다양한 변형률에 따른 흑연광석 암석의 동적 응답 특성 및 손상 규칙

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2151(2023) 이 기사 인용

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흑연 광산을 채굴하는 과정에서 암석은 다양한 변형률의 동적 반응을 수반하는 발파 또는 기계적 파쇄와 같은 동적 하중을 받는 경우가 많으며 발파 및 파쇄 효과는 암석의 동적 특성 및 손상 특성에 의해 영향을 받습니다. 다양한 변형율에서 흑연광석 암석의 동적 응답 특성과 손상 규칙은 매우 중요하지만 과거에는 거의 연구되지 않았습니다. 이러한 문제를 연구하고 흑연 광석 암석 채굴을 지원하기 위해 5가지 종류의 충격 압력 하에서 흑연 광석 암석의 동적 압축 시험을 설계하고 높은 충격 압력과 결합된 Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB) 시험 시스템을 사용하여 수행했습니다. 속도 사진 시스템 및 분쇄 선별 테스트. 다양한 변형율에 따른 흑연광석 암석의 동적 특성, 파쇄 과정, 파쇄 모드, 파쇄 형태 및 파편 분포를 분석하였다. 결과는 흑연 광석 암석의 동적 특성이 명백한 변형률 효과를 가지고 있음을 보여줍니다. 경화 계수(DIF)는 변형률 속도의 세제곱근과 양의 상관관계가 있고 연화 계수(K)는 변형률 속도의 세제곱근과 음의 상관관계가 있습니다. 전단 파괴는 주로 충격 하중을 받는 흑연 광석 암석에서 발생하며 파쇄 과정은 압축, 균열 발생, 균열 확장 및 침투, 파편 충돌 및 파편 낙하의 5단계로 나눌 수 있습니다. 또한, 파쇄된 블록은 주로 삼각뿔(또는 원추형)의 세립 및 분말이다. 흑연광석 암석의 부서진 조각은 프랙탈 기하학 특성과 일치합니다. 즉, 평균 파손 입자 크기(dS)는 변형률이 증가함에 따라 선형적으로 감소하고, 프랙탈 차원(Da)은 변형률이 증가함에 따라 약하게 증가합니다. DP 파괴 기준과 Weibull 분포 모델을 기반으로 흑연광석 암석의 동적 손상 구성 모델을 확립하고 변형률과 Weibull 분포 매개변수(m 및 F0) 간의 상관 관계를 사용하여 손상 구성 모델을 합리적으로 수정했습니다. 수정된 손상 구성 모델 곡선은 기본적으로 흑연 광석 암석의 동적 특성의 변형률 효과와 여러 단계의 동적 응력-변형률 곡선의 진화 특성을 반영할 수 있는 실험 곡선과 잘 일치합니다.

최근 신에너지, 신소재 산업의 부흥으로 흑연은 점차 국방, 항공우주, 신소재 분야에서 대체할 수 없는 중요한 원자재로 자리잡고 있습니다1. 국내외적으로 흑연자원의 활용이 지속적으로 증가하고 있으며, 흑연광산의 암석 역학적 특성을 명확하게 하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 따라서 흑연자원을 어떻게 안전하고 경제적이며 효율적으로 활용하느냐는 우리가 집중해야 할 중요한 문제이다. 우리 모두 알고 있듯이, 드릴링, 폭파, 기계적 파쇄 등을 포함한 채굴 과정에서 암석은 다양한 각도의 동적 하중을 받게 됩니다2. 이러한 동적 하중 하에서 암석의 변형률 범위는 101~103s−1이며 때로는 폭발로 인한 변형률이 104s−13,4에 도달할 수도 있습니다. 이러한 변형율 범위 내에서 암석은 정적 하중 하에서와는 다른 기계적 반응 특성과 손상 규칙을 나타냅니다. 이 경우 정역학 관련 이론을 이용하여 암석의 동적 성질을 연구하는 것은 명백히 부적절하다5,6,7. 따라서 광체 채굴의 고효율과 경제적인 파쇄과정을 실현하기 위한 흑연광산의 이론적 기초를 제공하기 위해서는 다양한 변형율에 따른 흑연광석의 동적 반응 특성과 손상 규칙에 대한 심층적인 연구가 필요하다.