Dynamische Reaktionseigenschaften und Schädigungsregel von Graphiterzgestein bei unterschiedlichen Dehnungsraten

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 2151 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Beim Abbau von Graphitminen wird die Gesteinsmasse häufig dynamischen Belastungen wie Sprengungen oder mechanischem Zerkleinern ausgesetzt, was dynamische Reaktionen mit unterschiedlichen Verformungsgeschwindigkeiten mit sich bringt, und die Spreng- und Zerkleinerungswirkung wird durch die dynamischen Eigenschaften des Gesteins und die Schadensspezialitäten beeinflusst. Die dynamischen Reaktionseigenschaften und die Schadensregel von Graphiterzgestein bei unterschiedlichen Dehnungsraten sind sehr wichtig, wurden jedoch in der Vergangenheit nur selten untersucht. Um diese Probleme zu untersuchen und den Graphiterzgesteinsabbau zu unterstützen, wurden die dynamischen Kompressionstests von Graphiterzgestein unter fünf Arten von Aufpralldrücken entwickelt und durchgeführt. Dabei wurde das Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB)-Testsystem in Kombination mit dem Hochdruckprüfsystem Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) verwendet. Geschwindigkeitsfotografiesystem und zerkleinernde Screening-Tests. Die dynamischen Eigenschaften, der Zerkleinerungsprozess, der Zerkleinerungsmodus, die Zerkleinerungsform und die Fragmentierungsverteilung des Graphiterzgesteins bei verschiedenen Verformungsgeschwindigkeiten wurden analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die dynamischen Eigenschaften des Graphiterzgesteins einen offensichtlichen Einfluss auf die Dehnungsrate haben. Der Verfestigungskoeffizient (DIF) korreliert positiv mit der Kubikwurzel der Dehnungsrate und der Erweichungsfaktor (K) korreliert negativ mit der Kubikwurzel der Dehnungsrate. Scherversagen tritt hauptsächlich im Graphiterzgestein unter Stoßbelastung auf, und der Zerkleinerungsprozess kann in fünf Phasen unterteilt werden: Verdichtung, Rissbildung, Rissausdehnung und -durchdringung, Splitterkollision und Splitterfall. Darüber hinaus bestehen die zerkleinerten Blöcke hauptsächlich aus dreieckigen Pyramiden (oder Kegeln), sind feinkörnig und pulverförmig. Die gebrochenen Fragmente des Graphiterzgesteins stimmen mit den Merkmalen der fraktalen Geometrie überein. Das heißt, die durchschnittliche Größe gebrochener Partikel (dS) nimmt linear mit zunehmender Dehnungsrate ab und die fraktale Dimension (Da) nimmt mit zunehmender Dehnungsrate schwach zu. Basierend auf dem DP-Bruchkriterium und dem Weibull-Verteilungsmodell wurde das dynamische Schadenskonstitutivmodell des Graphiterzgesteins erstellt und die Korrelation zwischen der Dehnungsrate und den Weibull-Verteilungsparametern (m und F0) verwendet, um das Schadenskonstitutivmodell sinnvoll zu modifizieren. Die Kurve des modifizierten Schadenskonstitutivmodells stimmt gut mit der experimentellen Kurve überein, die im Wesentlichen den Dehnungsrateneffekt der dynamischen Eigenschaften des Graphiterzgesteins und die Entwicklungseigenschaften der dynamischen Spannungs-Dehnungs-Kurve in verschiedenen Phasen widerspiegeln kann.

In den letzten Jahren hat sich Graphit mit dem Aufstieg der Industrie für neue Energien und neue Materialien allmählich zu einem unersetzlichen und wichtigen Rohstoff in den Bereichen Landesverteidigung, Luft- und Raumfahrt und neue Materialien entwickelt1. Sowohl im Inland als auch im Ausland nimmt die Ausbeutung von Graphitressourcen kontinuierlich zu, und die Klärung der gesteinsmechanischen Eigenschaften von Graphitminen wird immer wichtiger. Dementsprechend ist die sichere, wirtschaftliche und effiziente Ausbeutung von Graphitressourcen ein wichtiges Thema, auf das wir uns konzentrieren müssen. Wie wir alle wissen, wird das Gestein im Bergbau, einschließlich Bohren, Sprengen, mechanischem Zerkleinern usw., unterschiedlich starken dynamischen Belastungen ausgesetzt2. Unter diesen dynamischen Belastungen liegt die Verformungsgeschwindigkeit des Gesteins zwischen 101 und 103 s−1, und manchmal kann die durch eine Explosion verursachte Verformungsgeschwindigkeit sogar 104 s−13,4 erreichen. Innerhalb dieser Dehnungsratenbereiche zeigt Gestein andere mechanische Reaktionseigenschaften und Schadensregeln als Gestein unter statischer Belastung. In diesem Fall ist es offensichtlich unangemessen, die dynamischen Eigenschaften von Gestein mithilfe verwandter Theorien der Statik zu untersuchen5,6,7. Um daher eine theoretische Grundlage für die Graphitmine bereitzustellen, um die hohe Effizienz des Erzkörperabbaus und den wirtschaftlichen Zerkleinerungsprozess zu realisieren, ist es notwendig, eingehende Untersuchungen zu den dynamischen Reaktionseigenschaften und der Schadensregel von Graphiterz unter verschiedenen Dehnungsraten durchzuführen.

Als Hauptwerkzeug für die dynamische Leistungsprüfung von Gesteinsmaterialien kann das Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB)-System nicht nur die Beziehung zwischen Spannung, Dehnung und anderen mechanischen Parametern von Gesteinsproben und Dehnungsraten testen, sondern auch die Gesteinsbrucheigenschaften ermitteln unter verschiedenen Dehnungsraten, was wichtige Referenzmaterialien für die Ingenieurpraxis liefert. Daher war das SHPB-System bei Forschern aus verschiedenen Ländern weit verbreitet8. Viele Forscher haben die dynamischen Eigenschaften verschiedener Gesteine mit dem SHPB-Testsystem untersucht. Bei der Untersuchung der dynamischen Gesteinseigenschaften führte Kumar9 bereits 1968 die SHPB-Testtechnologie in die Prüfung der dynamischen Gesteinsfestigkeit ein und untersuchte den Einfluss der Spannungsrate auf die Festigkeit von Basalt und Granit. Anschließend versuchten einige Forscher, das SHPB-System zu verwenden, um die dynamische Festigkeit von Gesteinen zu testen10,11,12,13,14,15. Und sie alle kamen zu dem Schluss, dass die dynamische Festigkeit des Gesteins mit zunehmender Dehnungsrate zunimmt. Basierend auf umfangreichen Testdaten gelangten Li et al.16 zu dem Schluss, dass die Beziehung zwischen der Bruchfestigkeit des Gesteins und der Dehnungsrate \(\sigma_{d} = A\dot{\varepsilon }^{B}\) ist, wobei B etwa 0,3 beträgt , während der Wert von A je nach Gestein variiert. Diese wichtige Schlussfolgerung wurde von Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Gesteinsdynamik weithin anerkannt. Mit der zunehmenden Reife der SHPB-Testtechnologie wurden immer mehr Tests der dynamischen Eigenschaften verschiedener Gesteine durchgeführt. Diese bis 17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28 abgeschlossenen Studien zeigen, dass die dynamische Festigkeit von Gestein einen offensichtlichen Einfluss auf die Dehnungsrate hat, was durchaus mit der Schlussfolgerung von Li et al. übereinstimmt al.16. Derzeit gibt es jedoch keine eindeutige Schlussfolgerung über die Auswirkung der Dehnungsrate auf die Parameter der dynamischen Spitzendehnung und des Elastizitätsmoduls von Gestein, wo in der künftigen Forschung möglicherweise ein Durchbruch erforderlich ist.

