北京大学学报(自然科学版) 第62卷 第1期 2026年1月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 62, No. 1 (Jan. 2026)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2025.120
国家自然科学基金(52074308)、河北省教育厅科学研究项目(ZC2026264)和唐山学院博士创新项目(BC2025014ZD)资助
收稿日期: 2024–11–19;
修回日期: 2025–04–25
摘要 结合国内外发展现状, 分析开展岩石高效破碎理论与技术研究的必要性, 介绍非线性载荷在岩石破碎中的主要优势, 从非线性压缩加载(单轴压缩、巴西劈裂和点载荷)、冲击加载(应力波、机械冲击和高压电脉冲)和振动加载 3 个方面, 系统分析非线性载荷下岩石破碎方面的研究进展, 阐述不同加载方式下破岩的优 缺点。针对目前非线性载荷下岩石破碎研究中存在的问题, 提出岩石力学模型构建、宏–细–微观多尺度探索、加载方式复合、能量测试与计算以及智能技术应用等未来的重点研究方向。
关键词 岩石破碎; 非线性载荷; 力学模型; 宏–细–微观多尺度; 加载方式复合; 能量计算; 智能技术
破碎作业是通过施加各种形式的外部载荷, 使物料的外形尺寸减小, 以便满足后续生产工序所需粒度要求的过程[1–2], 是生产过程中的关键环节之一。近年来, 随着工业和经济的快速发展, 岩石在国民经济各行业的需求呈现日益增长的趋势。但是, 岩石破碎过程中能量消耗较大, 我国碎矿与磨矿作业的能耗约占全国总能耗的 5%以上, 而美国在矿产资源开发过程中, 碎矿与磨矿的能耗占比高达 53%[3–4]。此外, 破碎过程中能量利用效率较低, 在矿石破碎中仅为 3%～5%, 约 85%的能量以热能方式耗散[5]。近些年, 国家对能源消耗总量与强度实施“双控” 管理政策, 提出持续提高能源利用效率、不断提高绿色发展水平的目标[6]。因此, 开展岩石高效破碎理论与技术研究, 对成本降低和节能减排具有重要的实际意义。
作为一种天然介质, 岩石是工业生产过程中最常见的应用最广泛的基础材料, 也是重要的工业原料与矿产资源。岩石是多种矿物的集合体, 其内部矿物力学性质存在显著的差异, 因此大多数岩石在物理性质上呈现非均质性、非连续性、非线性、各向异性和黏弹性等诸多复杂特性[7]。岩石破碎作业是通过各种形式的外界能量输入, 使岩石破碎成各种需求粒度的过程。因此, 岩石破碎的本质是在外部能量驱动下, 其宏观状态失稳现象不断演化的过 程[8–9]。此外, 岩石破碎亦是能量释放和耗散综合作用的结果, 即能量释放导致岩石宏观上的破坏, 能量耗散则致使岩石发生塑性变形或损伤劣化。
在破碎作业中, 岩石的力学性质除与岩石种类、矿物成分和应力状态等天然赋存条件有关外, 外部加载方式对岩石的力学性质以及断裂行为也有显著的影响。在不同的加载方式下, 岩石的力学特性、破裂特征、裂纹特点和能量演化往往呈现显著的差异性。目前, 在实际工程中, 外部加载方式主要为非线性载荷, 因此, 深入探讨岩石在非线性载荷条件下的力学行为, 有助于深入地揭示其复杂的断裂机理及能量演化规律。
本文通过分析非线性载荷在岩石破碎中的主要优势以及研究进展, 阐述不同加载方式下破岩的优缺点, 并针对目前非线性载荷下岩石破碎研究中存在的问题, 提出未来非线性载荷的重点研究方向, 以期为岩石高效破碎过程中非线性载荷的合理采用提供借鉴。
在破碎作业中, 外部加载条件是影响岩石力学特性与破裂行为的重要因素。根据加载时间和变形方式的不同, 外部载荷可以分为线性载荷和非线性载荷两种类型(图 1)。非线性载荷指载荷与响应之间的关系不是线性的, 即随着载荷的增加, 结构的变形或受力以非线性的方式变化, 目前, 在工业实际应用过程中, 常采用非线性载荷对物料进行破碎, 主要方法包括压碎、劈碎、折断、磨碎、冲击和振动破碎等[10]。
非线性载荷在破碎过程中的主要优势如下。
1)破碎效果方面, 线性加载通常是按照固定比例增加力, 而非线性加载(如冲击加载)能产生瞬间高能量, 使岩石内部产生更多的裂纹, 裂纹扩展速度更快, 且这些裂纹更容易扩展和交叉, 从而更高效地破碎岩石, 提高破碎作业的效率。
图1 外部载荷分类
Fig. 1 External load classification
2)能量利用方面, 与常规加载方式相比, 非线性加载能够更精准地控制能量的输入和释放。通过采取合理的非线性加载方式, 能够以较低的能量输入, 实现更优的岩石破碎效果, 从而降低能耗。
3)岩石力学特性方面, 非线性加载有助于深入了解岩石在复杂应力状态下的力学响应。地下岩石在地质构造运动等过程中承受复杂多变的非线性力, 非线性载荷研究中能够更真实地模拟岩石实际的受力环境, 为岩石破碎研究提供更符合实际工况的理论依据。
因此, 在各种工业破碎作业中, 常见的外部载荷为非线性载荷(如冲击、振动、劈裂和挤压破碎等), 这些载荷通常导致材料和结构发生复杂的非线性动态响应(几何非线性、材料非线性和接触非线性等)。因此, 对非线性载荷进行准确的分析, 能更真实地反映材料在实际复杂工况下的受力情况, 对确保结构的安全性和可靠性具有重要意义。
非线性压缩是岩石破碎过程常见的加载方式。比如, 破碎作业中常见的颚式破碎机和辊式破碎机等设备具有破碎效率高、产品粒度均匀以及能耗较低等优点。由于岩石粒径的差异及形状的不规则, 在非线性压缩加载破岩过程中同时存在发生抗压和抗拉破坏现象。虽然岩石抗压特性是岩石的重要物理力学性质, 但由于岩石抗拉强度通常远小于抗压强度, 因此在实际工程中, 抗拉强度成为评价岩石工程稳定的关键参数。目前, 主要采用单轴压缩、巴西劈裂试验和点载荷试验方法。
