双波导辐射对岩石裂纹扩展机理的影响

温森; 杜林; 王倩; 张敏; 邓珂

doi:10.15961/j.jsuese.202300677

工程科学与技术 ›› 2024, Vol. 56 ›› Issue (02) : 108 -117. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300677

双波导辐射对岩石裂纹扩展机理的影响

温森, 杜林, 王倩, 张敏, 邓珂

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摘要

通过微波辐射能够使岩石迅速升温并产生扩展裂纹，从而大幅降低岩石强度，有助于解决全断面隧道掘进机（TBM）在破碎高强度硬岩地层时面临滚刀磨损严重、破岩效率低下、工程成本剧增等问题。为此，本文采用离散元软件PFC2D建立玄武岩的三相矿物（斜长石、橄榄石、辉石）模型，并进行双波导辐射模拟，探究波导间距（60、70、80、90及100 mm）、辐射时间（0、0.04、0.06、0.08及0.10 s）和围岩压力（5、10、15及20 MPa）对岩石损伤裂纹扩展的影响规律。结果表明：采用微波功率密度1×10¹⁰ W/m³对玄武岩进行辐射加热时，为达到辅助破岩的效果，辐射时间不宜低于起裂时间（0.04 s）。微波辐射导致强吸波矿物（辉石）和弱吸波矿物（斜长石）间形成较大的温度梯度和热应力且最易产生损伤裂纹，所以裂纹产生的位置主要与岩石矿物的位置分布具有重要关系。在微波辐射岩石过程中，裂纹首先在辐射区域产生，继而在热膨胀和热应力作用下扩展延伸并在波导间的岩石区域形成裂纹贯通；随着波导间距的增加，波导间岩石裂纹贯通时所需要的微波辐射时间逐渐增加。围岩压力对裂纹的产生和扩展具有抑制和约束作用，其变化对岩样损伤裂纹的生成位置和扩展路径无明显影响，通过延长微波辐射的时间可以弥补因围压增加而减少的裂纹。