[发明专利]一种探索高效的微波、滚刀联合破岩的数值仿真方法

说明书

本发明涉及破岩技术领域，具体涉及一种探索高效的微波、滚刀联合破岩的数值仿真方法；采集岩石样本，确定岩石样本的矿物组成，建立岩样模型并选定微波的功率密度，根据微波的照射面积、照射时间以及照射面积与相邻滚刀之间岩体面积的比值进行正交设计试验；共n次试验；根据功率密度对岩样模型进行微波照射处理；得到微波照射处理后的岩样模型；确定滚刀模型在微波照射处理后的岩样模型中的放置位置；赋予滚刀模型贯入速度，基于放置位置对微波照射处理后的岩样模型进行滚刀贯入模拟，并记录贯入度与平均法向力；对n次试验的贯入度与平均法向力进行分析，确定破岩效率最高的数据组合。本发明能够获取高效的破岩数据组合，提高破岩的效率。

技术领域

本发明涉及破岩技术领域，具体涉及一种探索高效的微波、滚刀联合破岩的数值仿真方法。

背景技术

随着我国地下工程的不断发展，隧道的建设日益增多，TBM(Tunnel BoringMachine)作为隧道开挖的主要机械在隧道建设中起着重要的作用；当TBM在对硬岩进行掘进的时候，会加剧刀盘的磨损程度，增加刀盘的更换频率，从而降低破岩的效率，频繁的更换刀盘会增加经济成本、时间成本。

现有技术中利用微波照射岩石，预先降低岩石强度，可以减少刀具损耗，提高破岩效率，减少经济成本。微波是指频率在300MHz-300GHz范围内的电磁波，当介质在微波照射作用下，介质中的偶极子随着电磁场的高频交变产生每秒高达数亿次的摆动。由于必须克服分子原有的热运动和分子间相互作用的干扰和阻碍，分子间产生激烈的摩擦，从而使微波能转化为介质的热能。岩石是由不同矿物组成的，各类矿物对于微波的敏感程度不同，当岩石处于微波场中时，不同敏感性的矿物由于差异性热膨胀而在颗粒边界和内部产生热应力，当该应力超过岩石强度时，就会造成岩石损伤，甚至开裂破坏；所以利用微波照射能够预先降低岩石强度。

目前主要通过机理分析和室内试验对微波辅助破岩进行研究；机理分析主要是通过多物理场耦合软件COMSOL来研究微波照射对岩样的损伤机理，但该方法并不能将微波照射过程和滚刀破岩过程结合起来，不能研究微波照射对破岩过程的直接影响；而室内试验又需要进行微波照射岩样和滚刀切割岩样两个试验过程，耗费大量的时间成本与经济成本，而且目前大多数的试验研究仅进行微波照射岩样过程，并未在此基础上进行滚刀破岩过程。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种探索高效的微波、滚刀联合破岩的数值仿真方法，所采用的技术方案具体如下：

采集岩石样本，获取所述岩石样本的物理力学指标，根据所述物理力学指标建立岩样模型；

通过XRD试验确定所述岩石样本的矿物组成；选定对所述岩样模型进行微波照射处理时微波的功率密度；

根据微波的照射面积、照射时间以及所述照射面积与相邻滚刀之间岩体面积的比值，进行正交设计试验，共设计n次试验；试验包括对岩样模型进行微波照射处理的过程与滚刀模型对微波照射处理后的岩样模型进行滚刀贯入模拟过程；其中，试验的目标函数为平均法向力；

在对岩样模型进行微波照射处理的过程中，根据所述功率密度对岩样模型进行微波照射处理；得到微波照射处理后的岩样模型；

在滚刀模型对微波照射处理后的岩样模型进行滚刀贯入模拟过程中，根据每次试验对应的照射面积、照射时间以及照射面积与相邻滚刀之间岩体面积的比值，确定滚刀模型在微波照射处理后的岩样模型中的放置位置；

赋予滚刀模型贯入速度，基于所述放置位置对微波照射处理后的岩样模型进行滚刀贯入模拟，并记录滚刀模型之间的裂纹贯通时的贯入度与平均法向力；

对n次试验对应的贯入度与平均法向力进行分析，确定破岩效率最高的数据组合。

进一步地，所述物理力学指标包括密度、单轴抗压强度、巴西劈裂强度、泊松比、粘聚力以及内摩擦角。

进一步地，所述功率密度为：