Ein wichtiges Problem, das in der Literatur festgestellt wurde, besteht darin, dass sich die berichteten SHPB-Tests auch auf die Brecheigenschaften und das schädigungskonstitutive Modell von Gestein konzentrieren. Im Hinblick auf die Untersuchung der dynamischen Zerkleinerungseigenschaften von Gestein wurden von Li et al.26 Magnetit-Aufprallexperimente bei unterschiedlichen Verformungsgeschwindigkeiten durchgeführt, die das Verteilungsgesetz der Klumpigkeit von Magnetit unter dynamischer Belastung aufdeckten und einen angemessenen Bereich ermittelten Dehnungsraten zur Zerkleinerung von Magnetit. Huang et al.29 führten den SHPB-Test von mit gefrorenem Zement verfestigtem Boden durch und analysierten den Einfluss der Aufprallgeschwindigkeit auf die viskoplastischen Versagenseigenschaften von gefrorenem Zementboden. Wang et al.30 führten eine Studie über die fraktalen Eigenschaften des Granatapfel-Biotitschiefers unter Stoßbelastung durch, die eine hervorragende Referenz für die Analyse des dynamischen Zerkleinerungsmechanismus, der Größenverteilung der Zerkleinerungsblöcke und des Zerkleinerungsenergieverbrauchs des die Straße umgebenden Gesteins lieferte. Bei der Erforschung des konstitutiven Modells für dynamische Gesteinsschäden erstellten Zheng et al.31 ein konstitutives Modell für statistische Schäden vom Typ Kohlegesteinsfestigkeit, das auf dynamisch-mechanischen Eigenschaften basiert. Durch die kombinierte Modellmethode wurde von Jiang et al.32 ein dynamisches konstitutives Modell der Sandsteinschädigung erstellt, das die dynamischen mechanischen Eigenschaften von Sandstein unter Einwirkung genau beschrieb. Hao et al.33 kombinierten die Theorie des kontinuierlichen Schadens mit der statistischen Festigkeitstheorie und erstellten das Festigkeitskonstitutivmodell von Magnetit unter dynamischer Belastung. Zhang et al.34 führten eine Untersuchung der Schadenscharakteristik und des konstitutiven Modells von tiefem Sandstein unter gekoppelten hohen Temperatur- und Stoßbelastungen durch. Da diese dynamischen konstitutiven Modelle, die auf statistischer Stärke basieren, theoretisch nicht schwer zu verstehen sind und weniger Lösungsparameter erfordern, sind sie für Forscher von größerem Interesse und lassen sich leichter auf die technische Praxis anwenden.

Die oben genannten Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass mit der Entwicklung der modernen Geotechnik und der Reifung des SHPB-Testsystems die Untersuchung der dynamischen Eigenschaften von Gesteinen eingehender und umfangreicher geworden ist. Allerdings konzentrieren sich die meisten Untersuchungen zu den dynamischen Eigenschaften von Gesteinen auf die mechanischen Eigenschaften vor dem Gipfel wie Spitzenfestigkeit, Spitzendehnung und dynamischer Elastizitätsmodul, während sich nur wenige Studien mit den mechanischen Eigenschaften nach dem Gipfel befassen. Darüber hinaus konzentrieren sich Studien zu dynamischen Brucheigenschaften von Gestein hauptsächlich auf die Beziehung zwischen Fragmentierungsverteilung und Energieverbrauchseigenschaften, und weniger Studien beziehen sich auf Dehnungsraten. Die mechanischen Eigenschaften des Gesteins nach dem Gipfel können die verbleibende Tragfähigkeit und die Antiverformungsgrenze des Gesteins im späteren Stadium des Versagens unter Last widerspiegeln, was wichtige Informationen für die Untersuchung vieler technischer Gefahren wie Felsbrüche und Masseneinsturz liefern kann35. Unter Berücksichtigung der Zerkleinerungseigenschaften von Gestein im Hinblick auf den Dehngeschwindigkeitseffekt kann ein angemessener Dehngeschwindigkeitsbereich von gebrochenem Gestein ermittelt werden, der eine wichtige Grundlage für den Sprengbergbau und die mechanische Zerkleinerung von Gestein bilden kann. Darüber hinaus gibt es offensichtliche Unterschiede in der Mineralzusammensetzung und den strukturellen Eigenschaften verschiedener Gesteine, und auch ihre Schadensregeln und Stoffzusammenhänge müssen unterschiedlich sein. Daher ist es nach wie vor von großer Bedeutung, Studien zu dynamischen Reaktionseigenschaften und Schädigungsregeln von Graphiterzgestein unter verschiedenen Dehnungsraten durchzuführen.

Basierend auf dem Tagebauprojekt einer Graphitmine in Luobei, Provinz Heilongjiang, China, wurden hochwertige kristalline Graphiterzgesteine mit hohem Wert als Testmaterialien ausgewählt, um SHPB-Schlagkompressionstests unter verschiedenen Dehnungsraten durchzuführen. Es wurden Spannungs-Dehnungs-Kurven des gesamten dynamischen Zerkleinerungsprozesses erstellt und der Einfluss der Dehnungsrate auf die dynamischen Eigenschaften vor und nach dem Peak analysiert. Gleichzeitig wurden die dynamischen Brecheigenschaften von Graphiterzgestein durch ein Hochgeschwindigkeitsfotografiesystem und einen Brechkörper-Screeningtest genau beschrieben. Basierend auf den Ergebnissen der statistischen Analyse wurde das Verteilungsgesetz der Klumpigkeit des Graphiterzgesteins bei unterschiedlichen Verformungsgeschwindigkeiten untersucht. Darüber hinaus wurde in Kombination mit dem DP-Bruchkriterium und dem Weibull-Verteilungsmodell das dynamische Schadenskonstitutivmodell für Graphiterzgestein erstellt und das Schadenskonstitutivmodell unter Verwendung der Korrelation zwischen der Dehnungsrate und den Weibull-Verteilungsparametern (m und F0) modifiziert. Es wird erwartet, dass die Forschung die dynamischen Reaktionseigenschaften und Schadensregeln von Graphiterzgestein aufdecken kann, um so den effizienten und sinnvollen Abbau von Graphitminen zu erleichtern.