近年来, 许多学者采用理论分析和物理试验方式, 对岩石的抗压和抗拉特性进行了大量的研究。岩石抗压特性方面, Cao 等[11]通过不同加载速率下岩样的单轴压缩试验, 研究不同加载速率下岩石的力学响应特征和声发射特性; 党亚倩等[12]对砂岩试样进行不同应变率下的单轴压缩试验, 研究加载速率对砂岩力学性质与能量演化特征的影响; 王晓东等[13]利用 TWA-3000 试验系统, 研究加载速率效应对花岗岩破裂的力学性能及能量转化机制的影响; 潘永泰等[14]采用 HDH-1 型岩石点荷载仪, 研究点载荷作用下煤岩颗粒断裂强度; 刘刚等[15]采用TYJ-500 微机控制电液伺服岩石剪切蠕变系统, 研究点载荷作用下岩石能量转化规律。岩石抗拉特性方面, 戴罡[16]通过巴西劈裂试验, 研究岩石在不同加载速率下的峰值压、压力降和峰后广义刚度系数等岩石的破坏特性; 邓华锋等[17]开展多种加载速率的劈裂试验, 研究加载速率对砂岩抗拉强度的影响效应及影响机制; 王成等[18]通过巴西劈裂试验, 研究石灰岩圆盘变形、强度、能量和破坏特征与加载速率的关系。
随着计算机技术的快速发展, 数值模拟方法为岩石破碎工程设计提供了崭新的方法与思路。作为理论分析与试验研究的辅助工具, 数值模拟方法能直观地得到岩石的各种行为特性, 从而提高设计的可靠性与安全性。岩石抗压特性方面, 吕森鹏等[19]采用 Abaqus 软件, 研究岩石破坏的全过程及声发射特征; Zhang 等[20]采用 PFC 颗粒流模拟, 研究不同加载速率下岩石裂隙倾角贯通方式与峰值强度; 程豪杰等[21]采用 FLAC3D, 研究压头角度对点载荷作用下煤岩体内的应力分布影响。岩石抗拉特性方面, 司凯[22]采用有限元软件 RFPA, 研究巴西劈裂中岩石的裂纹扩展过程和声发射特性; 刘天为[23]利用离散单元软件 LGC90, 通过巴西劈裂试验和细观力学数值模拟, 研究细观力学参数对岩石宏观力学变形特性的影响以及砂岩内部破裂机理; 赵环帅 等[24]采用 PFC 颗粒流模拟, 研究不同加载速率下青砂岩在巴西劈裂过程中的力学特性、破裂特征、裂纹扩展及能量耗散规律。
综上所述, 目前针对非线性压缩破岩研究集中于宏观(10–3m 以上)与细观(10–6～10–3m)方面, 对微观(10–9～10–6m)方面的研究相对较少。然而, 微观研究有助于揭示矿物晶体的物理和化学性质, 以及岩石在原子、分子层面的变形机制。近些年, 微观方面常采用分子模拟技术(LAMMPS), 揭示岩石在不同应力条件下内部原子、分子间键的断裂与重组, 分析岩石的弹性、塑性和脆性等力学特性, 具有成本低, 精度高的优势, 可用于探索物料破碎过程的微观断裂机理。例如, Zhang 等[25]以矿石中广泛存在的 SiO2为研究对象, 基于分子动力学进行拉伸载荷模拟, 分析试件断裂过程的裂纹扩展行为, 计算破碎能量效率; Cao 等[26]采用分子动力学模拟方法, 从力学性能、微观断裂过程和能量演化 3 个角度探究拉伸载荷下裂纹角度与微孔方向对非晶SiO2断裂性能的影响。
冲击加载破岩是一种常见的岩石破碎方式, 通过利用冲击能量, 实现对岩石的破碎。在破碎作业中广泛应用的冲击式破碎机、锤式破碎机和反击式破碎机等设备均采用此类加载方式。这种加载方式具有破碎效率高、破碎比大以及能耗低等优点。目前, 国内外学者正展开深入的研究, 主要包括应力波和机械冲击以及高压电脉冲加载。
2.2.1 应力波加载
应力波加载是一种通过应力波对材料或结构施加动态载荷的方法。目前, 应力波加载主要应用于岩石高速动态加载过程中, 研究岩石的破碎效果、能量转化及力学特性。例如, 李成杰等[27]采用 Ho-pkinson 压杆, 分析煤、岩单体及组合体试件的能量耗散和破碎特征; 解北京等[28]采用 Hopkinson 压杆, 研究红砂岩加载率和波长对动态拉伸及断裂特征的影响; Sunita 等[29]采用 Hopkinson 压杆, 研究加载特性和试样尺寸对岩石高速率行为规律的影响; 刘晓辉等[30]利用 Hopkinson 压杆, 对煤岩进行动态冲击压缩试验, 研究岩石破碎过程的能量释放特征。通过应力波加载, 可获得破碎过程中压杆入射应变能、反射应变能和透射应变能等。由于应力波的加载速率较大, 岩石破碎时间较短(微秒级), 因此采用高速摄影技术很难清晰地捕捉岩石破碎过程中飞溅的实时动态特征, 难以揭示破碎颗粒的动能演化规律与空间分布特性。
2.2.2 机械冲击加载
机械冲击加载是通过施加瞬间的机械冲击力来研究材料或结构性能的方法。目前, 机械冲击加载主要应用于岩石低速动态加载过程中, 研究岩石的破碎效果、能量转化及力学特性。例如, Gan 等[31]采用落锤冲击破碎试验机, 对不规则磁铁矿进行单颗粒破碎试验, 研究形状和尺寸对破碎能量的影响; Guo 等[32]通过矿物解离冲击试验, 研究加载速率和矿物种类对能量效率及能量演化规律的影响; 周强等[33]采用落锤试验机, 对无烟煤和矸石进行破碎试验, 研究不同冲击比下煤岩颗粒破碎的分形演化规律。然而, 机械加载设备空间的局限性使得加载速率较小, 难以满足实际工况的需求。
2.2.3 高压电脉冲加载
高压电脉冲破岩是近年发展的一种新型破岩技术, 主要利用高电压、短时间的电脉冲来实现特定目的。学者们一直在探索将高压电脉冲技术用于采矿和选矿行业的可能性。例如, Shi 等[34]研究单颗粒矿石的高压电脉冲破碎行为, 建立单颗粒矿石高压电脉冲破碎的数学模型; 彭建宇等[35]通过电击穿试验, 分析高压脉冲作用下红砂岩的破裂机制, 研究不同试件尺寸和放电电压下红砂岩的破裂模式及破裂程度; 李兵磊等[36]利用高压电脉冲破碎装置, 分别进行不同电压下的冲击试验, 研究高压电脉冲破碎对岩石孔隙度的影响。一些学者通过高压电脉冲破碎矿石试验证实, 高压大电流在水中放电以及沿着含矿裂隙放电所产生的等离子体不仅能形成强大的冲击波, 还能沿着矿物解离面扩展, 进一步破碎矿石, 能够改善有用矿物单体解离度, 还能提高金属回收率和精矿品位[37–39]。
