高頻沖擊中心孔巖石損傷模型及試驗研究

吳萬榮，姚壵，劉智

(中南大學機電學院，湖南長沙，410083)

在大型硬巖礦山開采中，常采用沖擊鉆孔或牙輪碾壓切削鉆孔。然而這些鉆孔工藝方法在進行硬巖大直徑深孔作業時，存在效率較低、鉆齒磨損嚴重等問題。針對這些問題，婁磊等[1]提出了一種沖擊誘導切削復合破巖的鉆孔工藝。采用沖擊鉆頭高頻沖擊鉆鑿中心孔，圍巖會在沖擊擾動載荷的影響下產生裂紋損傷，削弱圍巖強度；采用牙輪鉆頭對損傷區域進行切削，從而提高鉆孔的效率，降低鉆孔能耗，減少鉆頭磨損。復合破巖最終鉆孔孔徑、鉆頭切削能耗與效率受到沖擊中心孔周圍巖石損傷區域及損傷程度的影響，損傷區域范圍及損傷程度又受到沖擊中心孔半徑的影響。為了確定復合破巖鉆孔工藝參數，需要研究沖擊中心孔半徑對圍巖損傷的影響；而提高破巖效率、降低破巖能耗也涉及到隧道開挖、河道水壩開挖、基礎工程等方面[2]。MEGLIS 等[3]應用超聲層析成像對隧道開挖的圍巖損傷進行現場測試，得到圍壓損傷程度和損傷分布規律。LU 等[4]在考慮軸向原巖應力影響的條件下，對圓形隧道開挖進行了彈塑性分析。朱晶晶等[5-6]通過改進的霍普金森壓桿(SHPB)裝置，對巖石在不同沖擊載荷下的力學及損傷特性進行了研究。林大能等[7]通過循環沖擊試驗分析了損傷與圍壓、沖擊載荷以及沖擊次數之間的關系[7]。陳樂求等[8]研究了初始損傷對巖石抗壓力學性質的影響。周輝等[9-10]基于巖石統一能量屈服準則和最小耗能原理建立了損傷本構模型。……