Das in diesem Test verwendete Gesteinsmaterial stammt aus einer Graphitmine in Luobei, Provinz Heilongjiang, China, und das Probengestein ist hochwertiges kristallines Graphiterz. Das rohe Graphiterzgestein wurde vom Minenstandort gewonnen und die Proben wurden durch Bohren, Schneiden, Planschleifen und Nivellierungsmessungen verarbeitet. Um den Einfluss von Diskretion und Anisotropie auf die mechanischen Eigenschaften des Gesteins zu reduzieren, wurden die Testproben aus dem gleichen Rohgestein entnommen. Gemäß dem Engineering Rock Mass Test Method Standard (GBT50266-2013)19 und ISRM2 wurden die Testproben zu Zylindern mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Höhe von 50 mm verarbeitet. Die Testproben sind in Abb. 1 dargestellt und die grundlegenden mechanischen Parameter der Erzgesteinsproben sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Gesteinsproben aus Graphiterz.

In Tabelle 1 ist σc die einachsige Druckfestigkeit, E der Elastizitätsmodul, μ die Poisson-Zahl, C die Kohäsionskraft und φ der Winkel der inneren Reibung.

Das in diesem Test verwendete SHPB-System ist in Abb. 2 dargestellt und besteht hauptsächlich aus einer Booster-Vorrichtung, einer Hochdruck-Luftkammer, einem Abschusshohlraum, einem Geschoss, einer Einfallstange, einer Übertragungsstange und einer superdynamischen Belastung Messgerät, ein Puffergerät, eine Hochgeschwindigkeitskamera und ein Computer (Datenerfassungs- und Analysesystem). Der Einfallstab und der Übertragungsstab bestehen aus 18Ni, dessen Elastizitätsmodul und Längswellengeschwindigkeit 190 GPa bzw. 4900 ms−1 betragen. Sowohl der Einfallbalken als auch der Übertragungsbalken haben eine Länge von 2000 mm und einen Durchmesser von 50 mm. Das Geschoss ist 400 mm lang und hat einen Durchmesser von 50 mm.

Das in dieser Arbeit verwendete experimentelle SHPB-System. (a) Schematische Ansicht des SHPB-Versuchssystems; (b) Physikalische Karte des SHPB-Versuchssystems.

Gemäß den Homogenisierungsbedingungen des SHPB-Systems und der eindimensionalen Theorie der elastischen Spannungswellen wurde die Dreiwellenmethode zur Verarbeitung der Testdaten verwendet. Die mit Dehnungsmessstreifen und ultradynamischen Dehnungsmessstreifen gemessenen und aufgezeichneten Wellenformsignale wurden statistisch analysiert und berechnet und die dynamischen Parameter der Proben, einschließlich Spannung \(\sigma\), Dehnung \(\varepsilon\) und Dehnungsrate \( \dot{\varepsilon }\) wurden erhalten. Das Prinzip der Dreiwellenmethode36 kann durch die Gleichungen ausgedrückt werden. (1)–(3).

wobei \(\sigma_{I} \left( t \right)\),\(\sigma_{R} \left( t \right)\),\({ }\sigma_{T} \left( t \right )\) sind die einfallende Spannung, die Reflexionsspannung und die Übertragungsspannung, die t zu einem bestimmten Zeitpunkt entsprechen; \(\rho_{e} C_{e}\) ist die Wellenimpedanz des elastischen Stabes; \(L_{s}\) ist die Länge der Probe; \(A_{e}\) und \(A_{s}\) sind die Querschnittsflächen des elastischen Stabes bzw. der Probe.

Nachdem die Probenzerkleinerung abgeschlossen ist, wird das Quadratlochsieb mit acht Größen von 40–50 mm, 31,5–40 mm, 20–31,5 mm, 16–20 mm, 10–16 mm, 5–10 mm, 2,5–5 mm und Zur Siebung der Fragmente der gebrochenen Proben wurden jeweils < 2,5 mm verwendet. Eine hochpräzise elektronische Waage wurde verwendet, um die Masse der Fragmente jeder Größenklasse nach dem Screening zu wiegen und aufzuzeichnen. Das in diesem Test eingesetzte Quadratlochsieb und die hochpräzise elektronische Waage sind in Abb. 3 dargestellt.

Quadratisches Lochsieb und hochpräzise elektronische Waage.

Um den Einfluss der Endflächenreibung auf die Testergebnisse zu verringern, wurde vor dem Test Butter gleichmäßig auf dem Kontaktende der Probe und des Stabes verteilt, und die Probe und der Stab standen in engem Kontakt. Anschließend wurde das Geschoss auf den Boden der Luftkammer zurückgebracht, um sicherzustellen, dass das Geschoss bei jedem Test aus der gleichen Position abgefeuert wurde. Danach wurde der Aufpralldruck nacheinander auf 0,2 MPa, 0,3 MPa, 0,4 MPa, 0,5 MPa und 0,6 MPa eingestellt, um den Aufprallbelastungstest abzuschließen. Um die Diskretion der Daten zu verringern, wurden für jede Aufpralldruckgruppe fünf Proben vorbereitet und aus jeder Gruppe drei Proben mit geringer Streuung ausgewählt, um die Testergebnisse zu analysieren. Die dynamischen Parameter der durch die Schlagversuche erhaltenen Graphiterzgesteinsproben sind in Tabelle 2 aufgeführt.

In Tabelle 2 ist P der Aufpralldruck, \(\dot{\varepsilon }\) die durchschnittliche Dehnungsrate, \(\sigma_{d}\) die dynamische Druckfestigkeit, Ed der dynamische Elastizitätsmodul, \( \varepsilon_{d}\) ist die Spitzendehnung, \(\varepsilon_{0}\) ist die Dehnung, wenn die Probe vom linearen elastischen Segment abweicht, \(\varepsilon_{max}\) ist die Grenzdehnung, DIF ist der Verfestigungsfaktor und K der Erweichungsfaktor. Hier ist Ed die Steigung einer ungefähren geraden Linie nahe 0,5 \(\sigma_{d} \user2{ }\) in der Spannungs-Dehnungs-Kurve, und der Verfestigungskoeffizient DIF und der Erweichungsfaktor K werden aus den Gleichungen berechnet. (4) und (5)26.

Die Spannungs-Dehnungs-Kurven können nicht nur die mechanischen Eigenschaften der Gesteinsmaterialien widerspiegeln, sondern auch die Entwicklungseigenschaften des Gesteins in jeder Phase während des Belastungsprozesses genau beschreiben. Mittlerweile können sie auch den Versagensmechanismus der Gesteinsmaterialien aus der Perspektive der Energie erklären, die das wichtigste Mittel zur Untersuchung des mechanischen Verhaltens des Gesteins darstellt. Abbildung 4 zeigt die typischen Spannungs-Dehnungs-Kurven von Graphiterzgesteinsproben.

