关于岩石的动静态侵入断裂.pdf_大学文库

关键，对于寻求最佳破岩方式，提高破岩效率、降低能耗和指导凿岩机具设计有重要意义。长期以来，国内外有关学者进行了大量实验及理论研究，已经揭示了岩石侵入过程的一些重要规律与特点。如：(1)压头动静态侵入时岩石内产生一个密实体或承压核，岩石的破碎表现为跃进式1；(2)压头动静态侵入时岩石内通常产生一些基本裂纹。如球和楔压头动态侵入岩石时发现岩石内产生了中间和侧向裂纹2)，球形和圆锥压头侵人表面光滑的大理岩时普遍产生径向裂纹〔3)。但是，迄今在岩石侵入试验中还很少发现几种基本裂纹在同一实验中出现。尤其是压头（主要为常用的轴对称压头）侵入时岩石内裂纹形成与扩展的过程，裂纹长度与侵人载荷的关系等一些对了解侵入断裂和破碎机理至关重要的问题还不很清楚。其主要原因是岩石不透明，在目前技术条件下对侵入过程岩石内部断裂过程的观察比较困难。另外、压头侵人岩石的断裂过程实际上是一个三维弹塑性断裂问题，在理论研究上只能用数值计算解决。由于真正的岩石侵入断裂过程从实验上还不完全请楚，而且数值计算首先要建立岩石的破坏判据，测定其力学参数，处理边界条件，对于岩石这种性质特殊的材料，如此处理结果的可靠性如何，这本身还是一个问题。因此岩石侵入断裂与破碎机理研究的进展缓慢。岩石虽不透明，但它是典型的脆性材料。它在力学性质等方面与各种透明玻璃和陶瓷有诈多共性。因此，本文可借用透明脆性材料的研究方法、理论和实验结果来研究岩石的侵入断裂机理，并取得一些重要的结果。 1侵入断裂形态研究岩石侵入断裂，人们最关心的是压头侵人时岩石内产生的裂纹类型，它们的位置及其形成的时间和顺序，裂纹的形成与载荷性质、裂纹长度与载荷大小的关系等。下面先叙述侵入断裂过程及所产生的基本裂纹。除特殊说明外，玻璃陶瓷和岩石的静态侵人实验一般在维氏硬度计和材料试验机上进行。各种玻璃的侵入断裂过程一般采用光学显微镜观察，一些结果是借助于扫描电镜得到的。动态侵人实验是用压头冲击试件并借助高速摄影方法记录侵入过程。除岩石侵入实验外，凡在玻璃陶烧上：进行的动静态侵人实验用的棱锥压头一般指维氏棱锥压头（正四棱锥)。 1.1裂纹类型近10余年：米，国际上许多学者对玻璃陶的父入断裂进行了广泛深入的实验及理论研究。本文只列出极少址有代表性的文献。被广泛进行过侵人断裂实验的材料有：钠玻璃、普通玻璃、氯化钠、硒化锌、疏化锌、尖晶石、熔融硅、热压硫化锌、缄化硅、蓝宝石及多种陶瓷〔512)。大址的侵入实验表明，不论是尖状的棱锥和圆锥压头，还是球形压头，不管是动态还是静态侵人，当压头侵人上述脆性材料时，作被侵入体内普遍产生3种基本裂纹：径向裂纹(rc或图1中Pp)、中间裂纹(mc)和侧向裂纹(lc)。球形压头除产生3种基本裂纹外，一般还在被侵人体内产生Hetz裂纹。图1是侵入断裂形态的示意图及典型实验结果。综上所述，充分的实验结果表明，压头在动静态载荷作用下，弹塑性侵人岩石、玻璃和陶瓷等脆性材料时产生径向、中间和侧向裂纹等是普遍现象。这充分说明用玻璃陶瓷侵入断裂的研究方法和结果来探讨岩石的侵入断裂机制是可行的。 ·402·

