冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究

花岗岩是钨矿围岩中常见的一种岩石。目前许

多钨矿矿山为了延长矿山服务年限，急需加强矿山外围和深部勘探，这就需要进行大量的矿岩破碎工程。冲击载荷作用下破碎岩石是目前运用较为广泛的一种破岩方法，但其破岩机理还有待进一步研究。近年来，非线性科学中的分形理论、系统科学中的突变理论和数值模拟方法等现代科学理论开始渗入岩石破碎研究领域［１－５］，取得了一些成果。但是，分形理论在岩石破碎中主要被用于研究破碎块度，无法建立破碎结果与破碎的物理机制之间的相互关系；突变理论主要研究系统参数发生微小变化后结构的稳定与否，它在岩石破碎领域的应用目前主要局限于地震与岩爆等由缓慢变形到突然破裂的现象，尚没有用于研究凿岩等由于冲击载荷产生的破坏现象；数值模拟方法是用来沟通理论模型和实验研究的桥梁，但岩石的本构模型准确性、客观性以及岩石性质参数和边界条件还需要加以研究。因此冲击载荷破岩的数值模拟与试验研究相接合对丰富冲击破岩理论具有重要意义。

１冲击载荷破岩特点

１．１岩石断裂形态

如图１所示，压头侵入硬岩时一般产生径向、中

间和侧向裂纹，同时在压头下方还会形成一个密实核，在钠玻璃上进行侵入试验表明，形成的密实核近似于半球形，其主要特征是发生了剪切变形［６］。由此可看出侧向裂纹是从剪切变形区底部起裂的。侧向裂纹一般在卸载过程产生并扩展，中间裂纹产生于加载过程，并在卸载过程有部分弹性恢复；径向裂纹既可产生于加载过程，又可出现在卸载期间，但不论何时产生都在卸载过程继续发展。

１．２冲击破岩特点

岩石在冲击载荷作用下将引起应力波在岩石中的传播。对应力波的描述包括频谱（即频率分布）、能量分布、波速、波长等，同时岩石中裂纹或缺陷也有尺寸分布或谱图，这样便能根据载荷作用特点与具体岩石对象确定微观与细观以及宏观尺度的划分标准，并找出分析重点，从而采用相应的方法来对其动态破坏过程进行研究。典型的冲击载荷有机械冲击载荷与爆炸冲击载荷。

机械冲击是动能传播到一个系统，其发生传递的时间比该系统的自由振动周期要短。冲击载荷的这种短暂特征，意味着在材料中会产生很高的应变

文章编号：１００９－０６２２（２００７）０５－０００５－０５

冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究

谢世勇１，王艳霞２，赵伏军３

（１．赣州有色冶金研究所，江西赣州３４１０００；２．河北工业大学电气与自动化学院，天津３００１３０；

３．湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭４１１２０１）

摘要：运用数值模拟方法研究了冲击载荷作用下的岩石微观结构特性变化，通过对岩石内部应力分布及裂纹分

布图可以得出冲击载荷破岩时岩石内部在垂直方向产生一个拉应力区和一个压应力区，刀具下方的拉应力最大；中间裂纹扩展速度比径向和侧向裂纹都要快，裂纹面呈三角形状。在多功能试验装置上对花岗岩进行冲击载荷破岩试验，试验结果表明：单纯提高冲击载荷对破岩效果不会有很大的提高，存在一个最佳破岩冲击能（６３Ｊ）