Typische Spannungs-Dehnungs-Kurven von Graphiterzgesteinsproben bei unterschiedlichen Dehnungsraten.

Entsprechend den Eigenschaften der Kurven können die Spannungs-Dehnungs-Kurven in die Verdichtungsstufe (I), die lineare elastische Stufe (II), die Rissentwicklungsstufe (III) und die Entlastungsstufe (IV) unterteilt werden. Dabei bezieht sich die lineare elastische Stufe auf die Stufe, in der die Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve im Wesentlichen unverändert bleibt, und die Rissentwicklungsstufe bezieht sich auf die Kurvenstufe zwischen dem Dehnungswert, wenn die Spannungs-Dehnungs-Kurve von der elastischen Stufe abweicht, und der Spitzendehnungswert. Am Beispiel der Spannungs-Dehnungs-Kurve mit der Dehnungsrate von 205,963 s−1 geht die Spannungs-Dehnungs-Kurve nach einer sehr kurzen Verdichtungsphase schnell in die lineare elastische Phase über und tritt dann in die Rissentwicklungsphase und die Entlastungsphase ein. Spannungs-Dehnungs-Kurven bei anderen Dehnungsgeschwindigkeiten können ebenfalls in die oben genannten vier Stufen unterteilt werden.

Aber bei unterschiedlichen Dehnungsraten sind die Entwicklungsmerkmale der Spannungs-Dehnungs-Kurven offensichtlich in jedem Stadium unterschiedlich. Innerhalb der linearen elastischen Phase einer Kurve nimmt die Steigung mit zunehmender Dehnungsrate bis zu einem gewissen Grad ab, was darauf hindeutet, dass die Erhöhung der Dehnungsrate die Antiverformungsfähigkeit des Graphiterzes leicht schwächt. Diese Schlussfolgerung steht im Einklang mit der Literatur37. Unterdessen aus der Perspektive der Spitzenfestigkeit und der Folgeerweichungsfestigkeit (die Folgeerweichungsfestigkeit bezieht sich hier auf die Tragfestigkeit des gebrochenen Körpers, nachdem die Probe der Stoßbelastung ausgesetzt wurde, was als die Fähigkeit des verstanden werden kann gebrochener Körper, um der äußeren Belastung standzuhalten, wenn der einfallende Stab einen sekundären Aufprall auf die gebrochene Probe ausübt), mit zunehmender Dehnungsrate nimmt die Spitzenfestigkeit allmählich zu, aber die nachfolgende Erweichungsfestigkeit nimmt allmählich ab. Außerdem nimmt die maximal erreichbare Dehnung mit zunehmender Dehnungsgeschwindigkeit allmählich zu. Dies ist ein offensichtliches Phänomen der Erweichung nach dem Spitzenwert. Die oben genannten Phänomene weisen darauf hin, dass die dynamischen Eigenschaften des Graphiterzgesteins nicht nur im Vor-Peak-Stadium, sondern auch im Post-Peak-Stadium einen offensichtlichen Einfluss auf die Dehnungsrate haben. Um diese Phänomene weiter zu erklären, werden im Folgenden der Verfestigungskoeffizient (DIF) und der Erweichungsfaktor (K) verwendet, um die dynamischen Eigenschaften des Graphiterzgesteins zu analysieren und zu diskutieren.

Für den Dehnungsrateneffekt der dynamisch-mechanischen Gesteinseigenschaften fanden Li et al.8 heraus, dass die dynamische Druckfestigkeit \(\sigma_{d}\) ungefähr proportional zu \(\dot{\varepsilon }^{\frac{1 }{3}}\) basierend auf einer großen Anzahl von Testdaten. Hao et al.38 schlugen die Verwendung des Verfestigungskoeffizienten DIF (das Verhältnis von dynamischer Festigkeit zu statischer Festigkeit) vor, um die Variationsregel der dynamischen Festigkeit von Gestein unter verschiedenen Dehnungsraten weiter zu bewerten. Den Ergebnissen der beiden Wissenschaftler zufolge werden DIF und \(\dot{\varepsilon }^{\frac{1}{3}}\) angepasst, um die funktionale Beziehung zwischen ihnen zu erhalten, wie in Gleichung (1) gezeigt. (6). Und die angepasste Kurve ist in Abb. 5 dargestellt.

Der Verfestigungskoeffizient DIF ändert sich mit \({ }\dot{\varepsilon }^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 3}} \right. \kern-0pt} 3}}}\).

Gleichung (6) zeigt, dass der DIF immer noch eine lineare Beziehung zum \(\dot{\varepsilon }^{\frac{1}{3}}\) mit einem hohen Anpassungsgrad-Korrelationskoeffizienten R2 von 0,984 hat. Dies zeigt perfekt die Variation des DIF mit dem \(\dot{\varepsilon }^{\frac{1}{3}}\). Gleichung (6) zeigt auch, dass der DIF der Graphiterz-Gesteinsproben einen offensichtlichen Effekt auf die Dehnungsrate hat, bei dem es sich um die mechanische Reaktion des Gesteinsmaterials handelt, die durch die Umwandlung vom eindimensionalen Spannungszustand in den eindimensionalen Dehnungszustand verursacht wird2. Das heißt, mit zunehmender Dehnungsgeschwindigkeit nimmt die Anzahl der Risse im Gestein entsprechend zu, was viel Energie erfordert, um die Rissausdehnung und -durchdringung voranzutreiben. Die Ladezeit ist so kurz, dass das Gestein nicht genügend Zeit hat, die Energiespeicherung, -umwandlung und -abgabe abzuschließen. Nur durch eine ständige Verbesserung der Tragfähigkeit kann das Gestein der äußeren Belastung standhalten. Allerdings hat das Gestein unter statischer Belastung relativ lange Zeit, um die Ansammlung, Umwandlung und Freisetzung innerer Energie abzuschließen, und die statische Druckfestigkeit des Gesteins schwankt aufgrund des Einflusses der inhärenten Gesteinsunterschiede nur um einen bestimmten stabilen Wert . Daher nimmt der DIF mit zunehmender Dehnungsrate zu.

Studien haben gezeigt, dass Gesteinsmaterialien mit zunehmender Dehnungsgeschwindigkeit bis zu einem gewissen Grad weicher werden. Bezugnehmend auf die Forschungsergebnisse von Li et al.26 nimmt unter Stoßbelastung der relative Anteil des elastischen Bereichs des Gesteins am gesamten Dehnungsbereich mit zunehmender Dehnungsrate allmählich ab. Daher kann das Verhältnis des elastischen Dehnungsbereichs zum gesamten Dehnungsbereich als Gesteinserweichungsfaktor K bezeichnet werden. Gemäß Gl. (5) K liegt zwischen 0,117 und 0,204, wie in Tabelle 3 gezeigt. Gemäß den Variationseigenschaften von K mit der Dehnungsrate besteht die funktionale Beziehung zwischen K und \(\dot{\varepsilon }^{\frac{1}{} 3}}\) wird durch Kurvenanpassung erhalten, wie in Gleichung gezeigt. (7). Und die angepasste Kurve ist in Abb. 6 dargestellt.

