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Caractéristiques de réponse dynamique et règle d'endommagement de la roche de minerai de graphite sous différents taux de déformation
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Caractéristiques de réponse dynamique et règle d'endommagement de la roche de minerai de graphite sous différents taux de déformation

Dec 16, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2151 (2023) Citer cet article

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Dans le processus d'extraction de la mine de graphite, la masse rocheuse est souvent soumise à des charges dynamiques telles que le dynamitage ou le concassage mécanique, ce qui implique des réponses dynamiques de différents taux de déformation, et les effets de dynamitage et de concassage sont affectés par les propriétés dynamiques de la roche et les dommages spéciaux. Les caractéristiques de réponse dynamique et la règle d'endommagement de la roche de minerai de graphite sous différents taux de déformation sont très importantes mais rarement étudiées dans le passé. Pour étudier ces problèmes et fournir un soutien à l'extraction de minerai de graphite, les tests de compression dynamique du minerai de graphite sous cinq types de pressions d'impact ont été conçus et réalisés en utilisant le système de test Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB), combiné avec le système de photographie à grande vitesse et les tests de criblage par concassage. Les caractéristiques dynamiques, le processus de concassage, le mode de concassage, la forme de concassage et la répartition de la fragmentation du minerai de graphite sous différentes vitesses de déformation ont été analysés. Les résultats montrent que les caractéristiques dynamiques de la roche de minerai de graphite ont un effet évident sur la vitesse de déformation. Le coefficient de durcissement (DIF) est corrélé positivement avec la racine cubique du taux de déformation, et le facteur de ramollissement (K) est corrélé négativement avec la racine cubique du taux de déformation. La rupture par cisaillement se produit principalement dans la roche de minerai de graphite sous charge d'impact, et le processus de concassage peut être divisé en cinq étapes, ce sont le compactage, l'initiation des fissures, l'expansion et la pénétration des fissures, la collision par fragmentation et la chute de la fragmentation. De plus, les blocs concassés sont principalement des pyramides triangulaires (ou en forme de cône) en granulés fins et en poudre. Les fragments brisés de la roche de minerai de graphite sont en accord avec les caractéristiques de la géométrie fractale. C'est-à-dire que la taille moyenne des particules brisées (dS) diminue linéairement avec l'augmentation de la vitesse de déformation, et la dimension fractale (Da) augmente faiblement avec l'augmentation de la vitesse de déformation. Sur la base du critère de fracture DP et du modèle de distribution de Weibull, le modèle constitutif de dommages dynamiques de la roche de minerai de graphite a été établi, et la corrélation entre le taux de déformation et les paramètres de distribution de Weibull (m et F0) a été utilisée pour modifier raisonnablement le modèle constitutif de dommages. La courbe du modèle constitutif des dommages modifiés est en bon accord avec la courbe expérimentale, qui peut essentiellement refléter l'effet du taux de déformation des caractéristiques dynamiques de la roche de minerai de graphite et les caractéristiques d'évolution de la courbe dynamique contrainte-déformation à différentes étapes.

Ces dernières années, avec l'essor de l'industrie des nouvelles énergies et des nouveaux matériaux, le graphite devient progressivement une matière première irremplaçable et importante dans les domaines de la défense nationale, de l'aérospatiale et des nouveaux matériaux1. Tant au pays qu'à l'étranger, l'exploitation des ressources en graphite ne cesse d'augmenter et il devient de plus en plus important de dégager les propriétés mécaniques de la roche de la mine de graphite. Par conséquent, comment exploiter les ressources en graphite de manière sûre, économique et efficace est une question importante sur laquelle nous devons nous concentrer. Comme nous le savons tous, dans le processus d'exploitation minière, y compris le forage, le dynamitage, le concassage mécanique, etc., la roche sera soumise à des charges dynamiques à différents degrés2. Sous ces charges dynamiques, la vitesse de déformation de la roche varie de 101 à 103 s−1, et parfois la vitesse de déformation causée par une explosion peut même atteindre 104 s−13,4. Dans ces plages de taux de déformation, la roche présentera des caractéristiques de réponse mécanique et une règle d'endommagement différentes de celles sous chargement statique. Dans ce cas, il est évidemment inapproprié d'étudier les propriétés dynamiques de la roche en utilisant des théories connexes de la statique5,6,7. Par conséquent, afin de fournir une base théorique à la mine de graphite pour réaliser la haute efficacité de l'extraction de corps minéralisés et du processus de concassage économique, il est nécessaire de mener des recherches approfondies sur les caractéristiques de réponse dynamique et la règle d'endommagement du minerai de graphite sous différents taux de déformation.

En tant qu'outil principal de test de performance dynamique des matériaux rocheux, le système Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) peut non seulement tester la relation entre la contrainte, la déformation et d'autres paramètres mécaniques des échantillons de roche et les taux de déformation, mais également obtenir les caractéristiques de rupture de la roche sous différents taux de déformation, ce qui fournit des matériaux de référence importants pour la pratique de l'ingénierie. Ainsi, le système SHPB a été largement concerné par les chercheurs de divers pays8. De nombreux chercheurs ont étudié les propriétés dynamiques de diverses roches à l'aide du système d'essai SHPB. Dans l'étude des caractéristiques dynamiques des roches, dès 1968, Kumar9 a introduit la technologie de test SHPB dans le test de résistance dynamique des roches et a étudié l'influence du taux de contrainte sur la résistance du basalte et du granit. Par la suite, certains chercheurs ont tenté d'utiliser le système SHPB pour tester la résistance dynamique des roches10,11,12,13,14,15. Et ils ont tous établi que la résistance dynamique de la roche augmente avec l'augmentation du taux de déformation. Sur la base de données de test abondantes, Li et al.16 ont conclu que la relation entre la résistance à l'écrasement de la roche et le taux de déformation est \(\sigma_{d} = A\dot{\varepsilon }^{B}\), où B est d'environ 0,3, tandis que la valeur de A varie selon la roche. Cette conclusion importante a été largement reconnue par les chercheurs dans le domaine de la dynamique des roches. Avec la maturité progressive de la technologie d'essai SHPB, de plus en plus d'essais de caractéristiques dynamiques de différentes roches ont été effectués. Ces études terminées par 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 montrent respectivement que la résistance dynamique de la roche a un effet évident sur la vitesse de déformation, ce qui est tout à fait cohérent avec la conclusion de Li et al.16. Cependant, à l'heure actuelle, il n'y a pas de conclusion très claire sur l'effet du taux de déformation sur les paramètres dynamiques de déformation maximale et de module élastique de la roche, ce qui pourrait être là où les recherches futures doivent percer.