。关键词：冲击载荷；岩石破碎；数值模拟；试验研究中图分类号：ＴＵ４５７

文献标识码：Ａ

收稿日期：２００７－０８－２１作者简介：谢世勇（１９８２－）

，男，江西南康人，硕士，从事矿山地压控制、矿岩破碎等方向研究。压头密实核

径向裂纹

侧向裂纹中间裂纹

图１侵入断裂形态

第２２卷第５期２００７年１０月

Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．５

Ｏｃｔ．２００７

ＣｈｉｎａＴｕｎｇｓｔｅｎＩｎｄｕｓｔｒｙ

第２２卷

速率，对材料的变形破碎行为和机制产生重大影响。

爆炸冲击载荷比机械冲击载荷的强度要高得多。爆

炸发生以后，气体产生的压力瞬间可达到一万多个

兆帕，温度达到几千度，在高温高压的作用下，临近

岩石受到强烈压缩，颗粒被压碎，甚至发生液化和汽

化。岩石因受爆炸产物的挤压而向外运动，形成一个

空腔，同时在岩石中产生一种强冲击波向外传播。随

着传播距离的增加，波阵面压力下降，不再引起岩石

结构的破坏，而只产生质点的振动，这就是爆炸引起

的地震效应［７］。

Ｍ．Ｐ．马弗柳托夫［８］采用直径１．９５ｍｍ的压头做了

自由落体冲击岩石的试验，他研究了动载荷冲击岩

石时的破碎问题，其结果如图２所示。曲线１是当冲

击功不大时，在岩石表面只能见到压头冲击的痕迹，

围绕压头边缘出现裂纹带；曲线２是当冲击功增加

到一定值时，载荷达到第一极大值，压头底下的岩石

发生与静载荷相似的破碎，称为第一次大体积破碎

（剪切体崩离，主压力体压碎）；曲线３是当冲击功大

于产生第一次大体积破碎的能量，使得压头侵入深

度增加；曲线４是当冲击功相当大时，载荷达到第二

极大值，岩石产生第二次大体积破碎。依次循环。由

上述分析可知，动载荷破岩同样具有跃进式的特点。

冲击破碎主要适用于脆性和弹脆性岩石，岩石的脆

性愈明显、愈坚硬，破碎时的载荷极大值就愈大。脆

性岩石在外载荷达到极大值后产生破裂或大体积破

碎，而弹塑性岩石在破坏后仍有部分强度，在一定的

外部作用下方可产生体积破碎。

２数值模拟

２．１岩石及ＰＤＣ刀具模型

岩石及ＰＤＣ刀具均采用三维实体建模，动静组

合破岩试验的花岗岩试件尺寸为１０００ｍｍ×５００ｍｍ

×５００ｍｍ，ＰＤＣ刀具的规格是"１３．４ｍｍ×１５ｍｍ。刀

具的模型采用实际尺寸建模，由于岩石受刀具影响

范围较小，所以取刀具与岩面接触正下方的１００ｍｍ

×５０ｍｍ×５０ｍｍ范围建模。花岗岩试件和ＰＤＣ刀具

的力学参数见表１和２，划分网格后的岩石及刀具

模型见图３。

表１花岩石试件的力学参数

表２刀具材料的物理力学性能

（ａ）模型整体三维视图网格（ｂ）刀具与岩面接触点放大网格

（ｃ）模型整体二维视图网格（ｄ）刀具与岩面接触点放大网格

图３岩石与ＰＤＣ刀具模型网格

２．２加载与求解

在试验中，刀具刀刃的锐边圆弧（即锋利的边

缘）与岩面接触，在模拟中为了简化运算，现假设刀

具与岩面接触为点面接触，且在加载过程中刀具只

有垂直方向的位移，无水平移动，即不存在切削现

象。由于只考虑施加单轴冲击载荷（４８、６３、７８Ｊ），所

以分析类型选择瞬态求解（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ），加载时间为

０．０００２ｓ（中等应变速率）。只需将岩石模型的底面施

加位移约束（即ｘ、ｙ、ｚ３个方向都约束），模型前后

左右４个面为自由面。冲击载荷直接施加在刀具与

岩面相接触的节点上，设定１００个子步，最小子步为

５０，最大子步为１００，为了便于收敛，打开自动调整

时间积分步长。

２．３结果分析

为了分析在单轴冲击载荷作用下试件的垂直应

力和裂纹分布随子载荷步变化的情况，选取具有代表

性的子载荷步计算结果来分析。图４为冲击能４８Ｊ作

用下各子载荷步在垂直方向上的应力等值线分布云

图，图５为各子载荷步产生的裂纹分布图，图６为不

同冲击能（４８、６３、７８Ｊ）时裂纹分布图。

体积密度

ｇ／ｍｍ３

抗压强度

ＭＰａ

抗拉强度

ＭＰａ

弹性模量

ＧＰａ

泊松比

２．６４０１６７．５１８．６６７０．２１

密度

ｇ／ｍｍ３

努普

硬度

ＧＰａ

抗弯

强度

ＧＰａ

抗压

强度

ＧＰａ

断裂

韧性

弹性

模量

ＧＰａ

泊

松

比

耐

磨

性

３．５２５０￣８００．６￣１．１７￣８７￣９５６０￣８０００．０８２５０２

４

６

００．５１．０１．５２．０２．５

１

２３

４

Ｐ

／

ｋ

Ｎ

ｈ／ｍｉｎ

图２岩石冲击力与浸深关系

６

第５期（１）在冲击载荷作用的初期，即在第１载荷步的时候，此时在垂直方向产生比较大范围的压应力，拉应力集中出现在刀具的下方，但还不足以使岩石产生裂纹，如图４所示。

（２）

在第２载荷步时，此时垂直方向在刀具与岩面接触点的下方出现一个较大的拉应力区，如图４所示，裂纹最先在刀具与岩面接触点下方开始产生，

但裂纹分布面较小，如图４和图５所示。

（３）

从第８载荷步开始，刀具下方的压应力进一步增大，同时拉应力也相应增大，岩石裂纹面进一步扩大，裂纹扩展迅速，形成较大面积的破碎，并且裂纹往深部比往两侧扩展要快，如图４和图５所示。