振动加载破岩是一种常见的岩石破碎方式, 广泛应用于破碎作业中, 例如圆锥破碎机等设备。与其他破碎方式相比, 振动加载具有能耗低、破碎力大、破碎比高以及产品粒度细且均匀等多种优势。振动加载通过施加周期性的动态载荷, 使材料或结构产生振动响应, 从而达到破碎效果。在振动加载过程中, 高频振动能够显著地提高岩石的破碎效率。英国苏格兰阿伯丁大学动力学研究中心(CADR)开发了共振增强钻井(RED)技术[40–41], 并开展一系列的研究。例如, Pavlovskaia 等[41]对振动冲击钻井系统进行建模, 对新开发的模型和简化的低维模型进行数值分析和比较, 验证共振增强钻井技术的有效性; Wiercigroch 等[42]采用金刚石涂层工具超声冲击钻, 对砂岩、石灰岩、花岗岩和玄武岩等开展研究, 发现与传统的旋转式方法相比, 高频轴向振动能显著地提高钻进速度。
东北石油大学针对油气钻井过程中常遇到的坚硬岩层难钻探问题, 自主研发岩石振动激励模拟测试系统, 并在国内较早地开展高频钻井技术研究。例如, 李思琪等[43]采用振动力学理论, 建立高频振动冲击破岩的物理和数学模型, 分析主要参数对岩石振动的影响, 验证高频谐波振动冲击钻井技术的破岩效果; 李玮等[44]建立高频振动激励下有限深度范围内岩石稳态振动响应的幅频特性模型, 分析钻井底部岩石的响应特点。
近些年, 超声振动破岩成为目前研究的热点, 其利用超声振动能量来破碎岩石, 在提高岩石破碎效率上具有显著优势和发展前景[45]。超声波指振动频率≥20kHz, 振动幅度≤100μm 的机械波, 是一种机械振动状态和能量的传播形式。超声振动能将能量集中在岩石表面较小的区域, 形成局部的高能量密度, 使岩石更容易破碎, 从而提高破岩效率。此外, 超声振动破岩时, 通过高频振动使岩石内部的微裂纹扩展并贯通, 与传统的破岩方式相比, 能更精确地控制裂纹的扩展方向和范围, 同时减少对周围岩石的损伤。
吉林大学开发了超声振动试验系统, 以花岗岩为主要对象开展相关研究。例如, 尹崧宇[46]分析超声振动下花岗岩裂纹的开裂条件、扩展特性及静载荷对花岗岩损伤的影响规律, 研究裂纹的变化特性; 张书磊[47]从宏观与微观相结合的视角, 研究超声振动下岩石内部裂纹变化规律; 周宇[48]建立适用于超声振动这类高频、低幅加载条件下的岩石疲劳损伤模型, 研究振动幅值对岩石疲劳损伤的影响规律。中国矿业大学设计超声振动激励破岩试验平台, 以大理岩、红砂岩、灰岩及花岗岩为研究对象开展相关研究。李晓辉[49]研究超声波激励下岩石的振动特性及损伤特性; 王选琳[50]分析岩石在超声波激励下的裂隙扩展规律; 张磊[51]研究受载岩石的力学响应特征、损伤破裂演化过程及超声振动激励–岩石系统的动力学特性; Zhang 等[52]采用超声波激励岩石试验, 研究超声振动激励下脆性红砂岩的断裂特性及能量耗散。此外, 国内外的其他学者也对超声振动破岩进行相关研究。例如, Neeson 等[53]探讨岩石裂隙及单轴强度在超声波作用下的变化特征, 余成等[54]研究超声振动作用下矿石破碎后颗粒的分形特征, 刘莉莎等[55]探究岩石在不同频率的超声波振动下的破碎规律。
中国矿业大学(北京)针对岩石破碎过程中普遍存在的低频率、小振幅工况, 设计振动冲击耦合的动态测定试验系统, 探索振动冲击复合载荷下振动频率与振幅对岩石破碎裂纹生成与扩展的影响, 并揭示振动载荷(低振动频率、小振幅)对岩石破碎能量利用效率的协同效应[56]。
3.1.1 单轴压缩加载方式
单轴压缩是材料力学领域常用的试验方法, 通过测量材料的轴向应力和应变数据, 评估材料在单向压缩载荷下的力学性能(如抗压强度、泊松比和弹性模量等关键力学参数), 研究材料在受压情况下的承载能力和变形规律, 为材料的设计和工程应用提供依据。单轴压缩试验通常采用万能试验机。
但是, 对于复杂的实际工况, 单轴压缩存在一定的局限性。在实际工程中, 材料往往受到多方向应力的作用, 而单轴压缩通常只在一个方向上施加压力, 只能反映特定方向的力学特性, 无法全面地反映材料在多轴应力状态下的真实性能。因此, 对于实际工程中处于复杂应力状态下的材料, 单轴压缩结果可能与实际情况存在较大的偏差。
为更真实地模拟岩石三维受力环境, 通常需在测试时施加各类围压, 并采用三轴压缩试验方法。通过对材料轴向和侧向的变形测试, 得出弹性模量、泊松比和抗压强度以及内摩擦角和黏聚力等抗剪强度参数, 从而更准确地研究岩石在各种复杂应力状态下的变形或破坏特性。
3.1.2 巴西劈裂加载方式
巴西劈裂试验又称圆盘劈裂试验, 是一种广泛应用于测定岩石等脆性材料抗拉强度的间接试验方法, 试验设备通常为万能试验机或专用的巴西劈裂试验机。通过压力试验机对圆盘试件直径方向施加线性荷载, 测定材料的抗拉强度, 观察材料在受拉力状态下的变形与破裂特征。巴西劈裂试验模拟的拉应力状态与岩石在实际工程中受拉破坏的情况有一定的相似性, 能较好地反映材料在实际受力环境中的抗拉性能。
然而, 巴西劈裂试验存在一定的局限性: 1)试验基于一定的理论假设, 对于具有复杂内部结构和非均质、各向异性的材料, 其结果可能不够准确; 2)试验主要提供材料的宏观抗拉强度信息, 难以反映材料内部微观结构的抗拉特性; 3)尽管巴西劈裂试验通常规定了加载方式, 但实际操作中加载角度的微小偏差可能对结果产生影响, 导致试验结果较为离散。
3.1.3 点载荷加载方式
点载荷是一种作用在结构或材料上的外力加载方式。通过点荷载试验法获得岩石的点荷载强度指数, 依此估算岩石的抗压强度[57]。同时, 点载荷用于研究材料或结构在局部集中力作用下的应力和应变等力学行为。点荷载试验仪是用于测定岩石、砂浆等材料点荷载强度的仪器, 常见的有传统手动式、数显式、便携式及全自动点荷载试验仪等。
理想情况下, 点载荷是集中作用于一个“点”上的力, 但在实际工程中, 这个“点”是相对的, 因为力总是分布在一定的面积上, 只是这个面积相对很小。虽然点载荷具有试样制备简单、试验速度快、经济成本低以及可反映岩石各向异性等优势, 但存在以下局限。
1)结果离散性大。点荷载试验中, 由于试样的形状不规则以及加载点的位置难以精确控制等因素, 导致试验结果的离散性较大。这意味着需进行多次试验才能得到较为准确的结果, 增加试验的工作量和时间成本。