关键，对于寻求最佳破岩方式，提高破岩效率、降低能耗和指导凿岩机具设计有重要意义。长期以来，国内外有关学者进行了大量实验及理论研究，已经揭示了岩石侵入过程的一些重要规律与特点。如压头动静态侵入时岩石内产生一个密实体或承压核，岩石的破碎表现为跃进式〔 ‘ 飞压头动静态侵入时岩石内通常产生一些基本裂纹。如球和楔压头动态侵入岩石时发现岩石内产生了中间和侧向裂纹〔 “ 〕，球形和圆锥压头侵人表面光滑的大理岩时普遍产生径向裂纹〔〕。但是，迄今在岩石侵人试验中还很少发现几种基本裂纹在同一实验巾出现。尤其是压头主要为常用的轴对称压头侵入时岩石内裂纹形成与扩展的过程，裂纹长度与侵人载荷的关系等一些对了解侵入断裂和破碎机理至关重要的问题还不很清楚。共主要原因是岩石不透明，在目前技术条件下对侵入过程岩石内部断裂过程的观察比较困难。另外，压头侵入岩石的断裂过程实际上是一个三维弹塑性断裂问题，在理论研究上只能用数值计算解决。由于真正的岩石侵入断裂过程从实验上还不完全清楚，而且数值计算首先要建立岩石的破坏判据，测定其力学参数，处理边界条件，对于岩石这种性质特殊的材料，如此处理结果的可靠性如何，这本身还是一个问题。因此岩石侵人断裂与破碎机理研究的进展缓慢。岩石虽不透明，但它是典型的脆性材料。它在力学性质等方面一与各种透明玻璃和陶瓷有许多共性。因此，本文可借用透明脆性材料的研究方法、理论和实验结果来研究岩石的侵入断裂机理，并取得一些重要的结果。书侵人断裂形态研究岩石侵入断裂，人们最关心的是压头侵入时岩石内产生的裂纹类型，它们的位置及其形成的时间和顺序，裂纹的形成与载荷性质、裂纹长度与载荷大小的关系等。下面先叙述侵入断裂过程及所产生的墓本裂纹。除特殊说明外，玻璃陶瓷和岩石的静态侵人实验一般在维氏硬度计和材料试验机上进行。各种玻璃的浸入断裂过程一般采用光学显微镜观察，一些结果是借助于扫描电镜得到的。动态侵人实验是用压头冲击试件并借助高速摄影方法记录侵入过程。除岩石侵入实验外凡在玻璃陶瓷卜进行的动静态佼人实验用的棱锥压头一般指维氏棱锥压头正四棱锥。裂纹类型近余年来，日际土许多学者对玻璃陶瓷的佼入断裂进行自一泛深人的实验及理论研究。本文只列出极少至有代表性的文献。被广泛进行过佼人断裂实验的材料有钠玻璃、普通玻璃、氮化钠、硒化锌、硫化锌、尖晶石、熔融硅、热压硫化锌、氮化硅、蓝宝石及多种陶瓷仁” 一 ‘ 〕。大量的浸人实验表明，不论是尖状的棱锥和圆锥压头，还是球形压头，不管是动态还是静态侵人，当压头浸人述脆性材料时，在被仗入体内普遍产生种墓本裂纹径向裂纹或图中即、「， ’ 裂纹和侧向裂纹。球形压头除产生种基本裂纹外，一般还在被侵入体内产生裂纹。图是侵人断裂形态的示意图及典型实验结果。综上所述，充分的实验结果表明，压头在动静态载荷作用下，弹塑性侵人岩石、玻璃和陶瓷等脆性材料时产生径向、中间和侧向裂纹等是普遍现象。这充分说明用玻璃陶瓷侵入断裂的研究方法和结果来探讨岩石的侵人断裂机制是可行的。产尹

Indenter 0/ Ifertz eraek (a) Indenter Plastic zone (b) 图1仅人断裂形卷 (a)球压头引起的Hertz裂纹（凸）周继或棱雏侵入断裂形态(c)钠骏璃中径向裂纹t:】 (d)钠玻璃中的塑性区(dz)、侧向裂纹(Ic)及中间裂纹(5】 Fig.1 Fracture pattern of indentation 1.2断裂过程大量实验表明，压头动静态侵入脆性固体的初期属于弹性接触。尖状的圆锥和棱锥压头的弹性接触期很短，进入弹性接触不久，随着载荷增加，压头下方的脆性材料中便产生塑性变形。