循环冲击条件下磁铁矿石损伤特征研究

甘德清 田晓曦 高 锋 刘志义

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063009；2.河北省矿业开发与安全技术实验室，河北唐山063009）

长期以来，磁铁矿石一直是我国铁矿山的主要产品，是钢铁冶金行业的主要原料之一。破碎是磁铁矿石加工的主要作业方式，在实际破碎作业中，部分矿石承受循环冲击载荷，内部损伤累积至一定程度时才发生完全断裂，矿石粒度降低。这一过程中，矿石的运动、摩擦和反复冲击需要消耗较高的能量，导致单位矿石破碎能耗过高。因此，需要研究循环载荷条件下矿石损伤规律，为实现矿石有效破碎、降低破碎能耗提供理论依据。

在冲击条件下岩石损伤变化规律的研究中，国内外专家、学者做了诸多探讨。夏冬等［1］通过对饱水闪长岩进行循环加卸载的室内力学试验，得出随着循环次数及应力水平的增加，试样的不可逆变形逐渐增大，损伤度也逐渐增加。林大能等［2］通过对大理石试件进行模拟冲击加载，分别得到试件冲击损伤度与冲击次数、围压和动态荷载的相关性。李夕兵等［3］基于SHPB 试验装置分别对5 种不同龄期的混凝土进行循环冲击试验，提出早龄期混凝土在冲击荷载条件下的损伤度对入射能更敏感，破坏累积损伤与龄期等外界因素几乎无关。朱晶晶等［4］利用改进的大直径霍布金森压杆试验装置对花岗岩进行了单轴循环冲击试验，结果表明，随着循环冲击次数的增加，累积损伤逐渐增加，其前期增加速率比较平缓，最后一次冲击破坏累积损伤大幅度上升。吴迪等［5］采用一种简易的落锤装置，对砂岩进行循环冲击试验，得出当冲击能量相同时，随循环次数增加，累积损伤速率不断增加；当循环次数相同时，随着冲击能量越大累积损伤速率越大的结论。李地元等［6］通过改进的SHPB 冲击试验系统结合声发射装置对花岗岩进行循环冲击试验，得到在冲击完成后，随着吸收能的增加，试件的损伤量逐渐增大的结果。

目前在静态循环加载下探究岩石的力学特性及累积损伤的研究成果较为丰富，而循环冲击载荷作用下岩石的累积损伤规律尚处于起始阶段。因此，本文从磁铁矿石在循环载荷条件下破碎耗能过高的实际情况出发，采用落锤试验装置开展循环加载冲击试验，基于声波波速测量的方法确定每次冲击后的损伤值。推演磁铁矿石损伤至完全断裂的动态过程，分析能量对试件冲击损伤和破碎的本质作用，揭示损伤随能量和冲击次数变化的规律，以期为矿石破碎过程中单位能耗的降低提供理论依据。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

图1为落锤冲击试验装置示意图，该装置由提升系统、落锤冲击系统、数据采集与分析系统、操作控制系统和制动系统组成，可完成岩石落锤冲击破碎试验。

1.2 试验方法

1.2.1 吸收能

进行落锤冲击试验时，首先输入冲击高度和锤体质量，在平台上放置试样后，锤头下降至试样上表面进行测试。锤头上升至指定高度后，忽略与导柱之间的摩擦力，作近似自由落体运动，冲击试件。位移传感器记录底座运动的位移，光电速度传感器记录感应块通过传感器的时间，进而计算出冲击速度。在冲击的过程中，刹车护套确保锤头不会进行反弹动作，防止二次冲击。通过高速摄像仪测试锤头离开试件时的速度、通过位移计记录底座下降的最大位移，结合落锤质量、冲击高度和底座与盖板质量，根据文献［7］能量计算方法，计算试件每次冲击的吸收能。

1.2.2 损伤因子

落锤循环冲击磁铁矿石试件时，每次冲击后试件的损伤为累积损伤。通过损伤值与冲击次数、能量之间的关系可以直观反映材料破坏过程。用损伤前后纵波波速的改变定义损伤因子操作简单，理论与工程应用十分广泛用［8-11］，计算公式为