Der Erweichungsfaktor K ändert sich mit \({ }\dot{\varepsilon }^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 3}} \right. \kern-0pt} 3}}}\).

Wie aus Gl. (7) und Abb. 6: Mit zunehmender Dehnungsrate nimmt K allmählich ab. Das heißt, der Grad der Erweichung nimmt allmählich zu. In der in Abb. 3 dargestellten Spannungs-Dehnungs-Kurve nimmt die folgende Erweichungsfestigkeit allmählich ab und die Grenzdehnung nimmt allmählich zu. Daraus lässt sich schließen, dass mit zunehmender Dehnungsrate die relativen Werte der elastisch-plastischen Verformung und der inhomogenen plastischen Verformung der Erzproben allmählich zunehmen und sich auch der Zerkleinerungsgrad der Erzproben vertieft.

Hochgeschwindigkeitskameras sind eines der wichtigen Werkzeuge zur Beobachtung des dynamischen Bruchprozesses von Gesteinsproben. Die für das Hochgeschwindigkeitsfotografieexperiment verwendete Ausrüstung war die Hochgeschwindigkeits-Digitalkamera FASTCAM-SA1.1 der Firma Photron Company. Die Kamera verfügt über eine hohe Aufnahmegeschwindigkeit und Auflösung, die bei der Vollbildauflösung von 1024 × 1024 eine Aufnahmegeschwindigkeit von 5400 Bildern pro Sekunde erreichen und bei reduzierter Auflösung bis zu 675.000 Bilder pro Sekunde aufnehmen kann. In diesem Test wurde die Auflösung 320 × 320 übernommen und die Bildfrequenz auf 10.000 fps eingestellt. Gemäß den von der Hochgeschwindigkeits-Fotokamera aufgezeichneten Bildeigenschaften kann der Ausfallprozess der Proben in fünf Phasen unterteilt werden, wie in Tabelle 3 dargestellt.

Verdichtungsphase. Die Probe wird gerade aufgeprallt, was zu einer kurzen und geringen Schrumpfverformung führt. Die Probe geht schnell von der Mikroriss-Verdichtungsstufe zur Mikroriss-Initiierungsstufe über, in dieser Stufe bilden sich jedoch keine makroskopischen Risse.

Rissinitiierungsphase. In der Probe treten Scherrisse auf. Die Scherrisse beginnen an der Probe in der Nähe des Stabendes, breiten sich dann entlang der axialen Richtung aus und werden von einer kleinen Anzahl sekundärer Risse begleitet.

Risswachstums- und Transfixierungsstadium. Es bilden sich weiterhin sekundäre Risse. Scherrisse erstrecken sich entlang der axialen Richtung und beginnen sich entlang der Umfangsrichtung der Probe auszudehnen. Gleichzeitig weiten sich die Scherrisse deutlich auf, konvergieren und vernetzen sich mit den Sekundärrissen, so dass die Probe in Fragmente unterschiedlicher Partikelgröße zerschnitten wird. An diesem Punkt beginnt sich der Vorfallbalken von der Probe zu lösen.

Die Kollisionsphase von Fragmenten. Der einfallende Stab und die Probe werden vollständig getrennt und die Fragmente werden nach dem Aufprall mit einer bestimmten Anfangsgeschwindigkeit auf das Ende des Übertragungsstabs geschleudert. Aufgrund der unterschiedlichen Anfangsgeschwindigkeit der Fragmente kollidieren und quetschen sich die Fragmente bei diesem Prozess gegenseitig, wodurch die Probe weiter zerbrochen wird.

Das fallende Stadium der Fragmente. Der Einfallbalken und der Transmissionsbalken sind vollständig von der Probe getrennt. Und die zerbrochene Probe fällt unter der Wirkung der Schwerkraft und begleitet von einer kleinen Menge Gesteinsmehl zurück.

Wenn die Vorfallstange und die Übertragungsstange wieder in Kontakt kommen, ist der Aufpralltest abgeschlossen.

Abbildung 7a und b beschreiben den Zerkleinerungsmodus und die Zerkleinerungsform der Proben. In Bezug auf den Zerkleinerungsmodus ist das Zerkleinern einer Probe hauptsächlich ein Scherversagen, was mit der Schlussfolgerung in der Literatur übereinstimmt39. Unter Einwirkung der Spannungsbelastung beginnt eine Dilatanzverformung der Probe, gefolgt von makroskopischen Rissen, die von dem Teil der Probe in der Nähe des einfallenden Stabendes ausgehen und sich bis zum Übertragungsstabende erstrecken. Die Spannungswelle breitet sich zwischen dem einfallenden Stab, der Probe und dem Übertragungsstab hin und her aus. Die von der Spannungswelle getragene Energie führt dazu, dass sich die Risse ausdehnen, ausdehnen, konvergieren und verschmelzen, bis die Probe ihre Tragfähigkeit vollständig verliert. Mit zunehmendem Aufpralldruck nimmt die Dehngeschwindigkeit zu und die Rissbildungsgeschwindigkeit, der Rissbildungswinkel und die Risszahl ändern sich offensichtlich. Im Allgemeinen wird mit zunehmender Dehnungsgeschwindigkeit die Rissbildungsgeschwindigkeit beschleunigt, der Rissbildungswinkel allmählich verringert und die Anzahl der Risse allmählich erhöht. Im Hinblick auf die makroskopischen Zerkleinerungseigenschaften nimmt die Zerkleinerungsgröße der Proben allmählich ab.

Schematische Darstellung des Zerkleinerungsmodus und der Zerkleinerungsform (a) Zerkleinerungsmodus; (b) Zerkleinerungsform.

Was die Zerkleinerungsform betrifft, sind die zerkleinerten Fragmente hauptsächlich dreieckig-pyramidenförmig (oder konisch), feinkörnig und pulverförmig, was hauptsächlich mit den Eigenschaften der Scherrisse zusammenhängt. Am Beginn des Risses besteht ein Winkel zwischen dem Scherriss und der axialen Richtung. Die Rissausbreitungsrichtung ändert sich nicht wesentlich, bis sich die Lithologie und die Gesteinsstruktur ändern oder der ursprüngliche Riss mit anderen Rissen zusammenläuft oder mit diesen durchdringt. Zu diesem Zeitpunkt verschiebt sich die Rissausdehnungsrichtung, verdreht sich oder dreht sich zurück, so dass ein Rissnetzwerk mit Dreiecksgeometrie entsteht. Wenn die zerbrochene Probe in tripyramidale (oder konische) feinkörnige Fragmente zerschnitten wird, bilden sich pulverisierte Fragmente aufgrund des Verhaltens von Rissbildung, Verschiebung der Scherebene und Kollision von Fragmenten usw.