Un problème important noté dans la littérature est que les tests SHPB rapportés se concentrent également sur les caractéristiques d'écrasement et le modèle constitutif d'endommagement de la roche. En ce qui concerne l'étude des caractéristiques de concassage dynamique de la roche, des expériences d'impact de magnétite sous différents taux de déformation ont été réalisées par Li et al.26, qui ont révélé la loi de distribution de la masse de magnétite sous charge dynamique, et obtenu la gamme raisonnable de taux de déformation pour réaliser le concassage de la magnétite. Huang et al.29 ont effectué le test SHPB d'un sol de ciment solidifié gelé, et l'influence de la vitesse d'impact sur les caractéristiques de rupture viscoplastique du sol de ciment gelé a été analysée. Wang et al.30 ont réalisé une étude sur les caractéristiques fractales du schiste à biotite de grenade sous charge d'impact, qui a fourni une excellente référence pour l'analyse du mécanisme de concassage dynamique, de la distribution de la taille des blocs de concassage et de la consommation d'énergie de concassage de la chaussée entourant la roche. Dans la recherche du modèle constitutif des dommages dynamiques de la roche, Zheng et al.31 ont établi un modèle constitutif des dommages statistiques de type résistance de la roche de charbon basé sur les propriétés mécaniques dynamiques. Grâce à la méthode du modèle combiné, un modèle constitutif dynamique des dommages au grès a été construit par Jiang et al.32, qui décrit avec précision les propriétés mécaniques dynamiques du grès sous impact. Hao et al.33 ont combiné la théorie des dommages continus avec la théorie de la force statistique et ont établi le modèle constitutif de force de la magnétite sous charge dynamique. Zhang et al.34 ont mené une enquête sur les caractéristiques d'endommagement et le modèle constitutif du grès profond sous des charges couplées de haute température et d'impact. Parce que ces modèles constitutifs dynamiques basés sur la force statistique ne sont pas difficiles à comprendre théoriquement et nécessitent moins de paramètres de résolution, ils sont plus concernés par les chercheurs et plus faciles à appliquer à la pratique de l'ingénierie.

Les résultats de recherche ci-dessus indiquent qu'avec le développement de l'ingénierie géotechnique moderne et la maturation du système d'essai SHPB, l'étude des propriétés dynamiques des roches a été plus approfondie et plus étendue. Cependant, la plupart des recherches sur les caractéristiques dynamiques des roches se concentrent sur les propriétés mécaniques pré-pic telles que la résistance maximale, la déformation maximale et le module d'élasticité dynamique, tandis que peu d'études sur les propriétés mécaniques post-pic. De plus, les études sur les caractéristiques dynamiques de fracture de la roche se concentrent principalement sur la relation entre la distribution de la fragmentation et les caractéristiques de consommation d'énergie, et moins d'études sont liées aux taux de déformation. Les propriétés mécaniques post-pic de la roche peuvent refléter la capacité portante résiduelle et la limite anti-déformation de la roche au stade ultérieur de la rupture sous charge, ce qui peut fournir des informations clés pour l'étude de nombreux risques techniques tels que les coups de toit et les effondrements de masse35. Compte tenu des caractéristiques de concassage de la roche du point de vue de l'effet du taux de déformation, la plage de taux de déformation raisonnable de la roche brisée peut être obtenue, ce qui peut fournir une base importante pour l'exploitation minière par dynamitage et le concassage mécanique de la roche. De plus, il existe des différences évidentes dans la composition minérale et les caractéristiques structurelles des différentes roches, et leurs règles d'endommagement et leurs relations constitutives doivent également être différentes. Par conséquent, il est toujours d'une grande importance de mener des études sur les caractéristiques de réponse dynamique et les règles d'endommagement de la roche de minerai de graphite sous différents taux de déformation.

S'appuyant sur le projet d'exploitation à ciel ouvert d'une mine de graphite à Luobei, dans la province du Heilongjiang, en Chine, des roches de minerai de graphite cristallin de haute qualité et de grande valeur ont été sélectionnées comme matériaux d'essai pour effectuer des essais de compression par impact SHPB sous différents taux de déformation. Les courbes contrainte-déformation de l'ensemble du processus de concassage dynamique ont été obtenues et l'effet du taux de déformation des caractéristiques dynamiques pré-pic et post-pic a été analysé. Dans le même temps, les caractéristiques de concassage dynamique de la roche de minerai de graphite ont été décrites avec précision par un système de photographie à grande vitesse et un test de dépistage du corps de concassage. Sur la base des résultats de l'analyse statistique, la loi de distribution des grumeaux de concassage de la roche de minerai de graphite sous différents taux de déformation a été explorée. En outre, combiné avec le critère de fracture DP et le modèle de distribution de Weibull, le modèle constitutif de dommages dynamiques de la roche de minerai de graphite a été établi, et le modèle constitutif de dommages a été modifié en utilisant la corrélation entre le taux de déformation et les paramètres de distribution de Weibull (m et F0). On s'attend à ce que la recherche puisse révéler les caractéristiques de réponse dynamique et la règle d'endommagement de la roche de minerai de graphite, de manière à faciliter l'exploitation efficace et raisonnable de la mine de graphite.

