一种微波照射致使岩石细观组分升温与破裂的模拟方法

本发明涉及岩石破碎工程领域，具体涉及一种微波照射致使岩石细观组分升温与破裂的模拟方法。

背景技术：

1、岩石作为深部地下空间工程的载体，其破碎与挖掘一直是备受关注的研究主题。当遭遇强度高、磨蚀性强的硬岩或极硬岩(如花岗岩、辉长岩)时，传统的机械破岩设备已无法达到理想的破岩效率，且会显著增加刀具磨损和掘进成本。

2、为了提高机械破碎硬岩的效率，近年来微波辅助破岩技术因其能快速预致裂岩石并显著降低岩石强度，已成为广大科研工作者深入研究且具有应用前景的辅助破岩技术。在实验室中微波面照射岩石已取得了良好损伤致裂效果，然而，微波辅助破岩技术尚未在实际工程中得到应用推广，这主要是由于当前在微波面照射岩石机理研究中，对微波面照射条件下各种影响因素引起岩石损伤的机制尚不够清晰。

3、微波损伤岩石是通过吸收微波能量将电磁波能量转化为热能，进而驱动岩石损伤的物理过程。当前的研究主要集中在微波腔体照射和面照射下岩石宏观损伤规律的探索。然而，在细观尺度上，岩石是一种含有多类型造岩矿物的天然非均质地质材料。由于岩石中造岩矿物颗粒分布不均且波谱特性不同，微波作用于岩石会形成高梯度温度差和热膨胀差异等物理效应，这些效应会导致岩石材料中产生较高的局部热应力；当局部热应力超过岩石强度极限时，原岩中蕴含的微孔裂隙将进一步发育，从而实现弱化岩石整体力学性能的目的。传统的研究中忽略了岩石细观非均质差异性对微波作用于岩石的影响分析。

4、因此，从解释微波致裂岩石机理方面，需要研发一种细观非均质尺度下分析微波照射岩石的温度和力学效应的方法，并为突破微波辅助破岩技术在地下空间开发中的应用难题提供理论依据，推动微波辅助破岩技术走向应用。

技术实现思路

1、硬岩或极硬岩(如花岗岩、辉长岩)的细观结构中不同矿物组分分布造成局部介电特性、磁导率、电导率、热传导系数、热膨胀系数、损伤断裂韧度等关键物理参数具有较大的空间变异性，使得微波辐射下岩石内部呈现出非均匀的电磁场、温度场、应力场和损伤形态。本发明基于微波功率下岩石细观组分升温的差异性出发，考虑热传导效应、矿物组分细观力学差异和矿物边界细观力学差异条件下的岩石破裂特性，提供了一种微波照射致使岩石细观组分升温与破裂的模拟方法。

2、针对现有技术的不足，本发明采取的技术方案为：

3、一种微波照射致使岩石细观组分升温与破裂的模拟方法，包括以下步骤：

4、步骤1、选择矩形的岩石，用扫描仪扫描岩石试样的外表面得数字图像；

5、步骤2、利用matlab的图像处理技术对岩石试样的表面纹理图像进行rgb三通道多阈值分割，并用不同颜色代表不同的矿物组分，每种矿物组分生成一张图像；

6、步骤3、对每张图像中的矿物组分进行canny算子的边缘检测，得到每种矿物组分中颗粒边界，并输出为dxf格式的封闭多线段，且每种矿物组分为一个图层；

7、步骤4、在颗粒流计算软件中，按照岩石试样的尺寸生成边界wall(墙)，并随机在边界wall内生成种子点，依据种子点的坐标给定ball(球，颗粒流模型基本单元)颗粒的初始位置，通过给定ball颗粒的半径范围和颗粒流数值模型的初始孔隙率为10％-20％，进而生成由ball颗粒和wall构成的初始颗粒流数值模型，其中ball颗粒的半径比岩石的尺寸低2-3个数量级；

8、步骤5、对初始颗粒流数值模型进行力学平衡计算，得到均衡的颗粒流数值模型；

9、步骤6、按照步骤3中所分图层将dxf格式的封闭多线段导入到颗粒流数值模型中，并对每个ball颗粒的质心坐标进行遍历，如质心在该图层的封闭多线段内，则该ball颗粒为所在图层对应的矿物组分；

10、步骤7、设置ball颗粒之间的接触，ball颗粒之间接触分为单一矿物组分内部接触和不同矿物组分之间接触两大类；

11、步骤8、对矿物组分内部和不同矿物组分之间的接触边界选择linearpbond的固体力学本构模型，并对步骤7中提及的接触分别设定不同的固体力学参数和热力学参数；