Durch den Screening-Test wurde der Anteil der Fragmentierungsverteilung in verschiedenen Partikelgrößenintervallen ermittelt. Abbildung 8 zeigt das Siebdiagramm von Probenfragmenten bei verschiedenen Dehnungsraten. Der kumulative Massenprozentsatz jeder Partikelgröße auf dem Sieb wurde gezählt und die durchschnittliche gebrochene Partikelgröße und die fraktale Dimension berechnet, wie in Tabelle 4 aufgeführt. Außerdem wurden die Fragmentierungsverteilungseigenschaften der Graphiterzgesteinsproben bei unterschiedlichen Dehnungsraten ermittelt Wurden analysiert.

Siebdiagramm von Probenfragmenten bei unterschiedlichen Dehnungsraten.

Wie aus Abb. 9 ersichtlich ist, nimmt mit zunehmender Dehnungsrate der Anteil der Fragmente mit einer Größe zwischen 31,5 und 50 mm allmählich ab, während der Anteil der Fragmente mit einer Größe von weniger als 16 mm allmählich zunimmt. Der Anteil der Fragmente zwischen 16 und 31,5 mm ändert sich jedoch nicht offensichtlich mit der Dehnungsrate, was darauf hindeutet, dass die Dehnungsrate einen offensichtlicheren Einfluss auf den Volumen- und Pulveranteil hat. Um den Einfluss der Dehnungsrate auf die Größenverteilung der Fragmente quantitativ zu bewerten, wurden die durchschnittliche Bruchpartikelgröße (ds) und die fraktale Dimension (Da) für die weitere Analyse verwendet.

Kumulierter Prozentsatz von Fragmenten unterschiedlicher Größe.

Die durchschnittliche Bruchpartikelgröße \(d_{s}\) ist so definiert, dass sie den Bruchgrad des Graphiterzgesteins widerspiegelt, wie in Gleichung (1) dargestellt. (8):

Dabei ist \(d_{s}\) die durchschnittliche Größe der gebrochenen Partikel, \(r_{i}\) der Massenprozentsatz der Fragmente bei einem Maschendurchmesser von \(d_{i}\) und \(d_{i }\) ist der Median der Maschenweitenklasse. Beispielsweise ist \(d_{i}\) = 45 mm, wenn die Maschenweite 40–50 mm beträgt.

Potenzfunktion, negative Exponentialfunktion und lineare Funktion werden verwendet, um die Beziehung zwischen \(d_{s}\) bzw. \(\dot{\varepsilon }\) anzupassen. Es wurde festgestellt, dass zwischen \(d_{s}\) und \(\dot{\varepsilon }\) eine gute negative lineare Beziehung besteht, wie in Abb. 10 dargestellt. Dies weist darauf hin, dass eine größere Anzahl von Versagensrissen durch aktiviert wird Eine höhere Dehnungsgeschwindigkeit führt zu einem vollständigeren Bruchgrad der Probe.

Zusammenhang zwischen der durchschnittlichen Bruchpartikelgröße und der Dehnungsrate.

Die Masse-Größen-Verteilungsbeziehung wurde zur Berechnung der fraktalen Dimension Da verwendet, wie in den Gleichungen gezeigt. (9) und (10).

Dabei ist \(r\) die Standardsiebgröße, \(M\left( r \right)\) die kumulative Masse der Fragmente mit einem Durchmesser kleiner als \(r\), M(t) die Gesamtmasse der Probe Fragmente, \(\alpha\) ist der Massengrößenverteilungsindex der gebrochenen Graphiterzgesteinsfragmente. Abbildung 11 zeigt ein Streudiagramm in einem kartesischen Koordinatensystem mit \(lg\left[ {M\left( r \right)/M\left( t \right)} \right]\) als Ordinate und \(lg\ left( r \right)\) als Abszisse. Die Steigung der erhaltenen Linie beträgt \(\alpha\), und die Berechnungsergebnisse von \(\alpha\) und \(D_{a}\) sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Gesamte logarithmische kumulative Korngrößenkennlinie (Teil).

Wie in Tabelle 5 gezeigt, liegt der Da-Wert der Graphiterzgesteinsproben unter Aufprallkompression zwischen 1,5 und 2,2, und im Dehnungsratenbereich von 95–110 s liegt der Da-Wert zwischen 1,5 und 1,7, was darauf hinweist, dass es zu großflächigen Brüchen kommt Fragmente, nachdem die Proben zerkleinert wurden, und die Zerkleinerung der Proben ist nicht vollständig. Zu diesem Zeitpunkt hat die Dehnungsrate einen offensichtlichen Einfluss auf Da. Wenn die Dehnungsrate im Bereich von 160–240 s−1 liegt, liegt Da zwischen 1,9 und 2,2, was darauf hinweist, dass sich die Probenfragmente grundsätzlich in einem kleinen Skalenintervall befinden und die Zerkleinerung der Proben relativ vollständig ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Wirkung der Dehnungsrate auf Da abgeschwächt. Gemäß Tabelle 6 ist die Variationsregel der fraktalen Dimension des Graphiterzgesteins mit der Dehnungsrate in Abb. 12 dargestellt, und die Funktionsbeziehung zwischen ihnen, die durch Kurvenanpassung erhalten wurde, ist in Gleichung (1) dargestellt. (11).

Fraktale Dimensionskurve mit Dehnungsrate.

Wie in Gl. gezeigt. (11) und Abb. 12: Mit zunehmender Dehnungsrate nimmt Da allmählich zu, was darauf hinweist, dass der Anteil der gebrochenen Fragmente an der Gesamtmasse der großmaßstäblichen Proben allmählich abnimmt. Der Bruchgrad der Proben wird tiefer und die Fragmentierung kleiner. Wenn die Dehnungsrate jedoch bis zu einem gewissen Grad ansteigt, ändert sich Da kaum. Der Einfluss der Dehnungsrate auf den Bruchgrad der Proben ist nicht signifikant, was bedeutet, dass selbst bei einer Erhöhung der Dehnungsrate zu diesem Zeitpunkt der erwartete Zweck der Intensivierung des Bruchgrades der Probe nicht erreicht werden kann. Dies steht im Einklang mit dem Phänomen, dass eine Erhöhung der Ladung oder der Einsatz von Hochleistungssprengstoff in der praktischen Sprengtechnik nur begrenzte Auswirkungen auf die Erhöhung des Gesteinszertrümmerungsgrades hat. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Da den Zerkleinerungsgrad von Proben bei unterschiedlichen Dehnungsraten besser widerspiegeln kann und eine bessere Orientierungsaussage für die Bestimmung der angemessenen Dehnungsrate hat, die zum Zerkleinern von Gesteinsmasse erforderlich ist.