2)应力状态复杂。点荷载作用下, 试样内部的应力状态较为复杂, 与实际工程中岩石所受应力状态有所不同。因此, 点荷载试验得到的强度值与岩石在实际工程中的强度可能存在一定的偏差, 需要通过经验公式或修正系数进行转换。
3)局部破坏影响大。点荷载是集中在一个点上的荷载, 容易在试样的局部产生较大的应力集中, 导致试样的破坏模式可能与实际工程中的破坏模式不同, 可能导致材料整体强度与稳定性的评估结果与真实值存在一定的偏差。
4)难以测试大型试件。由于点荷载试验的加载能力有限, 对于大型的岩石试件或结构件, 可能无法进行有效的测试, 从而限制其在大型工程中的应用。
3.2.1 应力波加载方式
应力波加载技术在材料动态力学性能测试等领域应用广泛, 能产生 102～104s–1甚至更高的应变率, 可模拟材料在爆炸和冲击等极端动态载荷下的受力情况, 可以研究材料在高速变形下的力学性能。应力波加载方式最常见的试验设备是 Hopkinson 压杆(图 2)。
应力波加载基于一维应力波理论, 当试件达到动态力平衡后, 试件内的应力在一定程度上可视为均匀分布, 能有效地避免试件局部应力集中的问题, 使试验结果能够更准确地反映材料的整体力学性能。同时配备高精度的应变片和传感器等测量设备, 用于测量入射波、反射波和透射波的应变信号, 进而准确地计算材料在动态加载下的应力、应变和应变率等力学参数。但是, 应力波加载通常使材料承受瞬间的高应力和高应变率, 这对材料的强度和韧性提出很高的要求。一些普通材料可能在应力波加载下发生过度变形甚至破坏, 无法获得有效的测试数据。材料对应力波的响应特性也可能因材料的微观结构和成分等因素而有所不同, 也增加了材料性能评估的复杂性。
图2 Hopkinson 压杆系统[58]
Fig. 2 Hopkinson bar system[58]
3.2.2 机械冲击加载方式
机械冲击加载用于测试材料的抗冲击性能, 常用的设备为落锤冲击试验机(图 3)和摆锤冲击试验机。其工作原理是通过改变重锤的质量和下落高度来调节冲击能量, 以便适应不同材料和不同冲击强度要求的测试。此外, 还可以更换不同形状和尺寸的锤头, 模拟不同类型的冲击源, 使测试更具灵活性和针对性。试验结束后可直接观察试件的破坏形态(如是否断裂以及开裂程度等), 同时还能从设备上直接读取冲击能量和冲击次数等数据, 对材料的抗冲击性能进行评估和分析。
机械冲击加载方式存在如下缺陷。
1)难以精确地控制加载。由于冲击过程具有瞬间性和复杂性的特点, 在岩石破裂过程中很难精确地控制外部载荷的力度、方向和时间等参数, 从而容易导致试验结果的重复性和准确性受损。
2)可能引起局部损伤。机械冲击一般较强烈, 可能在材料或结构中引起各种局部损伤(裂纹和塑性变形), 影响后续的测试结果, 并且难以准确地评估这些损伤对材料或结构整体性能的影响。
3.2.3 高压电脉冲加载方式
高压电脉冲利用矿石矿物组分的介电常数和电导率等特性的差异, 通过微弱电场引发局部放电, 产生高温高压的等离子体通道, 实现选择性破碎。因此, 高压电脉冲破岩具有绿色环保、能量可控和操作灵活的优点, 能够在短时间内释放大量能量, 是一种应用前景广阔的新兴岩石破碎技术(图 4)。目前, 高压电脉冲破碎技术主要分为电液破碎和电破碎两种方式。但是, 高压电脉冲破岩技术也存在一些问题。例如, 由于对高电压、大电流与矿石相互作用的机理认识不足, 导致不稳定放电带来效果的波动, 同时还存在冲击波的影响。
图3 矿物解离冲击试验机[59]
Fig. 3 Mineral dissociation impact testing machine[59]
振动加载最常见的试验装置为超声振动激励破岩试验装置(图 5), 在进行岩石测试时, 由于加载能量集中于需要破岩的区域, 能量利用率相对较高, 相比其他高能耗的破岩设备, 可以显著地降低能源消耗, 具有节能环保的优势。此外, 超声振动破岩设备通常配置各种监控系统, 能够在线实时监测岩石破碎过程中的各种参数(振动频率和振幅)。
振动加载破岩技术存在如下问题: 1)超声振动能一般由电能转化而来, 在岩石破碎的过程中, 能量转换效率往往较低, 导致需消耗较多的电能才能实现理想的破岩效果, 增加了破碎成本; 2)对于硬度极高或特殊结构的岩石, 超声振动方式难以产生足够的破碎力, 破岩效果不够理想; 3)超声振动破岩设备通常需要高精度的超声发生器和换能器等部件, 制造和维护成本较高, 设备的复杂性也增加了操作和维修的难度; 4)破岩速度相对较慢, 在破岩效率要求较高的工程中适用性有限。
由于岩石结构的复杂性, 通常需要将岩石简化为各种力学模型, 来描述岩石的宏观、细观和微观力学参数, 还需要考虑岩石的各向异性、非均质性和不连续性等特性。目前, 岩石力学模型通常采用弹性模型、塑性模型、黏弹性模型及黏弹塑性模型等, 不同的岩石力学模型具有各自的优缺点及适用范围。因此, 应根据不同岩石的结构特点, 构建合理的力学模型, 以便更好地反映岩石在各种复杂工况下的力学行为。
岩石是一种复杂的非均质材料, 其力学行为在不同的尺度上表现出不同的特性和机制, 单一尺度的研究无法全面地揭示岩石的力学性能以及破坏机制。多尺度的研究有助于理解岩石的复杂力学行为及其多层次的相互作用。岩石力学的多尺度研究指在不同空间尺度上(从微观到宏观)对岩石的结构、组成和力学行为进行系统的分析。宏观尺度上可直接反映岩石或岩体的力学性质, 便于整体力学性能的评估。在细观尺度上分析岩石颗粒的相互作用和局部应力集中, 可为宏观岩石破裂模式提供解释。微观研究有助于揭示矿物晶体的物理和化学性质及岩石在原子和分子层面的变形机制。通过探讨微裂纹的形成和扩展机制, 揭示微观结构对岩石强度的影响。结合微观、细观和宏观研究, 可以揭示岩石的整体力学行为与其内部微结构之间的复杂关系。
岩石在非线性载荷下的破坏失稳过程本质上是其内部结构从微观到细观的损伤累积逐步演化至宏观破裂的过程。近年来, 微观方面常采用分子模拟技术揭示岩石在不同应力条件下内部原子和分子间键的断裂与重组, 分析岩石的弹性、塑性和脆性等力学特性, 成本低且精度高, 可用于探索物料破碎过程的微观断裂机理。