Le matériau rocheux utilisé dans ce test provient d'une mine de graphite à Luobei, dans la province du Heilongjiang, en Chine, et l'échantillon de roche est un minerai de graphite cristallin de haute qualité. La roche brute de minerai de graphite a été obtenue du site minier et les échantillons ont été traités selon les procédures de forage, de coupe, de meulage frontal et de mesure de nivellement. Afin de réduire l'influence de la discrétion et de l'anisotropie sur les propriétés mécaniques de la roche, les échantillons d'essai ont été prélevés sur la même roche brute. Selon la norme Engineering Rock Mass Test Method Standard (GBT50266-2013)19 et ISRM2, les échantillons de test ont été transformés en cylindres d'un diamètre de 50 mm et d'une hauteur de 50 mm. Les échantillons d'essai sont illustrés à la Fig. 1 et les paramètres mécaniques de base des échantillons de roche minérale sont répertoriés dans le Tableau 1.

Échantillons de roche de minerai de graphite.

Dans le tableau 1, σc est la résistance à la compression uniaxiale, E est le module d'élasticité, μ est le coefficient de Poisson, C est la force de cohésion, φ est l'angle de frottement interne.

Le système SHPB adopté dans ce test est illustré à la Fig. 2, qui est principalement composé d'un dispositif de surpression, d'une chambre à air à haute pression, d'une cavité de lancement, d'une balle, d'une barre incidente, d'une barre de transmission, d'une jauge de contrainte super dynamique, d'un dispositif tampon, d'une caméra haute vitesse et d'un ordinateur (système d'acquisition et d'analyse de données). La barre incidente et la barre de transmission sont en 18Ni, dont le module d'élasticité et la vitesse d'onde longitudinale sont respectivement de 190 GPa et 4900 ms−1. La barre incidente et la barre de transmission ont toutes deux une longueur de 2000 mm et un diamètre de 50 mm. La balle mesure 400 mm de long et 50 mm de diamètre.

Système expérimental SHPB utilisé dans cet article. (a) Vue schématique du système expérimental SHPB ; (b) Carte physique du système expérimental SHPB.

Selon les conditions d'homogénéisation du système SHPB et la théorie des ondes de contrainte élastique unidimensionnelle, la méthode à trois ondes a été utilisée pour traiter les données de test. Les signaux de forme d'onde mesurés et enregistrés par jauge de contrainte et jauge de contrainte ultra-dynamique ont été analysés et calculés statistiquement, et les paramètres dynamiques des échantillons, y compris la contrainte \(\sigma\), la contrainte \(\varepsilon\) et la vitesse de déformation \(\dot{\varepsilon }\) ont été obtenus. Le principe de la méthode à trois ondes36 peut être exprimé par les Eqs. (1)–(3).

où \(\sigma_{I} \left( t \right)\),\(\sigma_{R} \left( t \right)\),\({ }\sigma_{T} \left( t \right)\) sont respectivement la contrainte incidente, la contrainte de réflexion et la contrainte de transmission correspondant à t à un certain instant ; \(\rho_{e} C_{e}\) est l'impédance d'onde de la tige élastique ; \(L_{s}\) est la longueur de l'échantillon ; \(A_{e}\) et \(A_{s}\) sont respectivement les aires de section transversale de la tige élastique et de l'échantillon.

Une fois le broyage de l'échantillon terminé, le tamis à trous carrés avec huit tailles de 40–50 mm, 31,5–40 mm, 20–31,5 mm, 16–20 mm, 10–16 mm, 5–10 mm, 2,5–5 mm et < 2,5 mm ont été utilisés respectivement pour cribler les fragments des échantillons cassés. Une balance électronique de haute précision a été utilisée pour peser et enregistrer la masse des fragments de chaque classe de taille après criblage. Le tamis à trous carrés et la balance électronique de haute précision adoptés dans ce test sont illustrés à la Fig. 3.

Tamis à trous carrés et balance électronique de haute précision.

Avant le test, afin de réduire l'influence de l'effet de frottement de la face d'extrémité sur les résultats du test, du beurre a été uniformément réparti sur l'extrémité de contact de l'échantillon et de la tige, et l'échantillon et la tige étaient en contact étroit. Ensuite, la balle a été renvoyée au fond de la chambre à air pour s'assurer que la balle a été tirée à partir de la même position à chaque test. Après cela, la pression d'impact a été ajustée successivement à 0,2 MPa, 0,3 MPa, 0,4 MPa, 0,5 MPa et 0,6 MPa pour terminer le test de charge d'impact. Afin de réduire la discrétion des données, cinq échantillons ont été préparés pour chaque groupe de pression d'impact, et trois échantillons à faible dispersion ont été sélectionnés dans chaque groupe pour analyser les résultats des tests. Les paramètres dynamiques des échantillons de roche de minerai de graphite obtenus par les essais d'impact sont répertoriés dans le tableau 2.

Dans le tableau 2, P est la pression d'impact, \(\dot{\varepsilon }\) est le taux de déformation moyen, \(\sigma_{d}\) est la résistance à la compression dynamique, Ed est le module d'élasticité dynamique, \(\varepsilon_{d}\) est la déformation maximale, \(\varepsilon_{0}\) est la déformation lorsque l'échantillon s'écarte du segment élastique linéaire, \(\varepsilon_{max}\) est la déformation limite , DIF est le facteur de durcissement et K est le facteur de ramollissement. Ici, Ed est la pente d'une droite approximative proche de 0,5 \(\sigma_{d} \user2{ }\) dans la courbe contrainte-déformation, et le coefficient de durcissement DIF et le facteur de ramollissement K sont calculés à partir des équations. (4) et (5)26.