In Gesteinsmaterialien gibt es eine große Anzahl zufällig verteilter Defekte, die zu sehr unterschiedlichen Formen und Festigkeiten der Gesteinsmikroelemente führen. Aufgrund der Vielzahl dieser Mikroelemente mit unterschiedlicher Form und Stärke ist es unmöglich, sie einzeln zu beschreiben. Daher können statistische Methoden nur zu ihrer Untersuchung verwendet werden.

Unter der Annahme, dass die Mikroelementfestigkeit des Gesteins der Weibull-Verteilung folgt, kann seine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion als Gleichung ausgedrückt werden. (12).

wobei \(P\left( x \right)\) die Verteilungsfunktion der Gesteinsmikroelementfestigkeit ist, \(x\) die Verteilungsvariable der Zufallsverteilung der Gesteinsmikroelementfestigkeit ist und \(m\) und \(F_{0}\) sind Verteilungsparameter.

Es wird angenommen, dass das Gestein aus einer großen Anzahl von Mikropartikeln besteht, die Mikrorisse und andere Defekte aufweisen. Die Größe ist im räumlichen Sinne groß genug, aber auf mechanischer Ebene klein genug und kann als Partikel mit den folgenden Eigenschaften betrachtet werden: (1) Das Gesteinsmaterial ist auf der Makroebene isotrop, und der beschädigte Körper ist isotrop Eigenschaften; (2) Das Mikroelement weist vor dem Versagen eine lineare Elastizität auf und die Spannungs-Dehnungs-Beziehung gehorcht dem Hookeschen Gesetz. (3) Das Mikroelement-Stärkeniveau x folgt der Weibull-Verteilung, die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion P(x), wie in Gleichung gezeigt. (12).

Die Schadensvariable D ist so definiert, dass sie den Schadensgrad des Gesteins widerspiegelt. Der Schadensgrad hängt von der Anzahl der im Gesteinsmikroelement enthaltenen Defekte ab, was sich direkt auf die Festigkeit der Gesteinsmikroelemente auswirkt. Unter einer bestimmten Belastung kann die statistische Schadensgröße unter dem Gesichtspunkt der Anzahl der Mikroelemente des Versagens gemessen werden, nämlich:

Dabei ist D die statistische Schadensvariable unter Belastung, Nf die Anzahl der beschädigten Mikroelemente und N die Gesamtzahl der Mikroelemente.

Unter der Annahme, dass die Festigkeit zum Zeitpunkt des Versagens der Gesteinsmikroelemente F beträgt und in jedem Intervall [F,F + dF], wenn die äußere Last von 0 auf F ansteigt, gilt die Gleichung. (13) erhalten werden.

Darüber hinaus gilt Gl. (14) kann wie folgt ausgedrückt werden.

Gemäß der Dehnungsäquivalenzhypothese von Lemaitre40 kann der konstitutive Zusammenhang von Gesteinsschäden wie folgt ermittelt werden.

Dabei ist σ die Nennspannung, σ* die effektive Spannung, E der Elastizitätsmodul, ε die Spitzendehnung und D die Schadensvariable.

Gemäß dem DP-Versagenskriterium erfüllt Gesteinsversagen Gl. (17).

wobei \(\alpha_{0} = \sin \varphi /\sqrt {9 + 3sin^{2} \varphi }\), φ der innere Reibungswinkel des Gesteins ist, I1, J2 die erste Invariante des Effektiven Spannungstensor und die zweite Invariante des effektiven Spannungsversatzes, und es gibt wie folgt.

Bei der herkömmlichen dreiachsigen Gesteinsprüfung können die Nennspannungen σ1, σ2, σ3 (σ2 = σ3) und ε1 gemessen werden, die entsprechende effektive Spannung für σ1*, σ2*, σ3* (σ2* = σ3*). Gesteinselastizitätsmodul und Poissonzahl von E bzw. μ. Die folgenden Gleichungen können aus dem Hookeschen Gesetz abgeleitet werden.

Darüber hinaus können die folgenden Gleichungen erhalten werden.

Bei diesem Test steht die Gesteinsprobe unter einachsiger Stoßkompression, also \(\sigma_{2} = \sigma_{3} = 0\) und \(\varepsilon_{1} = \varepsilon\). Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass \(\varphi = 29,50^\circ\), also Gl. (17) kann wie folgt geschrieben werden.

Kombinieren von Gleichungen. (15), (16) und (25) kann die konstitutive Beziehung der Gesteinsmikroelementfestigkeit in Abhängigkeit von der Weibull-Verteilung ermittelt werden, dargestellt als Gl. (26).

Nach Gl. (26) kann das Materialmodell für Gesteinsschäden nach Bestimmung von m und F0 erhalten werden. Beim einachsigen Schlagdruckversuch können m und F0 durch den Spitzenfestigkeitspunkt \(C\left( {\varepsilon_{d} ,\sigma_{d} } \right)\) und den Elastizitätsmodul Ed der Spannung bestimmt werden –Dehnungskurven. Die Steigung am Punkt der Spitzenstärke \(C\left( {\varepsilon_{d} ,\sigma_{d} } \right)\) ist 0, daher ist die Gl. (27) erhalten werden.

Unterdessen erfüllt \(\sigma_{d}\) am Spitzenpunkt \(C\left( {\varepsilon_{d} ,\sigma_{d} } \right)\) die Beziehung von Gl. (28).

Aus Gl. (27) und Gl. (28), (29) und Gl. (30) kann wie folgt erhalten werden.

Einsetzen der Daten in Tabelle 3 in die Gleichungen. (29) und (30) sind die Berechnungsergebnisse der Parameter m und F0 in Tabelle 6 aufgeführt. Es zeigt sich, dass die Verteilungsparameter (m und F0) signifikant mit der Dehnungsrate korrelieren. Streudiagramme wurden mit m und F0 als Ordinate und der Dehnungsrate als Abszisse gezeichnet und eine nichtlineare Anpassung durchgeführt, wie in den Abbildungen gezeigt. 13 und 14. Anpassungsbeziehungen von m und F0 mit der Dehnungsrate wurden wie in den Gleichungen gezeigt erhalten. (31) und (32).

Passende Beziehung zwischen m und Dehnungsrate.

Passende Beziehung zwischen F0 und Dehnungsrate.

Ersetzen der Gleichungen. (31) und (32) in Gl. (26) kann das modifizierte dynamische Schädigungskonstitutivmodell von Graphiterzgestein erhalten werden, wie in Gleichung (26) gezeigt. (33).