式中，C 为损伤后的纵波波速；C0为损伤前的纵波波速。

试件放置在承载盖板上，不施加其它载荷，每次冲击后方便取下测试损伤。在试件的上下、前后、左右三组对面上均匀布置四个测试点，冲击后每组对面测试4 次波速，每次冲击后共测试12 次波速，然后取平均值作为冲击损伤后的波速值。使用PCI-2 声发射仪测试试件的波速，为测试试件的实际波速，波速探头位置与测试方式如图2所示。

1.2.3 试样及试验参数的选取

试验所用锤体的质量为50 kg，磁铁矿石试件形状为立方体，边长约50 mm。实验室锤头的形状有圆柱形和球形两种，球形锤头冲击时冲击力与能量集中，锤头质量一定时，在较低的冲击高度下试件即发生破碎，可调的高度范围窄；而圆柱形锤头冲击立方体试件时，接触方式为面接触，加载方式为均匀加载，锤体质量一定时，在较高的冲击高度下试件才能破碎，可调的高度范围宽。因此，为分析不同冲击能量下磁铁矿石试件的损伤特征，选择圆柱形锤头进行不同高度条件下的循环冲击加载试验（见图3）。

由预试验结果可知，冲击高度小于0.3 m 时，圆柱形锤头需要冲击试件20次以上才断裂或者一直不破坏；冲击高度大于0.5 m 时，部分试件被冲击1～2次就发生断裂。为提高试验效率，选择循环冲击的高度为0.3 m、0.4 m、0.5 m。磁铁矿石试件参数及试验条件见表1。

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2 试验结果及分析

2.1 落锤循环冲击下磁铁矿石损伤过程的理论分析

为全面研究磁铁矿石落锤冲击破碎的能量特征，有必要探索低能量冲击作用下磁铁矿石的损伤过程和能量特征［12］。冲击能量较低时，岩石或矿石不能一次破碎，在多次冲击作用下才会完全断裂。用较低的能量循环冲击岩石或矿石试件时，在所用能量能够引起试件内部损伤的条件下，每次冲击试件都会产生新的损伤，新产生的损伤在上一次冲击损伤的基础上发展，即每次冲击后试件的损伤都是历史损伤的累积。试件承受冲击载荷时，矿物颗粒周围的能量达到颗粒表面能时才能引发颗粒运动，使裂隙萌生和扩展，由于一部分能量在试件中会以弹性波扩散的形式耗散，如果施加到单元体的能量小于单元体最低表面能，那么无论循环冲击多少次，试件都不会发生破坏。

裂隙的活动是岩石损伤的具体形式，新裂隙萌生时需要破坏晶体键或克服分子间的范德华力，所需要的能量大于原生裂隙扩展的耗散能。裂隙的扩展实际上是能量传递过程中在裂隙尖角位置聚集，破坏颗粒间黏聚力引发颗粒运动分离的表现，而裂隙的闭合则是能量向自由面释放时引起能量场内的颗粒向裂隙空间移动的行为，可见裂隙的闭合比裂隙扩展耗散的能量更少［13-15］。因此，在损伤发生的前提下，以较低的能量冲击岩石的初始阶段，试件内部以垂直载荷方向的裂隙压缩闭合为主，同时也会有少量的纵向裂隙扩展；随着冲击次数的增大，纵向扩展的裂隙数量增多，扩展范围逐渐增大，试件内部的损伤逐渐变大；当裂隙数量足够大并有裂隙发生交接时，裂隙扩展迅速，损伤发展速率增大，再以一定的能量冲击激发时，试件发生完全断裂。

综上分析，可假设在能够引起磁铁矿石内部损伤的能量范围内，落锤以较低的能量冲击磁铁矿石试件时，试件遵循上述损伤发展过程，并将损伤过程划分成初始损伤阶段、加速损伤阶段、断裂阶段，如图4所示。

2.2 磁铁矿石循环冲击损伤的变化特征

根据试验结果，绘制波速和损伤因子随冲击次数、累积吸收能的变化曲线，如图5～图7所示。

由图5 可知，磁铁矿石循环冲击加载的初始阶段，波速缓慢降低，对应的损伤因子也是缓慢上升，试件MP3-5和MP3-6在前几次冲击后波速和损伤因子几乎没有变化。这可能是因为试件内部纵向裂隙较少，能量主要作用于横向裂隙的压缩，还难以促进纵向裂隙的显著扩展。随着冲击循环的进行和累积吸收能的增大，波速降低和损伤因子增加的幅度逐渐增大，试件损伤速率加快。在临近断裂时，试件的波速和损伤因子变化的速率突然增大，出现了裂隙交接和贯通，再次冲击时，试件发生完全断裂。

