岩石破碎功、坚固性系数、强度关系的实验研究

第30卷第6期重庆建筑大学学报V01．30No．62008年12月JournalofChongqingJianzhuUniversityDec．2008岩石破碎功、坚固性系数、强度关系的实验研究郭臣业1，鲜学福1，吴轩洪1，姚伟静1，张昌勇2(L重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆400030；2．永荣矿业有限公司永川煤矿生产科重庆永川402194)摘要：为了探索岩石突出等地下工程灾害中的岩石破碎功能关系，以岩石破碎理论为基础，进行了不同岩石的破碎和坚固性捣碎实验、破碎粒度筛分分级实验、岩石单轴抗压强度实验。通过对不同岩石的坚固性系数与破碎比功和单轴抗压强度等实验结果进行了回归，分析了三者之间的关系。研究表明，岩石坚固性系数与岩石破碎比功、岩石单轴抗压强度之间线性相关，同时验证了岩石破碎功能关系符合裂纹学说。实验结果对计算岩石动力灾害中的岩石破碎所需能量提供了实验基础和理论依据。关键词：岩石破碎；破碎功；岩石破碎比功；裂纹说；坚固性系数中图分类号：TD231．1文献标志码：A文章编号：1006-7329(2008)06—0028-04TheRelationshipamongRockCrushingEner9theProtodyakonoVCoefficientandRockStrengthGUOChen—yel，XIANXue-ful，WUXuan—hon91，YAOWei-jin91，ZHANGChang—yon92(1．KeyLaboratoryforExploitationofSouthwesternResourcesandEnvironmentalDisasterControlEngineering，MinistryofEducation，ChongqingUniversity，Chongqing400030，P．R．China；2．ProductionDepartmentofYongchuanCoalMine，YongrongMiningIndustryCo．，Ltd．，Yongchuan，Chongqing402194，P．R．China)Abstract：Tostudytherelationshipbetweenthepowerandenergyofrockcrushinginundergroundengineeringdisasters，suchasrockoutbursts，experimentsweredoneonthecrushingandtheProtodyakonovcoefficientofdifferentrocks，theselectivegrindingprocessesclassifiedaccordingtoparticlesize，andtheuniaxialcompressivestrength．Thisworkwasbasedonrockcrushingtheory．TherelationshipamongProtodyakonoVcoefficient，specificcrushingenergyanduniaxialcompressivestrengthofdifferentrockswasstudiedusingregressionanalysis．TheresultsshowthattheProtodyakonovcoefficientofarockiSlinearlydependentonrock-specificcrushingenergyanduniaxialcompressivestrength．Sucharelationshipcorrespondstothecrackingtheoryandcanbeusedforfurtherresearch．