12、步骤9、对不同的矿物组分选择thermalpipe热力学本构模型，并设置热力学参数，热阻热膨胀系数、比热；

13、步骤10、将颗粒流数值模型四周的wall进行删除，形成自由边界；

14、步骤11、根据微波辐射下岩石试样的升温规律施加温度荷载，由于不同矿物颗粒间有较强的吸波差异性，吸收微波能量后会转化成热量，为了模拟矿物颗粒的吸波差异性，给强吸波矿物施加随时间增加的温度值，不给弱吸波矿物施加温度荷载，弱吸波矿物的升温主要靠周围强吸波矿物升温后的热传导效应；

15、步骤12、随着矿物颗粒温度的增加，进而不同矿物组分之间产生差异性的膨胀、应变与应力；当应力大于矿物组分内部或矿物组分边界ball颗粒之间的抗拉或抗剪强度时，矿物颗粒内部或边界将产生裂纹；随着加载的继续进行，裂纹逐渐扩展，直到整个岩石形成贯穿裂纹。

16、作为改进的是，步骤1中所述岩石为三堡红花岗岩，岩石的表面尺寸为12cm×12cm，数字图像大小为350像素×350像素。

17、作为改进的是，步骤2中所述matlab的图像处理技术的具体步骤如下：首先，岩石的数字图像中任取1个像素行，并读取该像素行的rgb三通道的值；再结合图像中矿物组分的颜色，确定每种矿物组分所在r、g、b值的区间，并将矿物组分进行精确分割。

18、作为改进的是，步骤3中所述canny算子的边缘检测的具体步骤如下：首先，将每一种矿物组分进行单独的图像输出，图像仅含有一种颜色；然后，运用matlab中的edge函数对矿物组分颗粒进行canny算子边缘检测，确保颗粒边缘为封闭曲线；最后，将封闭的曲线输出为dxf格式多线段；重复以上步骤，将4种矿物组分颗粒的边界都输出为dxf格式多线段，每种矿物组分的边界在dxf文件中为一个单一图层。

19、作为改进的是，当检测的岩石为三堡红花岗岩时，ball颗粒之间的接触分为单一矿物组分内部接触(4组)和不同矿物组分之间接触(6组)两大类。具体分类方法为：对两个ball颗粒所属的矿物组分类型进行判断，如果两个ball颗粒都在钾长石组分内部则分属于kfeldspar contact组；如果两个ball颗粒都在钠长石组分内部则分属于nafeldsparcontact组；如果两个ball颗粒都在石英组分内部则分属于quartz contact组；如果两个ball颗粒都在黑云母组分内部则分属于biotite contact组；如果两个ball颗粒分别在钾长石和钠长石组分内部则分属于kfeldspar-nafeldspar contact组；如果两个ball颗粒分别在钾长石和石英组分内部则分属于kfeldspar-quartz contact组；如果两个ball颗粒分别在钾长石和黑云母内部则分属于kfeldspar-biotite contact组；如果两个ball颗粒分别在钠长石和石英组分内部则分属于nafeldspar-quartz contact组；如果两个ball颗粒分别在钠长石和黑云母组分内部则分属于nafeldspar-biotite contact组；如果两个ball颗粒分别在石英和黑云母组分内部则分属于quartz-biotite contact组。

20、进一步改进的是，所述热力学参数包括热阻、热膨胀系数、比热。

21、有益效果：

22、与现有技术相比，本发明一种微波照射致使岩石细观组分升温与破裂的模拟方法，具有如下优势：

23、1、本发明提供了微波照射条件下的岩石的升温与破裂行为的模拟是单向微波辐射岩石，比传统的微波腔体内辐射岩石的升温与破裂行为的分析更适合于工程岩石破碎的应用。例如，岩石隧道的掌子面仅单面暴露，仅能运用单向微波辐射进行岩石预致裂。

24、2、本发明能够提供微波照射条件下全时域全空域的岩石温度、膨胀、应力、破裂等物理行为，相比于物理试验难以捕捉到岩石膨胀及应力行为、并难以对物理行为进行全时域全空域捕捉。

25、3、本发明能够快速的依据岩石表面图像重建岩石真实的细观结构，并能够适用于多种岩石类型，比传统基于随机函数生成的细观结构模型的准确度更高。

26、4、本发明考虑了岩石材料与结构的复杂空间变异性，能够从细观层面解释微波照射下岩石的物理响应问题；从不同矿物组分之间吸波差异性这一本质出发，考虑不同矿物组分间升温差异、热传导差异、矿物颗粒力学参数差异、矿物边界力学参数差异，模拟微波照射下岩石细观结构的破裂规律。