成孔液压涨裂破岩机理研究

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液压涨裂破岩法相对于目前工程中主要应用的钻爆法以及综掘法所面临的进尺水平低、机械化程度低、投入成本高、效率低、粉尘量大等问题有着不可比拟的优势。但目前对于涨裂破岩鲜有研究。本文主要采用理论分析、实验研究、和仿真相结合的方法针对成孔液压涨裂破岩开展研究。  基于实验室冲击破岩试验台,根据涨裂破岩工作过程及工作环境特点,针对本课题研究对象及内容搭建了试验台,主要包括钻孔系统、围压系统、涨裂系统、测试系统等。  以I型裂纹为模型采用Griffith准则,基于断裂力学、损伤力学基础对裂纹扩展问题进行理论分析,并对岩石在涨裂作用下的破碎机理进行研究。  基于液压涨裂试验台对液压涨裂破岩进行实验研究,针对四个研究对象:钻孔直径、钻孔深度、钻孔边距、岩石围压,进行正交实验设计,并通过正交试验极差分析,得到各研究因素对涨裂破岩的影响主次顺序,及各研究因素对涨裂破岩的影响趋势。针对主要因素:钻孔边距和围压,进行深入分析,得到最合理的钻孔边距,运用方差分析确定各因素的显著性。  基于建立的三维分裂楔片、岩石、围压工具模型,模拟岩石在加载围压后岩石内部等效应力分布形式及裂纹扩展变化过程,在岩石内部应力稳定平衡后岩石的应力值。探究了钻孔孔壁在涨裂力的作用下,钻孔圆周楔片与孔壁之间的接触区和非接触区的压应力及拉应力各自分布形式,分析裂纹扩展路径与应力分布变化过程之间的关系。并对仿真结果进行了实验验证分析。  从理论上分析空孔对岩石强度的影响,得出在纵坐标轴上环向主应力与空孔距离的变化关系,空孔的圆周应力集中的局部性,且其应力集中有效范围为5倍空孔直径。对空孔辅助角度为40度、45度、50度时进行模拟,分析了空孔辅助定向涨裂破岩的临界角度。最后对空孔辅助定向涨裂破岩进行实验验证。为确定最佳空孔辅助定向涨裂角度提供科学依据。
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