Keywords：rockcrushing；crushingenergy；rock-specificcrushingenergy；crackingtheory；Protodyakonovcoefficient在有关岩石在冲击载荷条件下破碎程度与其功能转换关系研究方面，人们发现，岩石类材料在冲击载荷作用下的能耗、岩块数量、粒度、，值问有着数量关系¨]。上个世纪80年代以来，国内外一些学者L2_j从煤与瓦斯突出理论角度对煤的破碎功进行了研究，开辟了破碎功研究的先河。岩石破碎功的研究对于防治岩石突出等地下工程灾害的研究有重要的理论意义，但国内外对此研究较少【5-6]，本文拟对此做初步探索，寻找出岩石类材料破碎功、坚固性系数、岩石强度之间的关系。l破碎功学说描述岩石材料破碎粒度与破碎功的关系主要有三种学说，即P．R．Rittingerde新表面说、G．Kick的相似说和F．C．Bond的裂纹说[1]。1．1新表面说新表面说认为物体破碎前后，有所区别的只是增加了新的表面，而获得新表面所需之能和破碎功成正比。由于几何相似固体颗粒体积与其线性尺寸的立方*收稿日期；2008—06—12基金项目：国家自然科学研究摹金创新群体(506211403)；重庆市科技公关计划项目(CSTC．2006AA7002)作者简介：郭臣业(1980一)，男，蓐庆大学博士研究生，主要从事矿山岩石力学与工程等方面的研究。(E—mail)[e-mail]鲜学福(联系人)，男，中国工程院院士．博士生导师。(E—mail)[e-mail]第6期郭黢业，等：岩石破碎功、坚嘲性系数、强度关系的实验研究29成正毙，聪西积与线性足寸的平方成芷毙，所以单位体积所具有盼表面积与其几何尺专成反比。新表瑟学说认为破碎比功为W—KR·(1／d一1／D)，KR是取决于岩样性质和破碎方式的常数，D是岩样原始块度，d是岩样酸碎籍块度。1．2相似说认为同一种岩石破碎时不论其大小如何，其应力分布、破碎样式和破碎矮的块度是相似的。即岩样在外载荷作用下达劐晦界值时，破碎成小块的破碎沈是一定的。相似说认为破碎比功为W=KK·(19(1／d)一lg(1／D))，KN是取决于崧样性质和破碎方式的常数，D是岩徉源戆块度，d是者徉破碎痞块凌。1．3裂纹说裂纹说考虑了岩石中隐藏的锯种裂纹，认为岩石玻碎毙功成为W—K8·(1／妇一l／√D)，K嚣怒取决于岩样性质和破碎方茹：的常数，D是岩样原始块度，矗是岩样破碎后块度。上述三种学说都从某一个焦度髌释了破碎过程的蕖一阶段。西积学说袋注意了新生表面积所需要能量，而忽视了物料破碎前先出现变形和实际中物料是非均质的。体积学说妖考虑了破碎时的变形能，没有考虑到薪垒表露积静增加。裂缝学说介予面积学说与体积学说之间，提出破碎功耗与粒度的集合平均值增量成比例。裂纹学说是根据实际资料整理出的经验公式，具有一定的适用范豳。2岩石的单轴抗压强度、坚圈性系数、破碎功的实验研究2．1单轴挽运强度测试实验本实验以美国生产的MTS815电液伺服囊看试验系统作为动力设备，载荷采用安装在该材料机上的荷重计测定，试件变形采用MTS附带的引{串计和环向链条溅定，实验糟岩石蠹灰岩和棕灰色砂岩(其物穰力学参数见表1)。本实验时用湿式加工法将所采集的岩样加工成tP50mm×100mm的圆柱体试件，其加工精度满足国际岩嚣力学学会建实验规范[73翻要求，加工成壅使其自然干燥状态后作蜜验。实验测得盐井灰岩、白马隧道灰岩和犬坪砂岩的单轴抗压强度列入表1。表l表蠢榜耩耱瑾秀攀参数2。2坚固性系数．厂测试实验先将者样破碎成15～20mm碎块，称取制备好的试样50g为～份，每5份为一组，共称取3组。捣碎测试装置如图1所示。实验时将捣碎筒放置水泥地板上，放入试件一份，将2。4艇重锤提高到600mm离度，使其自由落下冲击试样，每份冲击三次，把5份捣碎后的试样装在同一容器中。然后把每组捣碎后的试样一起倒入孔径0．5rnl'n分样筛中筛分，端平分样筛轻筛，筛动麟度约200mm，筛至本褥瀑下岩粉为览。