了170%。需要注意的是,通過(guò)Bilgin模型計(jì)算得到的ICR可能在一定程度上高估了微波的輔助效果。原因在于: 1)微波致裂裂紋與自然裂紋不同; 2)微波致裂的平均側(cè)面裂紋長(zhǎng)度分別為8.5 cm(輻射點(diǎn)間距為15 cm)以及8.7 cm(輻射點(diǎn)間距為20 cm),對(duì)于未延伸到側(cè)面的裂紋,其深度約為3 cm。因此,實(shí)際的輔助破巖效率尚需通過(guò)后續(xù)試驗(yàn)進(jìn)一步評(píng)估。

表2 微波照射前后不同巖塊的ICR(200 kW 懸臂掘進(jìn)機(jī))

3.2 對(duì)刀具損耗的影響

3.2.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

微波處理可以降低巖石的磨蝕性指數(shù)并且減小刀具磨損。Bilgin等[31]提出了基于CAI評(píng)價(jià)刀具損耗的模型,即

TCR=K1·K2·CAI/4。

(4)

式中: TCR為開(kāi)挖單位體積巖石的刀具損耗,個(gè)/m3;K1為與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速相關(guān)的系數(shù),一般取值1～1.2;K2與水冷和噴水抑塵有關(guān),一般取值0.85～1。本文中K1與K2均取為1。

3.2.2 CAI測(cè)量及刀具磨損評(píng)估

以照射點(diǎn)間距為20 cm的7號(hào)巖塊為例,其微波致裂損傷區(qū)示意如圖9所示。其中損傷區(qū)直徑約為20 cm。分別在距離輻射點(diǎn)中心3 cm(試樣a)、5 cm(試樣b)以及10 cm(試樣c)處進(jìn)行取芯,取芯樣品為直徑25 mm的圓柱樣。依據(jù)ASTM-D7625-10標(biāo)準(zhǔn)和ISRM建議的方法對(duì)取芯樣品進(jìn)行CAI測(cè)試[39]。進(jìn)行磨蝕性指數(shù)測(cè)試的試驗(yàn)巖樣如圖10所示。距輻射中心不同距離試樣的CAI值如表3所示。其中,A區(qū)的CAI值為試樣a的測(cè)試值,B區(qū)的CAI值為試樣a與試樣b的平均值,C區(qū)的CAI值為試樣b與試樣c的平均值(見(jiàn)圖9)。通過(guò)計(jì)算可得到整個(gè)巖塊的平均CAI為3.6,即微波預(yù)處理可使刀具損耗降低11%。

圖9 7號(hào)巖塊微波致裂損傷區(qū)示意圖

(a) 3 cm(b) 5 cm

(c) 10 cm(d) 原巖

表3 7號(hào)巖樣距微波照射點(diǎn)不同距離試樣的CAI

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文利用6 kW工業(yè)微波系統(tǒng)以及縮徑介質(zhì)填充天線(xiàn)對(duì)尺寸為1.5 m×1.5 m×0.3 m的人造節(jié)理巖體進(jìn)行微波加熱試驗(yàn),研究了照射點(diǎn)間距以及照射點(diǎn)與節(jié)理間距對(duì)巖體破裂特征的影響,計(jì)算了微波處理后巖石的RQD,并用于評(píng)估微波照射前后刀盤(pán)功率為200 kW的懸臂掘進(jìn)機(jī)性能,最后利用照射前后巖樣的CAI評(píng)估了刀具磨損情況,主要結(jié)論如下。

1)微波作用下閃長(zhǎng)巖試樣的破壞模式為開(kāi)裂破壞和熔融破壞。相較于輻射點(diǎn)間距20 cm時(shí)裂紋的延伸情況,輻射點(diǎn)間距15 cm時(shí)不同微波照射致裂裂紋更容易搭接。隨著微波照射點(diǎn)與節(jié)理間距的增加,試樣照射面和側(cè)面的裂紋數(shù)量均減少,最大裂紋開(kāi)度減小,同時(shí),裂紋總長(zhǎng)度和最大裂紋長(zhǎng)度增加。

2)輻射點(diǎn)間距為15 cm時(shí),微波預(yù)處理可使巖塊的等效RQD從100降低到50; 輻射點(diǎn)間距為20 cm時(shí),微波預(yù)處理可使巖塊的等效RQD從100降低到62。

3)微波預(yù)處理可使截割頭功率為200 kW掘進(jìn)機(jī)的破巖效率顯著提高170%～280%。輻射點(diǎn)間距為20 cm時(shí),微波預(yù)處理可使刀具磨損降低11%。

4.2 建議

受研究條件限制,本文僅開(kāi)展了采用縮徑介質(zhì)填充天線(xiàn)進(jìn)行開(kāi)放式微波照射致裂人造節(jié)理巖體的試驗(yàn)研究,采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)破巖效率和刀具磨損進(jìn)行了評(píng)估; 但未對(duì)照射后的巖體進(jìn)行截割試驗(yàn),未來(lái)將進(jìn)行截割破巖試驗(yàn)驗(yàn)證該評(píng)估的準(zhǔn)確性。同時(shí),未來(lái)還將開(kāi)展不同天線(xiàn)輔助機(jī)械破碎不同可微波致裂性指數(shù)巖石和天然巖體的試驗(yàn)研究工作。