Das modifizierte konstitutive dynamische Schadensmodell wurde verwendet, um die theoretischen Spannungs-Dehnungs-Kurven des Graphiterzes bei verschiedenen Dehnungsraten zu berechnen, die mit den experimentellen Kurven verglichen wurden, wie in Abb. 15 dargestellt. Vergleich der konstitutiven Modellkurve des Graphiterzgesteins Anhand der Testkurve bei unterschiedlichen Dehnungsraten lässt sich erkennen, dass die in dieser Arbeit erstellte konstitutive Modellkurve eine relativ gute Konsistenz mit der Testkurve aufweist (Korrelationskoeffizient R2 > 0,81). Nach sinnvoller Modifizierung des Materialmodells durch Herstellung der Korrelation zwischen Weibull-Verteilungsparametern (m und F0) und den Dehnungsraten kann der Dehnungsrateneffekt von Spitzenspannung, Spitzendehnung und dynamischem Elastizitätsmodul des Graphiterzgesteins gut durch das Modell widergespiegelt werden Kurve. Obwohl es einige lokale Abweichungen zwischen der Modellkurve und der experimentellen Kurve gibt, stimmen die Kurvengrenzeigenschaften wie Spitzendehnung und Spitzenspannung gut mit den experimentellen Ergebnissen überein, was auf die Rationalität des Modells hinweist.

Theoretische Kurven und experimentelle Kurven von Graphiterzgestein bei unterschiedlichen Dehnungsraten.

Die dynamischen mechanischen Eigenschaften, Zerkleinerungseigenschaften und Energieverbrauchseigenschaften von Gesteinsmaterialien können durch SHPB-Tests untersucht werden. Derzeit wurden immer mehr Erfolge erzielt, es müssen jedoch noch einige Probleme gelöst werden. Während des Tests gibt es beispielsweise gewisse Unterschiede in den Dehnungsgeschwindigkeiten bei gleichem Aufpralldruck, da der optionale Anpassungsgradient bei der Anpassung des Aufpralldrucks groß ist. Die Einstellung des Aufpralldrucks mit einem Gefälle von 0,1 MPa führt zwangsläufig zu unvermeidbaren Fehlern. Daher ist es notwendig, genauere, einstellbare Gradienten des Spannungsreglers zu erforschen und zu verbessern.

Darüber hinaus werden bei der Untersuchung der Verteilungseigenschaften von Gesteinsfragmenten erstens Vierkantlochsiebe unterschiedlicher Größe zur Sortierung des Siebs verwendet, zweitens wird die elektronische Waage zum Wiegen und schließlich zur statistischen Berechnung der Fragmentverteilung verwendet, was sehr hilfreich ist mühsam, zeitaufwändig und energieaufwendig. Daher wird eine automatische Überprüfung und Berechnung des Gesteinssplitterverteilungsgeräts die Komplexität des Tests erheblich reduzieren.

Bei der Erstellung des statistischen Festigkeitsschädigungskonstitutivmodells für Graphiterzgestein werden einige idealisierte Annahmen getroffen, während das mechanische Verhalten tatsächlicher Gesteinsmaterialien ungewiss ist, sodass eine gewisse Abweichung zwischen der Modellkurve und der Testkurve besteht. In der anschließenden Forschung kann das Schadenskonstitutivmodell mit besserer Wirkung gemäß den experimentellen Ergebnissen unter den Aspekten der Kombination der statistischen Schadenstheorie und der Komponentenkombinationstheorie oder der Änderung der Schadensverteilungsfunktion untersucht werden.

In dieser Arbeit wurden die SHPB-Tests von Graphiterzgestein bei verschiedenen Dehnungsraten durchgeführt, kombiniert mit Hochgeschwindigkeitsfotografie- und Screening-Tests, die dynamischen Eigenschaften und dynamischen Brecheigenschaften von Graphiterzgestein bei verschiedenen Dehnungsraten analysiert und die Festigkeit analysiert Typisches dynamisches Schadenskonstitutivmodell für Graphiterzgestein wurde erstellt. Die Schlussfolgerungen lauten wie folgt.

Die Ergebnisse des Aufpralltests zeigen, dass der Dehnungsrateneffekt der dynamischen Eigenschaften des Graphiterzgesteins nicht nur im Vor-Peak-Stadium, sondern auch im Post-Peak-Stadium auftritt. Insbesondere hat der Verfestigungskoeffizient (DIF) eine positive lineare Korrelation mit (\(\dot{\varepsilon }^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 3}} \right. \kern-0pt} 3}}}\)), während der Erweichungsfaktor (K) eine negative lineare Korrelation mit (\(\dot{\varepsilon }^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 3}} \ rechts. \kern-0pt} 3}}}\)).

Hochgeschwindigkeits-Fototests zeigen, dass der dynamische Zerkleinerungsprozess des Graphiterzgesteins in fünf Phasen unterteilt werden kann: Verdichtung, Rissbildung, Rissentwicklung und -koaleszenz, Splitterkollision und Splitterfall.

Der Versagensmodus des Graphiterzgesteins unter Stoßbelastung ist hauptsächlich Scherversagen, und die gebrochenen Blöcke sind hauptsächlich tripyramidal (oder konisch), feinkörnig und pulverförmig.

Siebtests zeigen, dass die Bruchstücke des Graphiterzgesteins mit den fraktalen geometrischen Merkmalen übereinstimmen. Die durchschnittliche Bruchpartikelgröße (dS) nimmt linear mit zunehmender Dehnungsrate ab und die fraktale Dimension (Da) nimmt als schwache Exponentialfunktion mit zunehmender Dehnungsrate zu.

Der Dehnungsrateneffekt der dynamischen Eigenschaften wie Spitzenspannung, Spitzendehnung und dynamischer Elastizitätsmodul des Graphiterzgesteins kann durch die Modellkurve gut widergespiegelt werden, was die Rationalität des in dieser Arbeit erstellten dynamischen Schädigungskonstitutivmodells beweist.

Ein genaueres konstitutives Modell kann durch die Kombination der statistischen Schadenstheorie und der Komponentenkombinationstheorie oder durch Ändern der Verteilungsfunktion der Schadensvariablen untersucht werden.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde vom National Key R&D Project of China (Grant No. 2020YFC1909602 und Grant No. 2021YFC2902901) und dem Key R&D Project der Provinz Hubei, China (Grant No. 2021BCA152) unterstützt.

School of Resources and Environment Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan, 430070, Hubei, China

Haiwang Ye, Xingwang Li, Tao Lei, Lifeng Li, Qizhou Wang und Ning Li

Hubei Key Laboratory of Mineral Resources Processing and Environment, Wuhan University of Technology, Wuhan, 430070, Hubei, China

Haiwang Ye, Tao Lei, Lifeng Li, Qizhou Wang und Ning Li

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HY und XL schrieben den Haupttext des Manuskripts, HY, TL und LL überarbeiteten das Manuskript. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Xingwang Li oder Tao Lei.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ye, H., Li, X., Lei, T. et al. Dynamische Reaktionseigenschaften und Schädigungsregel von Graphiterzgestein bei unterschiedlichen Dehnungsraten. Sci Rep 13, 2151 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28947-9

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Eingegangen: 02. November 2022

Angenommen: 27. Januar 2023

Veröffentlicht: 07. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28947-9

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