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微波照射岩石效果影响因素及其影响规律数值试验研究

刘德林  
【摘要】:微波技术处理矿石可以运用到微波辅助机械破碎以降低设备刀具的磨损问题并提高效率,促进实现新型“微波+机械破岩”方法。微波辅助破岩过程中矿物形态、含量、物理力学参数、岩石种类以及照射距离是影响照射效果重要的因素,开展这些因素的影响规律以及影响机理研究,可以促进提高微波照射效果和促进实际应用。本文利用COMSOL采用多场耦合的数值模拟手段,研究了不同矿物形状、含量、物理力学参数、岩石种类以及照射距离等条件下的电磁场、温度场应力场、塑性区特征;以黄铁矿为对象,研究了介电常数、比热容、导热系数、热膨胀系数、粘聚力和内摩擦角等物理力学因素对微波破岩效果及其机理的影响,建立了玄武岩、石灰岩和花岗岩在微波照射下的数值模拟,分析了不同种类岩石对微波照射效果的影响规律,主要成果如下:(1)定量了矿物之间的形状差异并用无量纲单位圆度系数R表示,Re(0,1],1表示圆,研究了在相同的微波照射环境下圆度系数与照射效果之间的关系,研究结果表明:当微波环境为1kW,2s时,圆度系数从0.71~1,会导致矿物内部的热应力减小15%,塑性区占比系数变小20%,且该差距会随着照射时间增加而增加。(2)建立强吸波矿物(黄铁矿)含量与形状的耦合模型,结果表明含量与形状对照射效果呈相反的影响。当微波环境为lkW,2s时,黄铁矿的含量从4%增加到8%,矿物的最大应力会增加30%,,导致模型内部的塑性区占比系数增大40%,黄铁矿受压破坏,方解石受拉破坏,且该差距会随着照射时间增加而增加。(3)对矿物的6种热物理力学参数对矿物微波照射效果影响进行了研究与分析,研究结果发现:当矿物的介电常数增加,比热容减小,导热系数减小、热膨胀系数增加、粘聚力减小、内摩擦角减小会在矿物破坏机理中对应的过程中发挥作用,使微波照射的破碎效果变好,得出了矿物从能量吸收到破坏的完整路径与各影响因素在对应节点上的影响。(4)本文提出了一种TBM上微波照射的布置方案,在该方案上建立了简化二维模型,对玄武岩、花岗岩和石灰岩进行了微波照射,研究表明:在相同的微波照射环境下,温度上升速率最快的是花岗岩,拉压应力均最大的是玄武岩,照射效果最好的依次为玄武岩、花岗岩和石灰岩。产生以上现象的原因为玄武岩的介电常数最高,花岗岩的比热容最低,玄武岩的热膨胀系数最大。(5)本文在提出的TBM微波照射的布置方案上研究了微波的照射距离改变所导致照射效果的区别,微波发生端口贴近照射面上电场波峰数量与塑性区个数相对应,个数少时塑性区窄而深。个数多时塑性区宽而浅。研究模型内的最佳照射距离为16cm时产生的塑性区能布满整个照射面。


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