Caratteristiche di risposta dinamica e regola di danneggiamento della roccia minerale di grafite sottoposta a diverse velocità di deformazione

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2151 (2023) Citare questo articolo

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Nel processo di estrazione della miniera di grafite, l'ammasso roccioso è spesso soggetto a carichi dinamici come l'esplosione o la frantumazione meccanica, che comporta risposte dinamiche di diverse velocità di deformazione, e l'effetto di esplosione e frantumazione è influenzato dalle proprietà dinamiche della roccia e dai danni speciali. Le caratteristiche di risposta dinamica e la regola del danneggiamento della roccia minerale di grafite sottoposta a diverse velocità di deformazione sono molto importanti ma raramente studiate in passato. Per studiare questi problemi e fornire supporto per l'estrazione della roccia minerale di grafite, sono stati progettati ed eseguiti test di compressione dinamica della roccia minerale di grafite sotto cinque tipi di pressioni di impatto utilizzando il sistema di prova Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB), in combinazione con il sistema di prova ad alta pressione sistema di fotografia veloce e prove di screening di frantumazione. Sono state analizzate le caratteristiche dinamiche, il processo di frantumazione, la modalità di frantumazione, la forma di frantumazione e la distribuzione della frammentazione della roccia minerale di grafite sotto diverse velocità di deformazione. I risultati mostrano che le caratteristiche dinamiche della roccia minerale di grafite hanno un evidente effetto sulla velocità di deformazione. Il coefficiente di indurimento (DIF) è correlato positivamente con la radice cubica della velocità di deformazione e il fattore di ammorbidimento (K) è correlato negativamente con la radice cubica della velocità di deformazione. La rottura per taglio si verifica principalmente nella roccia minerale di grafite sotto carico d'urto e il processo di frantumazione può essere suddiviso in cinque fasi: compattazione, innesco della fessura, espansione e penetrazione della fessura, collisione per frammentazione e caduta per frammentazione. Inoltre, i blocchi frantumati sono principalmente piramidali triangolari (o conici) granulari fini e in polvere. I frammenti rotti della roccia minerale di grafite sono in accordo con le caratteristiche della geometria frattale. Cioè, la dimensione media delle particelle rotte (dS) diminuisce linearmente con l'aumento della velocità di deformazione e la dimensione frattale (Da) aumenta debolmente con l'aumento della velocità di deformazione. Sulla base del criterio di frattura DP e del modello di distribuzione di Weibull, è stato stabilito il modello costitutivo del danno dinamico della roccia minerale di grafite e la correlazione tra velocità di deformazione e parametri di distribuzione di Weibull (m e F0) è stata utilizzata per modificare ragionevolmente il modello costitutivo del danno. La curva del modello costitutivo del danno modificato è in buon accordo con la curva sperimentale, che può sostanzialmente riflettere l'effetto della velocità di deformazione delle caratteristiche dinamiche della roccia minerale di grafite e le caratteristiche di evoluzione della curva dinamica sforzo-deformazione in diversi stadi.

Negli ultimi anni, con l'ascesa dell'industria delle nuove energie e dei nuovi materiali, la grafite sta gradualmente diventando una materia prima insostituibile e importante nei settori della difesa nazionale, aerospaziale e dei nuovi materiali1. Sia in patria che all'estero, lo sfruttamento delle risorse di grafite è in continuo aumento e il miglioramento delle proprietà meccaniche della roccia della miniera di grafite sta diventando sempre più importante. Di conseguenza, come sfruttare le risorse di grafite in modo sicuro, economico ed efficiente è una questione importante su cui dobbiamo concentrarci. Come tutti sappiamo, nel processo di estrazione mineraria, compresa la perforazione, l'esplosione, la frantumazione meccanica, ecc., la roccia sarà soggetta a carichi dinamici di diverso grado2. Sotto questi carichi dinamici, la velocità di deformazione della roccia varia da 101 a 103 s−1, e talvolta la velocità di deformazione causata da un’esplosione può raggiungere anche 104 s−13,4. All'interno di questi intervalli di velocità di deformazione, la roccia mostrerà caratteristiche di risposta meccanica e regole di danno diverse rispetto a quelle sottoposte a carico statico. In questo caso è ovviamente inappropriato studiare le proprietà dinamiche della roccia utilizzando le relative teorie della statica5,6,7. Pertanto, al fine di fornire una base teorica affinché la miniera di grafite realizzi l'elevata efficienza dell'estrazione del minerale di grafite e del processo di frantumazione economico, è necessario condurre una ricerca approfondita sulle caratteristiche di risposta dinamica e sulle regole di danneggiamento del minerale di grafite a diverse velocità di deformazione.