Les courbes contrainte-déformation peuvent non seulement refléter les propriétés mécaniques des matériaux rocheux, mais aussi décrire avec précision les caractéristiques d'évolution de la roche à chaque étape du processus de chargement. Parallèlement, ils peuvent également expliquer le mécanisme de rupture des matériaux rocheux du point de vue de l'énergie, qui est le principal moyen d'étudier le comportement mécanique de la roche. La figure 4 montre les courbes contrainte-déformation typiques d'échantillons de minerai de graphite.

Courbes typiques de contrainte-déformation d'échantillons de minerai de graphite à différents taux de déformation.

Selon les caractéristiques des courbes, les courbes de contrainte-déformation peuvent être divisées en l'étape de compactage (I), l'étape d'élasticité linéaire (II), l'étape d'évolution de la fissure (III) et l'étape de déchargement (IV). Où, l'étape élastique linéaire fait référence à l'étape dans laquelle la pente de la courbe contrainte-déformation reste fondamentalement inchangée, et l'étape d'évolution de la fissure fait référence à l'étape de la courbe entre la valeur de déformation lorsque la courbe contrainte-déformation s'écarte de l'étape élastique et la valeur de déformation maximale. En prenant la courbe contrainte-déformation avec le taux de déformation de 205,963 s-1 comme exemple, la courbe contrainte-déformation entre rapidement dans la phase élastique linéaire après une phase de compactage très courte, puis entre dans la phase d'évolution de la fissure et la phase de déchargement. Les courbes contrainte-déformation à d'autres taux de déformation peuvent également être divisées en quatre étapes ci-dessus.

Mais sous différentes vitesses de déformation, les caractéristiques d'évolution des courbes contrainte-déformation sont évidemment différentes à chaque étape. Dans le stade élastique linéaire d'une courbe, la pente diminue avec l'augmentation de la vitesse de déformation dans une certaine mesure, ce qui indique que l'augmentation de la vitesse de déformation affaiblit légèrement la capacité anti-déformation du minerai de graphite. Cette conclusion est conforme à la littérature37. Pendant ce temps, du point de vue de la résistance maximale et de la force de ramollissement de suivi (la force de ramollissement de suivi se réfère ici à la force portante du corps cassé après que l'échantillon est soumis à la charge d'impact, qui peut être comprise comme la capacité du corps cassé à résister à une charge externe lorsque la barre incidente a un impact secondaire sur l'échantillon cassé), avec l'augmentation du taux de déformation, la résistance de pointe augmente progressivement, mais la force de ramollissement de suivi diminue progressivement. De plus, la déformation ultime pouvant être atteinte augmente progressivement avec l'augmentation de la vitesse de déformation. Il s'agit d'un phénomène évident d'adoucissement post-pic. Les phénomènes ci-dessus indiquent que les caractéristiques dynamiques de la roche de minerai de graphite ont un effet évident sur la vitesse de déformation, non seulement dans la phase pré-pic, mais également dans la phase post-pic. Afin d'expliquer davantage ces phénomènes, le coefficient de durcissement (DIF) et le facteur de ramollissement (K) seront utilisés pour analyser et discuter les caractéristiques dynamiques de la roche de minerai de graphite ci-dessous.

Pour l'effet du taux de déformation des caractéristiques mécaniques dynamiques de la roche, Li et al.8 ont constaté que la résistance à la compression dynamique \(\sigma_{d}\) est approximativement proportionnelle à la \(\dot{\varepsilon }^{\frac{1}{3}}\) sur la base d'un grand nombre de données d'essai. Hao et al.38 ont proposé l'utilisation du coefficient de durcissement DIF (le rapport de la résistance dynamique à la résistance statique) pour évaluer plus en détail la règle de variation de la résistance dynamique de la roche sous différents taux de déformation. Selon les résultats des deux chercheurs, DIF et \(\dot{\varepsilon }^{\frac{1}{3}}\) sont ajustés pour obtenir la relation fonctionnelle entre eux, comme le montre l'équation. (6). Et la courbe ajustée est illustrée à la Fig. 5.

Le coefficient de durcissement DIF change avec \({ }\dot{\varepsilon }^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 3}} \right. \kern-0pt} 3}}}\).

L'équation (6) montre que le DIF a toujours une relation linéaire avec le \(\dot{\varepsilon }^{\frac{1}{3}}\) avec un degré élevé d'ajustement du coefficient de corrélation R2 de 0,984. Cela démontre parfaitement la variation du DIF avec le \(\dot{\varepsilon }^{\frac{1}{3}}\). L'équation (6) illustre également que le DIF des échantillons de roche de minerai de graphite a un effet évident sur le taux de déformation, qui est la réponse mécanique du matériau rocheux causée par la transformation d'un état de contrainte unidimensionnel à un état de déformation unidimensionnel2. Autrement dit, avec l'augmentation du taux de déformation, le nombre de fissures dans la roche augmente en conséquence, ce qui nécessite beaucoup d'énergie pour entraîner l'extension et la pénétration des fissures. Le temps de chargement est si court que la roche n'a pas assez de temps pour achever l'accumulation, la conversion et la libération d'énergie. Ainsi, ce n'est qu'en améliorant constamment la capacité portante que la roche peut résister à la charge externe. Cependant, sous charge statique, la roche dispose d'un temps relativement long pour achever l'accumulation, la conversion et la libération de l'énergie interne, et la résistance à la compression statique de la roche ne fluctue qu'autour d'une certaine valeur stable en raison de l'influence de la différence inhérente de la roche. Par conséquent, le DIF augmente avec l'augmentation de la vitesse de déformation.

Des études ont montré que les matériaux rocheux se ramollissent dans une certaine mesure avec l'augmentation du taux de déformation. En se référant à la conclusion de recherche de Li et al.26, sous charge d'impact, la proportion relative de la plage élastique de la roche dans toute la plage de déformation diminue progressivement avec l'augmentation du taux de déformation. Par conséquent, le rapport de la plage de déformation élastique à la plage de déformation globale peut être appelé le facteur de ramollissement de la roche K. Selon l'équation. (5), K est compris entre 0,117 et 0,204, comme le montre le tableau 3. Selon les caractéristiques de variation de K avec la vitesse de déformation, la relation fonctionnelle entre K et \(\dot{\varepsilon }^{\frac{1}{3}}\) est obtenue par ajustement de courbe, comme le montre l'équation. (7). Et la courbe ajustée est illustrée à la Fig. 6.