球形压头则不同，其弹性接触期较长，随着接触时间增长（即载荷增加），被侵入体的弹性变形和应力也增加，当侵入载荷超过某定值时，便在被侵入的脆性固体中产生Hertz 裂纹。随着载荷的继续增加并当其超过某临界值时，压头下方的材料中同样产生塑性变形。不论上述哪种压头，当其与被侵入体的接触由弹性进入非弹性阶段时，随着侵入载荷不断增加，都会在被侵入脆体中产生3种标志着弹塑性侵入状态的基本裂纹。大量实验证明，上述各种压头动静态侵入脆性固体时3种基木裂纹的形成及扩展过程普遍表现为：中间裂纹在压头加载期形成，H©rtz裂纹在这一期逃一步扩展：径向裂纹有时在加载期形成有时在御载期产生；侧向裂纹在卸载期形成并扩展。除Hertz裂纹外，3种基本裂纹均在卸载期进一步扩展。 1.3损伤形态侵入过程中除产生断裂外，压头下方的材料中还形成一个塑性区或密实区，该区内往往有剪切流动发生。静态侵入实验表明塑性区的形状近似半球，如图1。Marshal1(1a)在实验中发现，虽然静侵入时塑性区为半球形，但动侵入时该区的深宽比为0.8而非0,5，即似半椭球状。而且接触区半径ā相同时，动侵人产生的塑性区比静态的小，但开裂范围却比静态大。Marshal11o?等人在静态和动态侵入钠玻璃及硫化锌时还观察到二次侧向开裂现象。 ·403·

、忿了飞，图侵人断裂形态。球压头引起的裂纹圆锥或棱锥侵人断裂形态钠玻璃中径向裂纹〔〕钠玻璃中的塑性区、侧向裂纹及中间裂纹仁勃三呈断裂过程大量实验表明，压头动静态侵人脆性固体的初期属于弹性接触。尖状的圆锥和棱锥压头的弹性接触期很短，进人弹性接触不久，随着载荷增加，压头下方的脆性材料中便产生塑性变形。球形压头则不同，其弹性接触期较长，随着接触时间增长即载荷增加，被侵人体的弹性变形和应力也增加，当侵入载荷超过某定值时，便在被侵人的脆性固体中产生裂纹。随着载荷的继续增加并当其超过某临界值时，压头下方的材料中同样产生塑性变形。不论上述哪种压头，当其与被侵入体的接触由弹性进入非弹性阶段时，随着侵入载荷不断增加，都会在被侵入脆体中产生种标志着弹塑性侵入状态的基本裂纹。大量实验证明，上述各种压头动静态侵入脆性固体时种基本裂纹的形成及扩展过程普遍表现为中间裂纹在压头加载期形成，裂纹在这一时期进一步扩展径向裂纹有时在加载期形成有时在卸载期产生侧向裂纹在卸载期形成并扩展。除。。比裂纹外，种基本裂纹均在卸载期进一步扩展。损伤形态侵人过程中除产生断裂外，压头下方的材料中还形成一个塑性区或密实区，该区内往往有剪切流动发生。静态侵入实验表明塑性区的形状近似半球，如图。〔 ’ “ ’ 在实验中发现，虽然静侵人时塑性区为半球形，但动侵入时该区的深宽比为而非。，即似半椭球状。而且接触区半径。相同时，动侵人产生的塑性区比静态的小，但开裂范围却比静态大。盯 ’ “ 等人在静态和动态侵入钠玻璃及硫化锌时还观察到二次侧向开裂现象

