岩石磨蚀性的细观组构影响及力学机制研究

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岩石磨蚀性是指岩石对机械的磨损能力,是广泛使用在资源开采和隧道机械掘进的特殊的岩石工程地质力学性质表征,“岩石—机械”相互作用过程与机理是岩石磨蚀特性的基础科学问题。  在TBM掘进过程中刀具磨损是一项影响工期和成本的重要问题,刀具磨损太快将增加更换刀具的次数和时间,也大大增加掘进成本。岩石的磨蚀性是评价TBM刀具磨损的关键参数。CERCHAR磨蚀指数(CAI)是表征的石磨蚀性最基础也是应用最广泛的参数。CERCHAR磨蚀试验可用于预测在各种矿山、隧道工程应用中刀具的寿命和磨损,该试验方法有效易行,并且可以用于现场试验。  传统的第一代CERCHAR研究所提出的岩石磨蚀性试验方法,和第二代美国人West提出的方法,仅能表征岩石对机械的最终磨损程度,无法获得岩石对机械磨蚀的试验过程;在岩-机相互作用机理研究方面仅为理论分析和数值模拟,还没有试验方法和数据的支持,不利于科学深入理解岩石磨蚀特性的本质和规律。因此,岩石磨蚀性影响因素和“岩—机”相互作用机制是深入研究岩石磨蚀性的关键科学问题。  通过在已有的磨蚀仪上开发新的试验方法,获得岩石磨蚀过程中的钢针贯入形态的全过程曲线,研究“岩—机”相互作用过程特征;通过XRD、SEM-EDX试验和结构定量分析,研究岩-机磨蚀的组分影响和细观结构机制;通过岩石全应力—应变试验,研究岩石磨蚀性、划痕特性与力学参数的关系,揭示岩石磨蚀性的“岩—机”相互作用机理。研究主要结论如下:  (1) CERCHAR磨蚀试验划痕特征:通过分析岩石划痕三维图和钢针针尖显微图像,发现不同岩性的岩石对钢针的磨蚀机理不同,坚硬的岩石形成擦痕,钢针磨蚀后针尖呈平底形,主要是点磨损;相对较软的岩石形成犁沟,钢针磨蚀后针尖呈曲线凸弧形,除点磨损还有侧向的粉末对钢针的磨损。  (2)建立岩石磨蚀性与岩石组分和结构指标关系模型:CAI=1.533F-2.421SF,(R=0.939),岩石的磨蚀性主要是受到硬岩矿物的含量和硬度、颗粒大小、胶结程度和颗粒的形状的影响。  (3)建立岩石磨蚀性、划痕特性与岩石力学参数关系模型:钢针对岩石的破坏,从划痕的剖面上看,是钢针挤压岩石产生的显性裂纹扩展,是拉破坏;从钢针在划痕上移动方向看,是钢针对岩石的跳跃式剪切破坏作用,是剪破坏。
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