Le facteur d'adoucissement K change avec \({ }\dot{\varepsilon }^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 3}} \right. \kern-0pt} 3}}}\).

Comme on peut le voir à partir de l'Eq. (7) et Fig. 6, avec l'augmentation de la vitesse de déformation, le K diminue progressivement. C'est-à-dire que le degré de ramollissement s'approfondit progressivement. Dans la courbe contrainte-déformation illustrée à la Fig. 3, la résistance au ramollissement suivante diminue progressivement et la déformation ultime augmente progressivement. Une conclusion peut être tirée qu'avec l'augmentation du taux de déformation, les valeurs relatives de la déformation élastique-plastique et de la déformation plastique inhomogène des échantillons de minerai augmentent progressivement, et le degré de concassage des échantillons de minerai s'approfondit également.

La caméra à grande vitesse est l'un des outils importants utilisés pour observer le processus de fracture dynamique des échantillons de roche. L'équipement utilisé dans l'expérience de photographie à grande vitesse était l'appareil photo numérique à grande vitesse FASTCAM-SA1.1 produit par Photron Company. L'appareil photo a une vitesse et une résolution de prise de vue élevées, qui peuvent atteindre une vitesse de prise de vue de 5400 ips sous la résolution plein cadre de 1024 × 1024, et prendre jusqu'à 675 000 ips à une résolution réduite. La résolution de 320 × 320 a été adoptée dans ce test et la fréquence d'image a été fixée à 10 000 ips. Selon les caractéristiques d'image enregistrées par la caméra photographique à grande vitesse, le processus de défaillance des échantillons peut être divisé en cinq étapes, comme indiqué dans le tableau 3.

Étape de compactage. L'échantillon est juste impacté, ce qui entraîne une courte et petite déformation de retrait. L'échantillon passe rapidement de l'étape de compactage des microfissures à l'étape d'initiation des microfissures, mais aucune fissure macroscopique n'est formée à ce stade.

Phase d'amorçage de la fissure. Des fissures de cisaillement apparaissent dans l'échantillon. Les fissures de cisaillement partent de l'éprouvette près de l'extrémité de la barre, puis se propagent dans la direction axiale et s'accompagnent d'un petit nombre de fissures secondaires.

Stade de croissance et de transfixion des fissures. Des fissures secondaires continuent de se développer. Les fissures de cisaillement s'étendent le long de la direction axiale et commencent à s'étendre le long de la direction circonférentielle de l'échantillon. Dans le même temps, les fissures de cisaillement s'élargissent considérablement, convergent et se transfixent avec les fissures secondaires, de sorte que l'échantillon est découpé en fragments de différentes tailles de particules. À ce stade, la barre incidente commence à se séparer de l'échantillon.

Le stade de collision des fragments. La barre incidente et l'échantillon sont complètement séparés, et les fragments après impact sont éclaboussé à l'extrémité de la barre de transmission à une certaine vitesse initiale. En raison de la vitesse initiale différente des fragments, dans ce processus, les fragments entreront en collision et se comprimeront, et l'échantillon sera davantage brisé.

Le stade de chute des fragments. La barre incidente et la barre de transmission sont complètement séparées de l'échantillon. Et l'échantillon brisé retombe sous l'action de la gravité et accompagné d'une petite quantité de poudre de roche.

Lorsque la barre incidente et la barre de transmission entrent à nouveau en contact, le test d'impact est terminé.

Les figures 7a et b décrivent le mode de broyage et la forme de broyage des échantillons. En termes de mode de concassage, le concassage d'un échantillon est principalement une rupture par cisaillement, ce qui est cohérent avec la conclusion de la littérature39. Sous l'action de la charge de contrainte, la déformation de dilatance d'un échantillon commence, suivie de fissures macroscopiques, qui partent de la partie d'un échantillon proche de l'extrémité de la barre incidente et s'étendent jusqu'à l'extrémité de la barre de transmission. L'onde de contrainte se propage dans les deux sens entre la barre incidente, l'échantillon et la barre de transmission. L'énergie transportée par l'onde de contrainte provoque l'expansion, l'extension, la convergence et la fusion des fissures jusqu'à ce que l'échantillon perde complètement sa capacité portante. Lorsque la pression d'impact augmente, la vitesse de déformation augmente et la vitesse d'initiation de la fissure, l'angle d'initiation de la fissure et le nombre de fissures changent évidemment. En général, avec l'augmentation du taux de déformation, la vitesse d'initiation des fissures est accélérée, l'angle d'initiation des fissures est progressivement réduit et le nombre de fissures est progressivement augmenté. En termes de caractéristiques macroscopiques de broyage, la taille de broyage des échantillons diminue progressivement.

Schéma de principe du mode de concassage et de la forme de concassage (a) mode de concassage ; (b) forme d'écrasement.

En termes de forme broyante, les fragmentations broyées sont principalement de forme pyramidale triangulaire (ou conique), à ​​grains fins et pulvérulents, ce qui est principalement lié aux caractéristiques des fissures de cisaillement. Au début de la fissure, il y a un angle entre la fissure de cisaillement et la direction axiale. La direction d'extension de la fissure ne change pas de manière significative jusqu'à ce que la lithologie et la structure de la roche changent ou que la fissure initiale converge ou pénètre avec d'autres fissures. À ce moment, la direction d'extension de la fissure se décale, se tord ou se retourne, de manière à former un réseau de fissures à géométrie triangulaire. Lorsque l'échantillon cassé est coupé en fragments granulaires fins tripamidal (ou coniques), les fragments pulvérisés seront formés en raison des comportements de fissuration des fissures, de dislocation du plan de cisaillement et de collision des fragments, etc.