2侵入断裂的关系式长期的侵入断裂实验表明，基本裂纹最终形态的确定主要取决于残余应力场。对接触形状不随侵深变化的压头（如棱锥和圆锥），据大量实验研究，在裂纹发育良好的条件下侵入找荷P与径向裂纹长度C的关系为P∞C32[11)。仰实际使用的压头并非全都满足上述儿何形状要求，如球压头。Marshall8)在前人研究基础上提出了适合各种压头弹塑性侵入断裂的分析方法。其基于两个普遍的实验观察：(1)弹塑性侵入产生的裂纹最终形态是在压头离开材料表面后完成的，即残余应力场在裂纹最终形态的完成方面起重要作用；(2)压痕下不可逆变形区的形状近似半球r8,。在此基础上：，Marshall用半理论半经验的方法得到了与径向开裂有关的应力强度因子： K,=B(EH)1(2(dV)213/C32 (1) 其中B为无量纲常数，与材料性质和压头形状无关，用实验标定法确定。E、H分别为被侵入材料的弹模和硬度。通常认为压痕压力等于H,.H=P/(《oa)。a为接触半径，“o 是压头儿何常数，6严为压痕体积。(1)式较诈细推导见文献〔4)。据推导过，该式对于各种形状的压头都适用。 2.1侵入载荷与径向裂纹长度的关系平衡状态裂纹生长的条件由K,等于材料断裂韧性K的关系中得到： K。=B(EH)1((6V)213/C312 (2) 对于圆锥或棱锥压头，根据(2)式可得： PIC312=K。/x, (3) 其中x,=B(E1H)12(a1cot)23/ao。a1为压头另一儿何常数，中为压头特征角（即圆锥的半顶角或棱锥相对两棱间夹角的一半)。对棱锥有“。=2，a1=2/3。对于球压头同理可得： P43C3′2=K./x, (4) 其中x,=〔B1(4x23)E12/HsR。2I3,R。为球半径。(4)式表明对于球压头有P∞C8 而非Po∞C3/2。Marshall8)用棱锥和球压头侵入热压硫化锌的实验结果见图2。证明(3)、 (4)式成立。图中实线是理论曲线，其与实验结果吻合很好。 2.2径向裂纹长度与冲击速度的关系 (3)、(4)式是在静态侵入时得到的。Evans等通过研究指出，动态效应在压头冲击速度V,>100m/s时才变得明显起来。但固体的硬度依赖于加载速率。就是说在。不很大时静态侵人的理论结果也适用于动态侵人，但要考虑材料硬度H随加载率的变化。这样在(3) 中将P用Haao代替后得到： ·404·

侵入断裂的关系式长期的侵入断裂实验表明，基本裂纹最终形态的确定主要取决于残余应力场。对接触形状不随侵深变化的压头如棱锥和圆锥，据大量实验研究，在裂纹发育良好的条件下侵人载荷与径向裂纹一长度的关系为的 “ ‘ 〔 “ 。但实际使用的压头并非全都满足上述儿何形状要求，如球压头。人九，卜 ’ 在前人研究基础上提出了适合各种压头弹塑性侵人断裂的分析方法。其基于两个普遍的实验观察弹塑性侵入产生的裂纹最终形态是在压头离开材料表面后完成的，即残余应力场在裂纹最终形态的完成方面起重要作用压痕下不可逆变形区的形状近似半球〔 “ ， ” 。在此基础上入肠用半理论半经验的方法得到了与径向开裂有关的应力强度因子书，刀 “ “ “ “ 其中刀为无量纲常数，与材料性质和压头形状无关，用实验标定法确定。、分别为被侵入材料的弹模和硬度。通常认为压痕压力等于，「尸 “ 。。 ’ 。。为接触半径，。是压头几何常数，犷为压痕体积。式较详细推导见文献〔〕。据推导过程，该式对于各种形状的压头都适用。俊入旅荷与径向裂纹长度的关系平衡状态裂纹生长的条件由等于材料断裂韧性。的关系中得到。刀厅 “ “ 厂 “ ，“ “ ‘ “ 对干圆锥或棱锥压头，根据式可得 ” ，“ 二尤。其中二刀 “ 必，。。，为压头另一儿何常数，护为压头特征角即圆锥的半顶角或棱锥相对两棱间夹角的一半。