三维矿岩颗粒破裂宏细观力学行为结构效应研究

Study on the damage evolution law developed in rock material and its mechanism，which leads to the last-ply failure or damage to rock material, are problems in rock mechanics study. This project centres on structural effects of macro-meso-mechanics behavior from fracture of 3-dimensional ore and rock particles to launch the research, through lab, theoretical analysis and numerical experimentation, with methods combination, probe into fracture mechanism of 3-dimensional ore and rock particles. Rebuilding 3-dimensional structure for typical complex ore and rock particles medium in meso-level first, improve and exploit digital image processing technology of 3-dimensional irregular ore and rock particles failure analysis, model building for 3-dimensional meso-numerical model of realistic meso-structure based. Based on the numerical experimentation, discuss the fracture mechanism of 3-dimensional irregular ore and rock particles, under different outer structural shape, different internal structure, different homogeneity of mediums, different external load action. On account of numerical experimentation and physical experiment of ore and rock particles failure, analyse structural effects of 3-dimensional irregular ore and rock particles failure macro-mechanics behavior, discuss the fragmentation and energy consumption law of 3-dimensional ore and rock particles. This project is of great significance to discuss ore and rock fracture mechanism and explore the high efficiency energy saving rock fragmentation methods.

研究三维条件下岩石材料中缺陷的演化规律及其导致岩石材料最终失效或破坏的机理，是岩石力学研究中的难题。本项目围绕三维矿岩颗粒破裂过程中宏细观力学行为的结构效应展开研究，通过实验室试验、理论分析与数值试验相结合的方法，探讨三维矿岩颗粒的破碎机理。首先对典型矿岩颗粒介质进行三维结构重建，开发与完善三维不规则矿岩颗粒破裂分析数字图像处理技术，建立基于真实细观结构的三维数值模型；在数值试验的基础上，探讨三维不规则矿岩颗粒在不同外部形状、不同内部结构、不同介质均匀性、不同外载荷作用的破裂机制；基于数值试验和矿岩颗粒破碎物理实验，分析三维矿岩颗粒破裂宏细观力学行为的结构效应，探讨三维矿岩颗粒的破碎与能量消耗规律。本项目对探讨矿岩破碎机理、寻找高效节能的破岩方式具有重要意义。

研究三维条件下岩石材料中缺陷的演化规律及其导致岩石材料最终失效或破坏的机理，是岩石力学研究中的难题。为此，本项目通过实验室试验、理论分析与数值试验相结合的方法，对三维矿岩颗粒破裂过程中宏细观力学行为的结构效应展开研究。首先对矿岩颗粒进行了三维重构，完善了三维不规则矿岩颗粒破裂分析数字图像处理技术，建立了基于真实细观结构的三维数值模型；研究了矿岩颗粒在不同载荷、不同颗粒组合、不同破岩接触方式条件下破裂过程中裂纹扩展与其内部结构的相互作用规律，探讨了矿岩非均匀性对其宏细观力学行为的影响，编写了基于数字图像的盒维数算法对其声发射场的分形特性进行了分析，揭示了矿岩的细观损伤演化机制，并提出了一种基于Weibull分布的修正声发射损伤公式；同时研究了不同加载速率下，不同形状矿岩的力学响应特征，建立了基于数字图像处理的轴向系数，整体轮廓系数变化的三维不规则矿岩颗粒模型，分析了其力学响应特征及损伤演化规律；并修正了矿岩颗粒强度计算公式中的尺寸效应与形状效应；采用物理试验与数值模拟分别研究了相同高度不同高厚比及不同高度相同高厚比矿岩颗粒的力学参数、破坏形式和能量规律，探讨了不规则矿岩颗粒尺寸效应规律及影响因素，揭示了无约束径向载荷下不规则矿岩颗粒的尺寸效应。该项目在执行期间，发表学术论文48篇，其中SCI/EI收录25篇，出版专著2部；申请发明专利10项，其中授权发明专利5项；项目负责人获批贵州省矿山动力灾害预警与控制技术科技创新人才团队、贵州省第5批核心专家和第一届贵州省优秀科技个人奖，取得专业技术二级岗位（二级教授）聘任资格，获得贵州省科技进步二等奖1项（排名第一）、山东省科技进步二等奖1项（排名第二）及其他奖励4项；团队成员先后获得副教授、教授职称资格；培养博士生研究生3人、硕士研究生8人；承办了“第八届全国高等学校矿业石油安全学院院长论坛”等国内学术会议2次、参加了国内外学术会议14次。该项目研究结果进一步阐明了矿岩破碎机理，为寻找高效节能的破岩方式提供了科学支撑。