Grâce au test de dépistage, la proportion de distribution de fragmentation dans différents intervalles de taille de particules a été obtenue. La figure 8 montre le diagramme de tamisage des fragments d'échantillon à différents taux de déformation. Le pourcentage de masse cumulée de chaque taille de particule sur l'écran a été compté, et la taille moyenne des particules brisées et la dimension fractale ont été calculées, comme indiqué dans le tableau 4. Et les caractéristiques de distribution de fragmentation des échantillons de roche de minerai de graphite sous différents taux de déformation ont été analysées.

Diagramme de tamisage de fragments d'échantillon à différentes vitesses de déformation.

Comme on peut le voir sur la figure 9, avec l'augmentation de la vitesse de déformation, la proportion de fragments de taille comprise entre 31,5 et 50 mm diminue progressivement, laquelle des fragments de taille inférieure à 16 mm augmente progressivement. Cependant, la proportion de fragments entre 16 et 31,5 mm n'a pas de changement évident avec le taux de déformation, ce qui indique que le taux de déformation a un effet plus évident sur le volume et le pourcentage de poudre. Afin d'évaluer quantitativement l'effet de la vitesse de déformation sur la distribution granulométrique des fragments, la taille moyenne des particules brisées (ds) et la dimension fractale (Da) ont été utilisées pour une analyse plus approfondie.

Pourcentage cumulé de fragments de tailles différentes.

La taille moyenne des particules brisées \(d_{s}\) est définie pour refléter le degré de brisure de la roche de minerai de graphite, comme indiqué dans l'équation. (8):

où \(d_{s}\) est la taille moyenne des particules brisées, \(r_{i}\) est le pourcentage de masse des fragments lorsque le diamètre de la maille est \(d_{i}\) et \(d_{i}\) est la médiane de la qualité de la taille de la maille. Par exemple, \(d_{i}\) = 45 mm lorsque le maillage est de 40 à 50 mm.

La fonction puissance, la fonction exponentielle négative et la fonction linéaire sont utilisées pour ajuster la relation entre \(d_{s}\) et \(\dot{\varepsilon }\), respectivement. On constate qu'il existe une bonne relation linéaire négative entre \(d_{s}\) et \(\dot{\varepsilon }\), comme le montre la Fig. 10. Cela indique qu'un plus grand nombre de fissures de rupture activées par un taux de déformation plus élevé conduit à un degré de rupture plus complet de l'échantillon.

Relation entre la taille moyenne des particules brisées et le taux de déformation.

La relation de distribution masse-taille a été utilisée pour calculer la dimension fractale Da, comme indiqué dans les équations. (9) et (10).

où \(r\) est la taille de tamis standard, \(M\left( r \right)\) est la masse cumulée des fragments de diamètre inférieur à \(r\), M(t) est la masse totale des fragments d'échantillon, \(\alpha\) est l'indice de distribution masse-taille des fragments brisés de minerai de graphite. La figure 11 montre un nuage de points dans un système de coordonnées cartésien utilisant \(lg\left[ {M\left( r \right)/M\left( t \right)} \right]\) comme ordonnée et \(lg\left( r \right)\) comme abscisse. La pente de la ligne obtenue est \(\alpha\), et les résultats de calcul de \(\alpha\) et \(D_{a}\) sont répertoriés dans le tableau 5.

Courbe caractéristique granulométrique cumulée logarithmique totale (partie).

Comme le montre le tableau 5, Da des échantillons de roche de minerai de graphite sous compression par impact se concentre entre 1,5 et 2,2, et dans la plage de taux de déformation de 95 à 110 s-1, Da est compris entre 1,5 et 1,7, indiquant qu'il y a des fragments brisés à grande échelle après le broyage des échantillons et que le broyage des échantillons n'est pas complet. A ce moment, la vitesse de déformation a une influence évidente sur Da. Lorsque le taux de déformation est compris entre 160 et 240 s−1, Da est compris entre 1,9 et 2,2, ce qui indique que les fragments d'échantillon sont essentiellement dans un intervalle à petite échelle et que le broyage des échantillons est relativement complet. A ce moment, l'effet de la vitesse de déformation sur Da est affaibli. Selon le tableau 6, la règle de variation de la dimension fractale de la roche de minerai de graphite avec le taux de déformation est illustrée à la Fig. 12, et la relation de fonction entre eux obtenue par ajustement de courbe est illustrée à l'Eq. (11).

Courbe de dimension fractale avec taux de déformation.

Comme le montre l'éq. (11) et Fig. 12, la vitesse de déformation augmentant progressivement, Da augmente progressivement, indiquant que la proportion de fragments brisés dans la masse totale des échantillons à grande échelle diminue progressivement. Le degré de rupture des échantillons devient plus profond et la fragmentation devient plus petite. Mais lorsque la vitesse de déformation augmente dans une certaine mesure, Da change peu. L'influence du taux de déformation sur le degré de rupture des échantillons n'est pas significative, ce qui signifie que même le taux de déformation est augmenté à ce moment, l'objectif attendu d'intensifier le degré de rupture de l'échantillon ne peut pas être atteint. Ceci est cohérent avec le phénomène selon lequel l'augmentation de la charge ou l'utilisation d'explosifs à haute performance a un effet limite sur l'augmentation du degré de fragmentation de la roche dans l'ingénierie de dynamitage pratique. En conclusion, Da peut mieux refléter le degré de concassage des échantillons à différents taux de déformation et a une meilleure signification de guidage pour déterminer le taux de déformation raisonnable requis par le concassage de la masse rocheuse.

Il existe un grand nombre de défauts distribués de manière aléatoire dans les matériaux rocheux, ce qui rend la forme et la résistance des micro-éléments rocheux très différentes. En raison du grand nombre de ces micro-éléments de formes et de résistances différentes, il est impossible de les décrire un par un. Par conséquent, les méthodes statistiques ne peuvent être utilisées que pour les étudier.