由图6可知，在0.4 m 高度下冲击磁铁矿石，试件的波速随着循环冲击次数的增加而降低，曲线呈上凸型，即降低速率逐渐增大，且对于前两次的冲击其波速基本没有变化，破坏之前波速降低均在20%左右。在该高度下，试件的累积损伤随着循环冲击次数的增加而增大，曲线呈下凹型，即破坏前损伤因子增加较为平缓，最后一次冲击后，曲线斜率显著提高，其损伤增量占最终累积损伤的80%左右。

由图7 可知，磁铁矿石在0.5 m 的冲击高度下表现出和0.3 m、0.4 m 冲击高度下一致的损伤规律，随着冲击高度增大，试件完全断裂时的循环冲击次数和累计吸收能明显减少，波速降低和损伤因子增大的速率明显增大，这是由于冲击高度增大，冲击能和冲击速率增大，在较高的冲击能作用下试件单元体瞬时积聚的变形能大于表面能的概率增大。冲击速率增大时，能量以更快的速率在试件中耗散，激发缺陷周围颗粒振动，促进裂隙的扩展，从而加快试件的整体损伤。

综合图5～图7 可得，循环冲击次数越多，累计吸收能越大，当冲击高度较低，即冲击能和冲击速率较低时，磁铁矿石试件在破坏前吸能很少，大部分的冲击能以底座的弹性势能和声能等形式耗散，而当最后一次冲击时，冲击能则主要被试件所吸收，用于内部裂隙的扩展、发育，直至产生宏观破坏。

根据落锤循环冲击载荷下磁铁矿石的损伤曲线和损伤特征，在引起磁铁矿石内部损伤的能量范围内，以较低的能量进行循环冲击加载时，磁铁矿石依次经历了初始损伤阶段、加速损伤阶段和完全断裂阶段，与循环冲击损伤过程的理论分析结果一致。随着冲击次数和累计吸收能的增加，试件波速以负指数的规律降低，损伤因子以指数的规律增大，由此提出落锤循环冲击条件下磁铁矿石的3段损伤模型，如图8所示。

2.3 磁铁矿石循环冲击断裂的能量特征分析

统计磁铁矿石在不同冲击高度下，循环冲击加载完全断裂时的总吸收能和冲击次数，建立总吸收能、冲击次数与冲击高度的关系，见表2。

由表2 可知，锤体质量一定时，随着冲击高度的增大，磁铁矿石试件发生断裂的循环冲击次数和总能量降低，冲击高度增加至一定程度时，试件冲击1～2 次就会断裂。根据经验，在达到断裂高度后，继续增加冲击高度，试件就会发生过度破碎，且破碎程度随冲击高度的增加而增大。因此，在锤体质量和试件参数一定的条件下，存在使磁铁矿石恰好一次冲击完全断裂的冲击高度及其对应的矿石吸收能，为了便于表达和理解，将一次冲击条件下使磁铁矿石完全断裂的吸收能称为断裂性破碎能。矿石承受一次冲击的条件下如果吸收的能量小于断裂性破碎能，试件只发生损伤，不会破碎；反之，试件将发生超出完全断裂的破碎现象。这与理论分析的结果基本一致。

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3 结 论

本文采用落锤试验装置，研究了循环冲击条件下磁铁矿石损伤特征，主要结论如下：

（1）循环冲击载荷条件下，随着冲击次数和累计吸收能量的增大，纵波波速呈先缓慢降低后急剧降低，损伤因子呈先缓慢增加后急剧增加的变化趋势。试件完全断裂前，试件累积损伤出现剧烈增长的征兆。

（2）随着冲击高度的增大，纵波波速和损伤因子随冲击次数和累计吸收能量的变化愈加显著，循环载荷条件下，磁铁矿石的损伤过程表现出明显的冲击速率效应。

（3）研究结果将磁铁矿石循环冲击损伤至完全断裂的过程划分为初始损伤阶段、加速损伤阶段、断裂阶段三个阶段；随着冲击高度的增大，磁铁矿石发生断裂的总冲击次数和累计吸收能量降低，一定尺寸的磁铁矿石存在一次冲击断裂的最小能量。