因此, 未来应更加关注岩石宏–细–微观多尺度的研究, 以更好地探索细观、微观裂纹扩展与宏观破裂之间的演化关系。
目前, 关于岩石的外部载荷的研究, 主要考虑单一载荷加载方式, 对复合载荷下岩石破裂特性以及不同加载方式之间的相互作用的研究较少, 也缺乏定量化的表征方法。在工程实际应用中, 由于破碎工况的复杂性, 岩石的破碎过程通常存在多种加载方式的相互作用。例如, 在选矿作业中, 惯性圆锥破碎机主要通过简谐振动力和可以调节的冲击力, 对各种岩石进行选择性破碎。当振动与冲击载荷相结合时, 能够产生协同效应。当振动载荷变化较小时, 能显著地提高岩石破碎的速度及效果。由于岩石强度通常较大, 当前针对振动载荷的研究集中在高频及超声振动领域, 针对低频率和小振幅振动载荷对岩石破碎效果影响的研究较少。因此, 未来需聚焦于多种加载方式的复合作用对岩石破裂特性的影响以及不同加载方式之间的相互作用机制, 不仅有助于优化破岩工艺, 还能为实际工程应用提供理论支持。
能量利用效率对节能降耗具有重要意义。断裂能是岩石破坏过程中用于各种裂纹生成最有效、最直接的能量。深入探究破碎过程中断裂能的生成及演化规律, 是提高破碎能量利用效率和优化破碎效果的核心科学问题。目前, 对于岩石断裂过程中涉及的断裂能, 尚未形成统一的测试标准与计算方法。有学者采用液压伺服试验机, 通过直接拉伸、紧凑拉伸、三点弯曲以及楔形劈裂试验等多种物理试验方法得到断裂能, 但断裂能是通过岩石断裂时的应力–应变曲线得到, 本质上属于岩石断裂时的外部输入能量, 其中包含岩石断裂时伴随的热能、声能、动能、辐射能、摩擦能及阻尼能等, 致使断裂能的计算结果与实际值的误差较大[61–64]。还有学者采用落锤试验机或数值模拟方法, 通过间接计算方法[51], 输入能减去各种耗散能得到断裂能, 同样忽略了岩石断裂过程中伴随的热能、声能、动能、摩擦能及阻尼能等能耗项(图 6)。由于岩石破裂时间一般较短(微秒级), 受限于现有硬件水平, 难以用常规试验设备来全面地测量破碎过程中产生的各类能量。有些学者在岩石新增表面能的计算过程中采用颗粒的分形理论[32], 假设岩石破碎后, 颗粒为球体或椭圆体。这种方法忽略了颗粒形状和表面粗糙度对实际表面积的影响, 导致与实际岩石断裂后的碎块表面积有显著的偏差, 给断裂能的计算结果带来误差。
图4 高压电脉冲放电破岩试验[60]
Fig. 4 High-voltage electrical pulse discharge rock breaking test[60]
图5 超声振动激励破岩试验装置[45]
Fig. 5 Rock breaking experimental device excited by ultrasonic vibration[45]
图6 破碎过程的能量流
Fig. 6 Energy flow during the crushing process
随着科学技术的不断发展, 各种先进的实验技术(数字图像相关技术和激光测量技术等)为非线性载荷的实验研究提供了更精确的数据。同时, 微机电系统(MEMS)等新型传感器的发展, 使得在微观尺度上测量非线性载荷成为可能。因此, 利用先进的实验技术对破碎过程中的能量测试与计算也将成为未来重要的研究方向。
随着智能技术的不断发展, 先进的传感技术、人工智能和大数据分析在岩石力学和工程中的应用越来越广泛。智能化的趋势将引领岩石力学和工程的进一步发展。
作为一种尖端技术, 数字孪生为岩石力学和工程研究提供了新的视角。通过数字孪生, 在虚拟环境中模拟岩石的物理性质、应力分布和变形行为, 可以更深入地了解现实世界的岩石力学现象。这为岩石工程设计和地质灾害预测等应用提供了强大的工具, 并将岩石力学研究推向数字化和智能化的新时代[54]。
在数字孪生中, 数值模拟技术起着至关重要的作用。然而, 数值模拟方法面临一个共同的瓶颈, 即合理参数的自动提取或计算。岩石参数通常依赖于经验判断或传统方法中的复杂实验, 但经验选择通常引入较大的不确定性, 而实验方法不仅需要依赖精密的设备, 还耗费大量时间成本。非参数分析或自动参数计算提供了一种不需要输入参数的岩石力学分析的新方法, 利用数学模型推导出合适的参数, 有望消除主观干预, 提高数值方法的鲁棒性和可靠性, 为精确的模拟提供更可行的解决方案。
非线性载荷研究对解决岩石破碎领域的各类实际工程及科学问题具有重要意义, 对非线性载荷的准确分析能真实地反映材料在实际复杂工况下的受力状态, 对确保结构的安全性和可靠性至关重要。本文介绍了非线性载荷在岩石破碎中的主要优势, 分析非线性载荷在岩石高效破碎中的破碎效果、能量耗散以及力学特性等方面的研究进展, 阐述不同加载技术破岩的优缺点, 提出岩石力学模型构建、宏–细–微观多尺度探索、加载方式复合研究、能量测试与计算及智能技术应用等重点研究方向, 以期为非线性载荷在岩石高效破碎作业中的合理应用提供一定的借鉴。
随着科学技术的不断发展, 数值计算方法在非线性载荷研究中的应用将更加广泛和深入, 未来将通过不断改进有限元和边界元等方法, 提高计算效率和精度, 解决更复杂的非线性载荷问题。先进的技术(数字图像相关技术和激光测量技术等)也将为非线性载荷的实验研究提供更精确的数据。同时, 随着微机电系统等新型传感器的发展, 使得在微观尺度下实现非线性载荷的精确测量成为可能。未来, 结合 MEMS 等新型传感技术的精准测量与数值计算方法的深化应用, 有望攻克现有技术瓶颈, 推动岩石断裂能相关研究迈向精准化和规范化。
参考文献
[1] 甘德清, 高锋, 刘志义, 等. BIF 型磁铁矿石冲击破碎特性的能量效应. 振动与冲击, 2019, 38(6): 75–82
[2] Hlabangana N, Nhira E, Masayile N, et al. A fundamen-tal investigation on the breakage of a bed of PGM ore particles: an attainable region approach, part 2. Powder Technology, 2019, 346: 326–331