对棱锥有“ 。，，。对于球压头同理可得 “ “ “ ‘ “ 二。其中二〔刀二 “ 〕 “ ” 。。 ’ “ ，。为球半径。式表明对于球压头有 ’ ‘ 吕而非尸，。〔 “ 〕用棱锥和球压头侵入热压硫化锌的实验结果见图。证明、劝式成立。图中实线是理论曲线，其与实验结果吻合很好。，口泌径向裂纹长度与冲击速度的关系、式是在静态侵入时得到的。等〔 ’ 〕通过研究指，动态效应在压头冲击速度犷。时才变得明显起来。但固体的硬度依赖于加载速率。就是说在厂。不很大时静态侵人的理论结果也适用于动态侵人但要考虑材料硬度随加载率的变化。这样在中将用。代替后得到

几匕比护月丁一一一一 … 产盆勺暮盛一才黔一 …了尸浅八曰﹃八曰二二。丈︹一曰︸一︸，、。、，。。卜，乙飞一叠之土了，入图冲，又速度与接触 ’ 几径的关系，、叹几石件几，，卜侧句裂纹长度与载荷关系，，亏〔一。 “ 〕了尸。丧示门槛位，山下式确定。古。，‘ 月一 ‘ 乒‘ “ 召〔全代表极限裂函数母有 “ 。功 ’ ‘ 日〔 “ “ 。 “ ‘ 〕 ‘ “ 尸 ‘ 只共中有。和青。是无量纲常数，，压头和材料系统无关，由实验标定法确定。月是无量纲几何常数， ’气、时一，， ‘ ‘ ，当，时。当全卜。、上有，，至 ’ ‘ ” ，这代表了远场近似解。、、等〔了〕对氟化镁 ‘ 只、钠玻璃等多种材料的侵入实验证明卜而的理论结果成立。图是只的实验结果一与理论结果的比较。共中实线是理论结果，短线为标准旅。通过用址小二乘法对所有试脸数据的处理就可得到两个标定常数。山，等刁种材料的实验标定得古。又 “ ，青二又一 “ ‘ 。弓讨论与结论声沙压头动睁态瞪入六石时沁遍产 ‘卜 ‘ 间、径向和侧向裂纹。中户】及侧向裂纹分别在加、卸载期形成，径向裂纹在加载期或在卸我期形成。不论它们何时形成，一般都在卸载期继续扩展。球压头侵入时除产生种墓本裂纹外，通常还在加载期的弹性接触阶段形成一裂纹。根据这种浸入断裂特征，冲矛’省乍奋的最卜方式应是，合理冲击载荷它，，，矛能、花使兴石冲击时产产毛足够的开裂区形成片裂及未产生裂纹都不合理，适当的轴压力和扭矩应保证钻头旋转时将开裂区岩石扭切下来。较大冲，卜功、才矩和轴压的液压凿姗机效率高、于作砖粒度大的原因之一就是比较合理地利用了佼入过程所形成的径、侧向裂纹。侵入载荷与径、侧向裂纹一长度，爪失冲，卜速度与径向裂纹一长度等关系的建一众，为定石 · · 滩 ·

算一定侵入载荷下岩石中的开裂范围，预算破碎坑体积等提供了理论方法，为钻头从经验设计向科学设计发展奠定了理论基础。根据公式(3)、(6)等，利用侵入断裂实验可测定岩石的断裂韧性和动态硬度。这些方法已在玻璃、陶瓷等脆性材料上被证明是可行的。从原理上讲也应在岩石上可行。甚至还可以探讨用侵入断裂方法测定岩石动态断裂韧性的途径。参考文献 1徐小荷，余静。岩石破碎学，北京：煤炭工业出版社，1984：59 2金国栋，施大德。金属矿山，1985；9：16 3张宗贤，冯铭瀚，寇绍全。凿岩机械与风动工具，1988,3 4张宗贤，寇绍全。