（４）

到第２７载荷步时，应力分布较为稳定，在垂直方向产生一个拉应力区和一个压应力区，刀具下方的拉应力最大，裂纹扩展形成一个较稳定的“三角形”裂纹面，如图５所示。

第１步第２步第１０步

第１２步第２１步第２７步

图４４８Ｊ冲击能垂直方向应力等值线云图

图５４８Ｊ冲击能作用下各子载荷步产生的裂纹分布

图６不同冲击能时裂纹分布

第２步第８步第１０步

第１２步第２１步第２７步

４８Ｊ６３Ｊ７８Ｊ

谢世勇，等：冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究７

第２２卷

（５）从图５和图６中可以看出，裂纹首先产生在

刀具与岩面接触点上，然后中间裂纹扩展最快，径向

裂纹比侧向裂纹扩展要快，岩石表面破碎较快；冲击

载荷作用下岩石内部裂纹形成的破碎角较小；随着

冲击载荷的增加，裂纹分布的深度增加较快，两侧的

扩展则较缓慢，裂纹分布的面积也随即增加，但裂纹

面积在６３Ｊ时增加较快。

３试验研究

３．１试验装置

该装置主要由轴向静压加载装置、落锤冲击加

载装置、刀具及夹具装置和测试系统等部分组成［９－１０］，

如图７所示。

图７多功能破岩试验台结构图

１－机架；２－轴向加压油缸；３－冲击杆传动装置；４－冲击杆；

５－升降横梁；６－刀具夹；７－冲击调速电机；８－皮带传动装置；

９－轨轮车；１０－岩样；１１－导轨

冲击加载机构或冲击杆传动装置主要组成部件

为机架、调速电机、皮带传动机构、齿轮传动机构、链

轮传动机构、托销、冲击杆（锤）、配重等。刀具安装机

构通过法兰盘及螺栓固定在升降横梁上，主要由刀

头、碟形弹簧、刀具杆、传感器（分别测量静载荷和冲

击应力波）等组成。在升降横梁板上可安装多把刀具

同时破碎岩石，也可变换刀具夹安装滚刀或其他刀

具破岩。选用湖南飞碟新材料有限公司生产的圆柱

形聚晶金刚石复合片（ＰＤＣ）压头，规格见表２。

３．２试验方法和步骤

本试验中冲击高度为３００ｍｍ，冲击能分别为

４８、６３、７８Ｊ。每次破碎岩石之后，清除岩粉，测量破

碎坑体积，每一试验重复３次，取其平均值。试验完

成后，采用ＤＨ３８４０应变放大器（动态应变仪）和

ＤＨ５９３２数据采集仪记录和分析试验数据。实验步

骤如下：

（１）将试验前制作好的花岗岩试件吊放在轨轮

车平台上，在台面与试样之间放置不同规格的钢架，

以随时调节试样高度。

（２）试验参数设置。花岗岩的冲击高度为３００ｍｍ，

加载波形为似正弦波，幅值设置超过试件的估计强度

值。因为存在动态实验，所以选择动载频率和数据采样

频率高的数据采集／处理系统。

（３）启动各加载设备，以不同能级的冲击能来实

现冲击破岩的试验，获得各个对应的侵入深度、破岩

体积等，以侵入深度、破岩体积和比能耗来评价破岩

效果。

（４）设置极限保护以保障设备安全。

３．３试验结果及分析

岩石的破碎效果以破碎体积和破碎比能（即破碎

单位体积岩石所消耗的能量）来度量，由表３的试验

结果可计算出破碎比能。破碎比能［１１］由公式（１）确定：

ＥＳ＝Ｗ／Ｖ（１）

式中：Ｅ

Ｓ

为破碎比能，Ｊ／ｍｍ３；Ｖ为破碎岩石体积，

ｍｍ３；Ｗ为冲击能量，Ｊ。

而

Ｗ＝Ｐｕ／２

式中：Ｐ为作用在刀具上的力，用ＷＯＢ表示，Ｎ；ｕ为

刀具切削深度，ｍ。

冲击载荷作用下岩石破碎深度与冲击载荷的关

系如图８所示，破碎体积与冲击载荷的关系如９所

示，破岩比能与冲击载荷的关系如图１０所示。

表３冲击载荷破岩试验结果

图１０破岩比能与冲击能的关系

１

２３４

５

６

７

８

９

１０

１１

冲击能量

Ｊ

深度

ｍｍ

体积

ｍｍ３

比能

Ｊ／ｍｍ３

备注

４８１．４６１０２０．４７

冲击破岩

６３１．５６１４９０．４２

７８１．９１７４０．４５

０

０．５

１

１．５

２

破

碎

深

度／

ｍ

ｍ

图８破碎深度与冲击能的关系

４８６３７８

冲击能／Ｊ

图９破碎体积与冲击能的关系

０４８６３７８

５０

１００

１５０

２００

破

碎

体

积／

ｍ

ｍ

冲击能／Ｊ

０４８６３７８

０．４

０．４２

０．４４

０．４６

０．４８

破

岩

比

能／

（

Ｊ

・

ｍ

ｍ

－

３

）

冲击能／Ｊ８

第５期ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈｏｎ

ＲｏｃｋＦｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎＵｎｄｅｒＩｍｐａｃｔＬｏａｄｉｎｇ

ＸＩＥＳｈｉ－ｙｏｎｇ１，ＷＡＮＧＹａｎ－ｘｉａ２，ＺＨＡＯＦｕ－ｊｕｎ３

（１．ＧａｎｚｈｏｕＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇａｎｚｈｏｕ３４１０００，Ｊｉａｎｇｘｉ，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，３００１３０，Ｃｈｉｎａ；

３．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，

ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ４１１２０１，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｈｅｒｏｃｋａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙａｐｐｌｙｉｎｇｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔａｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓａｒｅａａｎｄａｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｓｓａｒｅａｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｍｉｄｄｌｅｃｒａｃｋｓｐｒｅａｄｓｆａｓｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｒａｄｉａｌａｎｄｌａｔｅｒａｌｃｒａｃｋ．Ｔｈｅｃｒａｃｋｆｏｒｍｉｓａｔｒｉａｎｇｌｅｓｈａｐｅｔｈｒｏｕｇｈｉｎｔｅｒｎａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｃｒａｃｋｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａｐ．Ｔｈｅｇｒａｎｉｔｅｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｕｎｄｅｒｉｍｐａｃｔｌｏａｄｉｎｇｓｈｏｗｔｈａｔｒｏｃｋｆｒａｃｔｕｒｅｅｆｆｅｃｔｃａｎｎｏｔｂｅｄｒａｓｔｉｃａｌｌｙｅｎｈａｎｃｅｄｂｙｍｅｒｅｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｉｍｐａｃｔｌｏａｄｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔｓｏｐｔｉｍａｌｉｍｐａｃｔｅｎｅｒｇｙ（６３Ｊ）ｆｏｒｒｏｃｋｆｒａｃｔｕｒｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｍｐａｃｔｌｏａｄｉｎｇ；ｒｏｃｋｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈ

从图８、图９可以看出：冲击能越大，破碎深度越大，而且增加也越快，破碎体积也增加，但破碎体积

在６３Ｊ时增加较快；

从图１０可以看出，破岩比能不是随冲击能的增加而减小，在６３Ｊ时破岩效果最好。这些特点与图２冲击能与侵深关系相一致，当冲击能不大时，在岩石表面只能见到压头冲击的痕迹，表现为围绕压头边缘的裂纹带；继续增加冲击能时，在压头边缘之外就出现环形崩离体，随着冲击能的增加，崩离体的体积稍有增加，破碎体积的增加是由于压头渐渐侵入深部的结果；再继续增加冲击能量，不会引起破碎形态明显的质的变化，只有当冲击能量高达相当大的数值时，才会出现较大体积的破碎，这与数值模拟结果也是相符的。

４结论

（１）

冲击载荷破岩具有跃进式的特点。冲击破碎主要适用于脆性岩石和弹脆性岩石，岩石的脆性愈明显、愈坚硬，岩石破碎时的载荷极大值就愈大。（２）冲击破岩时岩石内部在垂直方向产生一个拉应力区和一个压应力区，刀具下方的拉应力最大，裂纹扩展形成一个较稳定的“三角形”裂纹面。裂纹首先产生在刀具与岩面接触点上，然后中间裂纹扩展最快，径向裂纹比侧向裂纹扩展要快；冲击载荷作用下岩石内部裂纹形成的破碎角较小；随着冲击载荷的增加，裂纹分布的深度增加较快，两侧的扩展则较缓慢，裂纹分布的面积也随即增加，但裂纹面积在

６３Ｊ时增加较快。

（３）随着冲击能的增大，岩石破碎深度及破碎体积均增大，而破岩比能不是随冲击能的增加而减小，

而是存在一个最佳破岩冲击能（６３Ｊ）。试验结果与理论分析冲击破岩特点相一致，也与数值模拟的结果相符。

参考文献：

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［１１］徐小荷，余静．岩石破碎学［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，１９８４．

（编辑：刘忠洪）

谢世勇，等：冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究９