最后，撼精下的粉末用漏斗装入计餐筒内，轻轻敲打使之密实，再轻轻插入具有刻度的活塞尺与筒内粉米面接触，在计量筒秘相平处读数jL。冲击次数起取lo。重复上述步骤测岩粉高度毛。坚固性系数的诗算采焉：f一20n／L(1)式中产蟋固性系数；村一试样冲击次数；L一试样筛下岩粉计量菇度。岩样的鳌固性系数测定结果也罗ll入表l。2．3破碎功测试实验实验在图l所示的装置上进行。落锤质最m=2。4kg，冲击高度h一600mm。捣翻敖在坚硬酶承泥底板上，落锤施加予岩样上的功按群一mghn计算，单位质量岩样的破碎功A—mghn／G，破碎后产生单位新表面积所消耗的功，即破碎比功：W—mgh／6s(2)其中a为岩样的破碎功，J；A为单位质量岩样的破碎功，J／g；W为破碎比功，J／(g·m2)；竹为落锤冲击次数；G为实验岩样总质璧，g。测定岩样质量为50g。破碎前岩样块度秀15--20mm，秀了计算破碎詹岩样产生的新表面积和折算直径，将已破碎岩样用符合国家标准GB／T6003．1—1997的金属丝编织网筛分，选用孔径为10mm，4。75(4曩)mm，2。36(8目)mm，l(16弱)ram，0。5530目)mm，0．25(60爨)mm，0．096(160因)mm规格的筛子进行组分粒度分析。为了保证精密性，筛分组分重量用分析天平称重。由于0。096mm以下粒度的岩粉对表瑟援计算结聚影响较大，故采丽粒度分析仪进行粒度分析。其他块度粒径计算用倒数加权平均值法[1]，计算公式：计量篝图I坚固性系数测试装置万方数据30重庆建筑大学学报第30卷d。=G／∑：芋(3)一‘“f式中，以为折算直径，mm；G必岩样的质餐，50g；G为每一粒级的岩样质量，g；d，为每一粒级岩样的平均直径，mm。新增表面积计算公式[8]：S一60G／(r·d。)(4)式中，S为破碎后岩样新增表面积，cm2；r为岩样密度，g／cm3。岩檬粒发折算壹径。在0。096mm1：2下岩石破碎粒度组分对应的重量吾分比很夺，襁其表嚣积在岩撵破碎盾灏增表面积中占很大比例。因此我们利用美国Microtra公司生产的$3500激光救艘分析仪(见图2)测试上述组分粒径范围的折算直径。$3500激光粒度分析仪采用静态光散射技术和全程米氏理论处理，利用模块式设计理念，使用三激光光源技术，引进“非球形”颗粒概念对米氏理论校正计算，确保颗粒粒度分布测试的准确性。在测算折算直径时，不阕筛分组分的每份样品测试3次，取测试值的平均德撵势折算壹径。缨粒度器祥的折算直径觅表2。爨2Microtra$3500激竞粒凌分耩仪表20．1mm缨粒度岩样Microtra$3500分耩结巢岩样折算直径／“m3次6次9次12次15次18次盐井灰岩20．Ol20．0019．8619．2218．1317．19自玛隧道灰岩19。9719．5918．9018．S618．2317．88火埒砂岩35．9835．5635．0634．6334．2034。123实验结果分析3．1辫右破碎功与各个学说酌符会程度表3是岩样的破碎功与各学说符合程度的分析结果。其中，y是相关系数。表3表明，裂纹学说的y平均值为0．9900，新表面能学说的y平均值为0．9783，相似学说的y平均值为0．9722，即破碎功A与l／届基本在一条直线七，与1／d稍差，留z廖(I／d-d)最差。因此可以认为，裂纹学说最适合予攒述嚣石的破碎，破碎时所消耗酶功与岩样1／d戒正毙。裘3老石破碎臻与各学说懿褥灸獠震3．2装样破碎沈功、坚固性系数、革轴抗压强凌的关系破褡吃功是摇襞碎后产生单位毅凌瑟积所满耗酶功，它与玻碎比密切相关。按照公式(3)、4计算出折算赢径和新增表面积，计算结果见表4。根据表l可知，随着蛏固性系数，的减小，岩样的破碎比功也减小。因此，破碎比功是反应岩石抵抗外力破碎的重要指标。根据破碎比劝的意义，回归时强制逼近到零点(见图3)，则两者的线性关系为W一0．ZS5f()，=0．9795)。关于岩石单轴抗援强度与坚因性系数的关系，凌学者认为两者是线健美系，也有学者玖为两者是二次关系嘲，根据表l中酶单辘撬筮强度值纛坚匿性