力学进展（即将出版） 5 Evans A G,Wilshaw T R.Acta Met,1976;24:939 6 Hagan J T.J Mater Sci,1979;14:462 7 Marshall D B,Lawn B R,Evans A G.J Amer Ceram Soc,1982;65(11) 8 Marshall D B.J Amer Ceram Soc,1984;67(1):57 9 Chaudhri MM,Kurkjian C R.J Amer Ceram Soc,1986;69(5):404 10 Marshall D B,Evans A G.J Amer Ceram Soc,1983;66(8):580 11 Lawn B R,Evans A G.J Amer Ceram Soc,1980;63(9-10):574 12 Evans A G,Wilshaw T R.J Mater Sci,1977:12:97 KKJ型矿用空气净化机组 KKJ型矿用空气净化机组是利用荷正电的水雾捕集荷负电的粉尘，通过风机叶轮的旋转搅拌和伞状去雾装置，使粉尘与水雾从空气中分离出来的一种除尘设备。根据粉尘荷电机理的不同，制成KKJ-A和KKJ-B两种类型的净化机组。 KKJ-A型净化机组是利用电晕放电原理使粉尘强制荷电的，包括带集风器的KKJ-A 型净化器、BJK255-ZN0.35型防水风机和伞形除雾器。 KKJ-B型净化机组则是利用工业粉尘自然荷电的现象制成的，包括带集风器的KKJ-B 型净化器、BJK255-ZN0.35型防水风机和伞形除雾器。这种净化机组既利用了静电除尘机理，又利用了湿式机械除尘原理。前者对高分散度的粉尘具有很高的捕集效率(94%~96%)，后者又能捕集较粗的粉尘。两种机理相互补充，能使掘进作业（凿岩、装岩)工作面的空气含尘量稳定地保持在卫生标谁(2mg/m3)以下，是一种具有广阔发展前景的先进矿用除尘净化设备。 KKJ型矿旷用空气净化机组设计新颍，结构合理，综合技术指标达到了国内先进水平。 :407·

算一定侵入载荷下岩石中的开裂范围，预算破碎坑体积等提供了理论方法，为钻头从经验设计向科学设计发展奠定了理论基础。根据公式、等，利用侵入断裂实验可测定岩石的断裂韧性和动态硬度。这些方法已在玻璃、陶瓷等脆性材料土被证明是可行的。从原理卜讲也应在岩石上可行。甚至还可以探讨用侵人断裂方法测定岩石动态断裂韧性的途径。 ‘ 参考文献徐小荷，余静。岩石破碎学，北京煤炭工业出版社，金国栋，施大德金属矿山，张宗贤，冯铭瀚，寇绍全凿岩机械与风动工具，张宗贤，寇绍全力学进展即将出版，，。，，，，，人，，吐，，，。，多一、，。，型矿用空气净化机组型矿用空气净化机组是利用荷正电的水雾捕集荷负电的粉尘，通过风机叶轮的旋转搅拌和伞状去雾装置，使粉尘与水雾从空气中分离出来的一种除尘设备。根据粉尘荷电机理的不同，制成一和一两种类型的净化机组。一型净化机组是利用电晕放电原理使粉尘强制荷电的，包括带集风器的一型净化器、一 · 型防水风机和伞形除雾器。一型净化机组则是利用工业粉尘自然荷电的现象制成的，包括带集风器的一型净化器、一 · 型防水风机和伞形除雾器。这种净化机组既利用了静电除尘机理，又利用了湿式机械除尘原理。前者对高分散度的粉尘具有很高的捕集效率一，后者又能捕集较粗的粉尘。两种机理相互补充，能使掘进作业凿岩、装岩工作面的空气含尘量稳定地保持在卫生标准 “ 以下，是一种具有广阔发展前景的先进矿用除尘净化设备。型矿用空气净化机组设计新颖，结构合理，综合技术指标达到了国内先进水平。气