En supposant que la résistance des micro-éléments de la roche suit la distribution de Weibull, sa fonction de densité de probabilité peut être exprimée par l'équation. (12).

où \(P\left( x \right)\) est la fonction de distribution de la résistance des micro-éléments rocheux, \(x\) est la variable de distribution de la distribution aléatoire de la résistance des micro-éléments rocheux, et, \(m\) et \(F_{0}\) sont des paramètres de distribution.

On suppose que la roche est composée d'un grand nombre de microparticules contenant des microfissures et autres défauts. La taille est suffisamment grande au sens spatial, mais suffisamment petite au niveau mécanique, et elle peut être considérée comme une particule avec les propriétés suivantes : (1) Le matériau rocheux est isotrope au niveau macro et le corps endommagé a des caractéristiques isotropes ; (2) Le micro-élément avant rupture présente une élasticité linéaire et la relation contrainte-déformation obéit à la loi de Hooke ; (3) le niveau de résistance des micro-éléments x obéit à la distribution de Weibull, la fonction de densité de probabilité P(x) comme indiqué dans l'Eq. (12).

La variable d'endommagement D est définie pour refléter le degré d'endommagement de la roche. Le degré d'endommagement est lié au nombre de défauts contenus dans le micro-élément rocheux, ce qui affecte directement la résistance des micro-éléments rocheux. Sous une certaine charge, la variable statistique d'endommagement peut être mesurée du point de vue du nombre de micro-éléments de rupture, à savoir :

où D est la variable statistique d'endommagement sous charge, Nf est le nombre de micro-éléments endommagés et N est le nombre total de micro-éléments.

En supposant que la résistance au moment de la rupture des micro-éléments rocheux est F, et à tout intervalle [F,F + dF], lorsque la charge externe passe de 0 à F, l'Eq. (13) peut être obtenu.

De plus, l'éq. (14) peut s'exprimer comme suit.

Selon l'hypothèse d'équivalence des déformations de Lemaitre40, la relation constitutive de l'endommagement de la roche peut être établie comme suit.

où σ est la contrainte nominale, σ* est la contrainte effective, E est le module d'élasticité, ε est la déformation maximale et D est la variable d'endommagement.

Selon le critère de rupture DP, la rupture de la roche satisfait l'Eq. (17).

où \(\alpha_{0} = \sin \varphi /\sqrt {9 + 3sin^{2} \varphi }\), φ est l'angle de frottement interne de la roche, I1, J2 sont respectivement le premier invariant du tenseur de contrainte effectif et le second invariant de l'offset de contrainte effectif, et il y en a comme suit.

Dans l'essai triaxial conventionnel de la roche, on peut mesurer la contrainte nominale σ1, σ2, σ3 (σ2 = σ3) et ε1, la contrainte effective correspondante pour σ1*, σ2*, σ3* (σ2* = σ3*). Module d'élasticité de la roche et coefficient de Poisson de E et μ, respectivement. Les équations suivantes peuvent être obtenues à partir de la loi de Hooke.

De plus, les équations suivantes peuvent être obtenues.

Dans cet essai, l'échantillon de roche est soumis à une compression d'impact uniaxiale, donc \(\sigma_{2} = \sigma_{3} = 0\) et \(\varepsilon_{1} = \varepsilon\). On peut voir à partir du tableau 1 que \(\varphi = 29,50^\circ\), donc Eq. (17) peut s'écrire comme suit.

Combiner les éq. (15), (16) et (25), la relation constitutive de la résistance des micro-éléments rocheux soumis à la distribution de Weibull peut être obtenue, représentée par l'Eq. (26).

Selon l'éq. (26), le modèle constitutif d'endommagement de la roche peut être obtenu après avoir déterminé m et F0. Dans l'essai de compression par impact uniaxial, m et F0 peuvent être déterminés par le point de résistance maximale \(C\left( {\varepsilon_{d} ,\sigma_{d} } \right)\) et le module d'élasticité Ed des courbes contrainte-déformation. La pente au point de force maximale \(C\left( {\varepsilon_{d} ,\sigma_{d} } \right)\) est 0, donc l'Eq. (27) peut être obtenu.

Pendant ce temps, \(\sigma_{d}\) au point de crête \(C\left( {\varepsilon_{d} ,\sigma_{d} } \right)\) satisfait la relation de l'équation. (28).

De l'éq. (27) et Éqs. (28), (29) et éq. (30) peut être obtenu comme suit.

En substituant les données du tableau 3 dans les équations. (29) et (30), les résultats de calcul des paramètres m et F0 sont répertoriés dans le tableau 6. On peut constater que les paramètres de distribution (m et F0) sont significativement corrélés avec la vitesse de déformation. Des diagrammes de dispersion ont été dessinés avec m et F0 en ordonnée et le taux de déformation en abscisse et un ajustement non linéaire a été effectué, comme le montrent les Fig. 13 et 14. Les relations d'ajustement de m et F0 avec le taux de déformation ont été obtenues comme indiqué dans les équations. (31) et (32).

Relation d'ajustement entre m et le taux de déformation.

Relation d'ajustement entre F0 et le taux de déformation.

Substitution d'éqs. (31) et (32) dans l'équation. (26), le modèle constitutif d'endommagement dynamique modifié de la roche de minerai de graphite peut être obtenu, comme le montre l'équation. (33).