[3] Nadolski S, Klein B, Kumar A, et al. An energy bench-marking model for mineral comminution. Minerals Engineering, 2014, 65: 178–186
[4] Kanda Y, Kotake N. Chapter 12 comminution energy and evaluation in fine grinding. Handbook of Powder Technology, 2007, 12: 529–550
[5] Zhang Z X, Ouchterlony F. Energy requirement for rock breakage in laboratory experiments and enginee-ring operations: a review. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2021, 55(2): 629–667
[6] Ding Q, Li P, Chen H, et al. Policies and standards for “Double Control” of total energy consumption and energy intensity // E3S Web of Conferences. Shanghai, 2019, 118: 01019
[7] 苏承东, 李怀珍, 张盛, 等. 应变速率对大理岩 力学特性影响的试验研究. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(5): 943–950
[8] 谢和平, 彭瑞东, 鞠杨, 等. 岩石破坏的能量分析初探. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(15): 2603–2608
[9] Hoek E, Bieniawski Z T. Brittle fracture propagation in rock under compression. International Journal of Frac-ture, 1965, 1(3): 137–155
[10] 罗秀建, 夏晓鸥. 惯性圆锥破碎机. 北京: 冶金工业出版社, 2015
[11] Cao N, Jing G C, Ding Y L, et al. Mining-induced static and dynamic loading rate effect on rock damage and acoustic emission characteristic under uniaxial com-pression. Safety Science, 2019, 116: 86–96
[12] 党亚倩, 王团结, 汪洪菊, 等. 加载速率对岩石 材料力学性质与能量演化特征的影响. 金属矿山, 2022(12): 45–51
[13] 王晓东, 王坤. 加载速率效应对花岗岩破裂的力学性能及能量转化机制的影响. 煤矿安全, 2020, 51 (4): 31–35
[14] 潘永泰, 李泽康, 周强, 等. 点载荷作用下煤岩颗粒断裂强度的试验研究. 煤炭工程, 2022, 54(8): 97–101
[15] 刘刚, 李英明, 肖福坤, 等. 点载荷作用下岩石能量转化规律. 湖南科技大学学报(自然科学版), 2019, 34(4): 1–7
[16] 戴罡. 加载速率影响下岩石试件破坏特性研究[D]. 阜新: 辽宁工程技术大学, 2015
[17] 邓华锋, 王晨玺杰, 李建林, 等. 加载速率对砂岩抗拉强度的影响机制. 岩土力学, 2018, 39(增刊 1): 79–88
[18] 王成, 王春, 苏承东, 等. 不同加载速率对石灰岩巴西劈裂特性的影响. 采矿与安全工程学报, 2021, 38(5): 1036–1044
[19] 吕森鹏, 陈卫忠, 贾善坡, 等. 脆性岩石破坏试验研究. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(增刊1): 2772–2777
[20] Zhang X P, Wong L N Y. Loading rate effects on cracking behavior of flaw-contained specimens under uniaxial compression. International Journal of Frac-ture, 2013, 180(1): 93–110
[21] 程豪杰, 邱守强, 谭桠杰, 等. 压头角度对点载荷作用下煤岩体内的应力分布影响研究. 矿业安全与环保, 2023, 50(3): 1–5
[22] 司凯. 岩石的巴西劈裂破坏及声发射特征试验研究[D]. 焦作: 河南理工大学, 2017
[23] 刘天为. 砂岩巴西劈裂试验离散元分析及破裂机理研究. 水电能源科学, 2020, 38(11): 133–136
[24] 赵环帅, 潘永泰, 乔鑫, 等. 不同加载速率下青砂岩抗拉特征及能量耗散规律研究. 北京大学学报(自然科学版), 2025, 61(5): 839–852
[25] Zhang C, Pan Y T, Bi Y K, et al. Fracture behavior and energy efficiency of silica under a tensile load using molecular dynamics. Engineering Fracture Mecha-nics, 2023, 292: 109627
[26] Cao X, Pan Y, Zhang C, et al. Molecular dynamics study on crack angle effect on amorphous silica frac-ture performance. Minerals, 2023, 13(8): 1068
[27] 李成杰, 徐颖, 叶洲元. 冲击荷载下类煤岩组合体能量耗散与破碎特性分析. 岩土工程学报, 2020, 42 (5): 981–988
[28] 解北京, 李晓旭, 栾铮, 等. 应力波作用下红砂岩复合动态断裂特征研究. 矿业科学学报, 2024, 9(1): 42–52
[29] Sunita M, Anuradha K, Tanusree C, et al. Effect of loading characteristics and specimen size in split Hop-kinson pressure bar test on high-rate behavior of phyl-lite. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2022, 22(4): no. 212
[30] 刘晓辉, 薛洋, 郑钰, 等. 冲击荷载下煤岩破碎过程能量释放研究. 岩石力学与工程学报, 2021, 40(增刊2): 3201–3211
[31] Gan D, Gao F, Zhang Y, et al. Effects of the shape and size of irregular particles on specific breakage energy under drop weight impact. Shock and Vibration, 2019, 2019: 2318571
[32] Guo Q, Pan Y T, Zhou Q, et al. Kinetic energy calcu-lation in granite particles comminution considering movement characteristics and spatial distribution. Mi-nerals, 2021, 11(2): 11–15
[33] 周强, 潘永泰, 郭庆, 等. 不同冲击比能下煤岩颗粒破碎的分形演化. 煤炭工程, 2020, 52(4): 143–148
[34] Shi F, Zuo W, Manlapig E. Pre-concentration of copper ores by high voltage pulses. Part 2: opportunities and challenges. Minerals Engineering, 2015, 79: 315–323
[35] 彭建宇, 王浩南, 吴硕, 等. 红砂岩受高压电脉冲击穿作用下的破裂行为试验研究. 金属矿山, 2022 (11): 71–76
[36] 李兵磊, 蓝计全, 林国鹏. 基于核磁共振技术的高压电脉冲破碎对岩石孔隙度的影响研究. 现代矿业, 2020, 36(2): 47–49
[37] 高鹏, 韩力仁, 袁帅, 等. 基于高压电脉冲的磁铁石英岩预处理. 东北大学学报(自然科学版), 2020, 41(4): 563–567
[38] 孙西濛, 马瑞, 吕嘉, 等. 高压脉冲等离子体碎岩的实验研究. 地下空间与工程学报, 2020, 16(6): 1657–1664
[39] Gao P, Yuan S, Han Y et al. Experimental study on the effect of pretreatment with high-voltage electrical pulses on mineral liberation and separation of magne-tite ore. Minerals, 2017, 7(9): no. 153
[40] Wiercigroch M, Vaziri V, Kapitaniak M. RED: revo-lutionary drilling technology for hard rock formations // SPE/IADC Drilling Conference and Exhibition. Ha-gue, 2017: 14–16
[41] Pavlovskaia E, Hendry D C, Wiercigroch M. Modelling of high frequency vibro-impact drilling. International Journal of Mechanical Sciences, 2015, 91: 110–119
[42] Wiercigroch M, Wojewoda J, Krivtsov A M. Dynamics of ultrasonic percussive drilling of hard rocks. Journal of Sound & Vibration, 2005, 280: 739–757
[43] 李思琪, 闫铁, 李玮, 等. 高频谐波振动冲击破岩机制及试验分析. 中国石油大学学报(自然科学版), 2015(4): 85–91
[44] 李玮, 闫铁, 张志超, 等. 高频振动钻具冲击下岩石响应机理及破岩试验分析. 石油钻探技术, 2013, 41(6): 25–28
[45] 王旭锋, 牛志军, 张磊, 等. 超声振动在矿山煤岩致裂中的研究进展与展望. 煤炭科学技术, 2024, 52(1): 232–243
[46] 尹崧宇. 超声波振动下花岗岩裂纹变化特性的研究[D]. 长春: 吉林大学, 2017
[47] 张书磊. 超声波振动作用下花岗岩内部裂纹变化规律的理论与试验研究[D]. 长春: 吉林大学, 2019
[48] 周宇. 超声波振动作用下花岗岩疲劳损伤特性的试验及细观模拟研究[D]. 长春: 吉林大学, 2020
[49] 李晓辉. 超声波激励下岩石的振动效应实验研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2019