Le modèle constitutif d'endommagement dynamique modifié a été utilisé pour calculer les courbes théoriques contrainte-déformation du minerai de graphite à différents taux de déformation, qui ont été comparées aux courbes expérimentales, comme illustré à la Fig. 15. En comparant la courbe du modèle constitutif de la roche de minerai de graphite avec la courbe d'essai à différents taux de déformation, on peut voir que la courbe du modèle constitutif établie dans cet article a une relativement bonne cohérence avec la courbe d'essai (coefficient de corrélation R2 > 0,81). Après avoir raisonnablement modifié le modèle constitutif en établissant la corrélation entre les paramètres de distribution de Weibull (m et F0) et les taux de déformation, l'effet du taux de déformation de la contrainte maximale, de la déformation maximale et du module d'élasticité dynamique de la roche de minerai de graphite peut être bien reflété par la courbe du modèle. Bien qu'il existe des écarts locaux entre la courbe du modèle et la courbe expérimentale, les caractéristiques des limites de la courbe telles que la déformation maximale et la contrainte maximale sont en bon accord avec les résultats expérimentaux, ce qui indique la rationalité du modèle.

Courbes théoriques et courbes expérimentales du minerai de graphite sous différentes vitesses de déformation.

Les propriétés mécaniques dynamiques, les caractéristiques d'écrasement et les caractéristiques de consommation d'énergie des matériaux rocheux peuvent être étudiées par le test SHPB, et de plus en plus de réalisations ont été produites à l'heure actuelle, mais il reste encore quelques problèmes à résoudre. Par exemple, pendant le test, il existe certaines différences de taux de déformation sous la même pression d'impact en raison du gradient de réglage optionnel qui est important lorsque la pression d'impact est ajustée. Ajuster la pression d'impact avec un gradient de 0,1 MPa entraînera inévitablement des erreurs inévitables. Par conséquent, il est nécessaire de rechercher et d'améliorer un gradient plus précis et réglable du régulateur de tension.

De plus, dans l'étude des caractéristiques de distribution des fragments de roche, d'une part, le tamis à trous carrés de différentes tailles est utilisé pour classer pour l'écran, d'autre part, la balance électronique est utilisée pour peser, et enfin le calcul statistique de sa distribution de fragments, ce qui est très gênant, prend du temps et consomme de l'énergie. Par conséquent, un criblage et un calcul automatiques du dispositif de répartition des fragments de roche réduiront considérablement la complexité de l'essai.

Dans le processus d'établissement du modèle constitutif des dommages de résistance statistique de la roche de minerai de graphite, certaines hypothèses idéalisées sont faites, tandis que le comportement mécanique des matériaux rocheux réels est incertain, il existe donc un certain écart entre la courbe du modèle et la courbe d'essai. Dans les recherches ultérieures, le modèle constitutif des dommages avec un meilleur effet conformément aux résultats expérimentaux peut être exploré sous l'angle de la combinaison de la théorie statistique des dommages et de la théorie de la combinaison des composants ou de la modification de la fonction de distribution des dommages.

Dans cet article, les tests SHPB de minerai de graphite à différents taux de déformation ont été effectués, combinés à des tests de photographie et de criblage à grande vitesse, les caractéristiques dynamiques et les caractéristiques de concassage dynamique du minerai de graphite à différents taux de déformation ont été analysées, et le modèle constitutif de dommages dynamiques de type résistance du minerai de graphite a été établi. Les conclusions sont les suivantes.

Les résultats des essais d'impact montrent que l'effet du taux de déformation des caractéristiques dynamiques de la roche de minerai de graphite n'est pas seulement dans la phase pré-pic, mais également dans la phase post-pic. Plus précisément, le coefficient de durcissement (DIF) a une corrélation linéaire positive avec (\(\dot{\varepsilon }^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 3}} \right. \kern-0pt} 3}}}\)), tandis que le facteur de ramollissement (K) a une corrélation linéaire négative avec (\(\dot{\varepsilon }^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 3}} \right.\kern-0pt} 3}}}\)).

Des tests photographiques à grande vitesse montrent que le processus de concassage dynamique de la roche de minerai de graphite peut être divisé en cinq étapes, qui sont le compactage, l'initiation des fissures, le développement et la coalescence des fissures, la collision par fragmentation et la chute de la fragmentation.

Le mode de rupture de la roche de minerai de graphite sous charge d'impact est principalement une rupture par cisaillement, et les blocs brisés sont principalement tripyramidaux (ou coniques) à grains fins et pulvérulents.

Les tests au tamis montrent que les fragments brisés de la roche de minerai de graphite s'accordent avec les caractéristiques géométriques fractales. La taille moyenne des particules brisées (dS) diminue linéairement avec l'augmentation de la vitesse de déformation, et la dimension fractale (Da) augmente en tant que fonction exponentielle faible avec l'augmentation de la vitesse de déformation.

L'effet du taux de déformation des caractéristiques dynamiques telles que la contrainte maximale, la déformation maximale et le module d'élasticité dynamique de la roche de minerai de graphite peut être bien reflété par la courbe du modèle, ce qui prouve la rationalité du modèle constitutif des dommages dynamiques établi dans cet article.

Un modèle constitutif plus précis peut être exploré en combinant la théorie statistique des dommages et la théorie des combinaisons de composants ou en modifiant la fonction de distribution des variables de dommages.

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Cette recherche a été soutenue par le National Key R&D Project of China (Grant No. 2020YFC1909602 et Grant No. 2021YFC2902901), et le Key R&D Project of Hubei province, China (Grant No. 2021BCA152).

École d'ingénierie des ressources et de l'environnement, Université de technologie de Wuhan, Wuhan, 430070, Hubei, Chine

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

Hubei Key Laboratory of Mineral Resources Processing and Environment, Université de technologie de Wuhan, Wuhan, 430070, Hubei, Chine

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

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HY et XL ont écrit le texte principal du manuscrit, HY, TL et LL ont révisé le manuscrit. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance avec Xingwang Li ou Tao Lei.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Ye, H., Li, X., Lei, T. et al. Caractéristiques de réponse dynamique et règle d'endommagement de la roche de minerai de graphite sous différents taux de déformation. Sci Rep 13, 2151 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28947-9

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Reçu : 02 novembre 2022

Accepté : 27 janvier 2023

Publié: 07 février 2023

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

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