[50] 王选琳. 超声波激励下岩石裂隙扩展规律实验研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2019
[51] 张磊. 超声振动激励下坚硬岩石高效破碎基础研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2021
[52] Zhang L, Wang X F, Wang J Y, et al. Research on fracture characteristics and energy dissipation of hard rock under the excitation of ultrasonic vibration. Geofluids, 2022: 8351316
[53] Neeson E, Lucas M. The effects of ultrasonics in fragmentation of saturated porous rock samples // IEEE International Ultrasonics Symposium. Dresden, 2012: 1982–1985
[54] 余成, 蔡改贫, 郝书灏, 等. 超声振动作用下矿石破碎后颗粒分形特征. 中国粉体技术, 2023, 29(1): 71–79
[55] 刘莉莎, 李坤, 张红红. 超声波振动频率对岩石破碎规律的影响. 长春工程学院学报(自然科学版), 2017, 18(4): 81–83
[56] 赵环帅, 潘永泰, 余超, 等. 振动载荷对青砂岩冲击裂纹扩展及能量利用效率的影响. 清华大学学报(自然科学版), 2024, 64(12): 2155–2165
[57] 和卢斌, 付志亮, 王强, 等. 岩石点荷载强度与单轴抗压强度线性关系试验. 煤田地质与勘探, 2014, 42(3): 68–73
[58] 李金洋. 冲击载荷下砂岩动态拉伸力学及能量耗散特征. 中国矿山工程, 2023, 52(5): 47–52
[59] 乔鑫, 潘永泰, 赵环帅, 等. 青砂岩破碎过程中 冲击高度与时间关系的数值模拟分析. 绿色矿冶, 2024, 40(4): 8–12
[60] 彭建宇, 李嘉强, 张凤鹏, 等. 高压脉冲作用下岩石的击穿特性与物理力学参数关系试验研究. 金属矿山, 2023(3): 100–105
[61] 杨松森, 徐菁, 赵铁军. 混凝土断裂能测试方法研究. 实验力学, 2009, 24(4): 327–333
[62] 李杨杨, 侯嘉琦, 张士川, 等. 不同倾角穿层裂隙组合岩石力学性能及破坏特征研究. 山东科技大学学报(自然科学版), 2025, 44(1): 18–27
[63] 赵环帅, 潘永泰, 王星宇, 等. 冲击速率对青砂岩抗拉特性及能量利用效率影响. 天津大学学报(自然科学与工程技术版), 2025, 58(6): 591–600
[64] 陈岩, 王嘉豪, 邓良涛, 等. 不同加载速率对煤岩组合体巴西劈裂特性的影响. 河南理工大学学报(自然科学版), 2025, 44(1): 29–36
Research Progress on the Efficient Crushing of Rock under Nonlinear Loads
Abstract Based on the current development status of efficient rock crushing at home and abroad, the necessity of conducting research on its theory and technology is analyzed. The main advantages of nonlinear loads in rock crushing are introduced. The research progress of rock crushing under nonlinear loads is systematically analyzed in terms of nonlinear compression loading (uniaxial compression, Brazilian splitting and point load), impact loading (stress wave, mechanical impact and high-voltage electrical pulse) and vibration loading. This paper describes the advantages and disadvantages of different loading methods for breaking. In response to the problems in current research on rock crushing under nonlinear loads, the key directions for future study are proposed, such as rock mechanics model construction, macro-fine-micro multi-scale exploration, composite loading methods, energy testing and calculation, and application of intelligent technology.
Key words rock crushing; nonlinear loads; mechanics model; macro-fine-micro multi-scale; composite loading methods; energy calculation; intelligent technology