The effect of strain rate on the breakage behaviour of rock

• Autorzy: Jackson K. , Kingman S. W. , Whittles D. N. , Lowndes L. S. , Reddish D. J.

Warianty tytułu

PL

Wpływ prędkości odkształcania na przebieg kruszenia skał

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

For the optimum design of a rock crushing plant the breakage characteristics of the rock under the loading conditions imposed by the crusher are required. Often the determined static mechanical values fail to characterise the energy required and degree of fragmentation of the material within the crusher. This paper describes a laboratory and numerical investigation into the affect of strain rate on the energy requirements and breakage characteristics of three different sedimentary rocks. For each rock type high speed uniaxial compression tests were carried out at six different strain rates over the range 2.57 x 10-5 strain/s to 0.02 strain/s. Changes in the stress-strain behaviour were discovered indicating the importance of strain rate on breakage characteristics. For each of the rock types the stress/strain curves showed an increase in ductility as the strain rate increased and it was calculated that the energy used in bringing the specimen to fracture increased by up to 50%. The increase in energy was also accompanied by an increase in the degree of fragmentation achieved. The numerical modelling of the high speed compression test was undertaken for the sandstone using the discrete element method code PFC3D produced by ltasca. The numerical modelling reproduced the increase in energy requirements for fracture and an increase in the degree of fragmentation. The modelling also predicted that this trend would continue at strain rates of 1 strain/s that would be anticipated in rock crushers.

PL

Zaprojektowanie optymalnego urządzenia do kruszenia skał wymaga znajomości charakterystyki pękania skał pod wpływem obciążeń wywołanych przez kruszarkę. Zdarza się, że statyczne wielkości mechaniczne nie są w stanie określić wymaganego poziomu energii oraz stopnia rozdrobnienia skał w kruszarce. Niniejsza praca opisuje badania numeryczne i laboratoryjne wpływu prędkości odkształcania na wielkość zapotrzebowania energii i charakterystyki pękania trzech różnych skał osadowych. Dla każdego rodzaju skał przeprowadzono test na szybkie jednoosiowe ściskanie przy sześciu różnych prędkościach deformacji, z przedziału 2.57 x 10-5 odkształcenie/s do 0.02 odkształcenie/s. Zaobserwowano zmiany relacji naprężenie-odkształcenie, świadczące o tym, że prędkość deformacji wpływa na przebieg kruszenia skał. Krzywe naprężenie-odkształcenie otrzymane dla poszczególnych typów skał wskazują wzrost ciągliwości w miarę wzrostu prędkości deformacji. Obliczono, że wzrost energii niezbędnej do złamania danej próbki wyniósł ok. 50%. Temu wzrostowi energii towarzysz także wzrost stopnia rozdrobnienia. Modelowanie numeryczne szybkiego testu na ściskanie próbek piaskowca przeprowadzono z użyciem programu bazującego na metodzie elementów dyskretnych PFC3D, firmy Itasca. Modelowanie numeryczne miało za zadanie odtworzyć wzrost energii niezbędnej do kruszenia i wzrost stopnia rozdrobnienia skały. Modelowanie pozwoliło także przewidzieć, że trend ten utrzyma się dla prędkości deformacji rzędu l deformacja/s, które występują w kruszarkach.

Słowa kluczowe

EN

rock mechanics; numerical modelIing; laboratory testing; constitutive relations; shear strength

PL

mechanika skał; modelowanie numeryczne; badania laboratoryjne; zależności konstytutywne; wytrzymałość na ścinanie

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 53, no 1
• Strony: 3--22
• Opis fizyczny: Bibliog. 10 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Jackson K.

autor

Kingman S. W.

autor

Whittles D. N.

autor

Lowndes L. S.

autor

Reddish D. J.

• School of Chemical and Environmental Engineering, University of Nottingham, University Park, Nottingham, NG7 2RD

Bibliografia

• Bearman R.A., 1991. The application of rock mechanics principles to the prediction of crusher performance, PhD Thesis, Cambourne School of Mines, UK.
• Blanton T.L., 1981. Effect of strain rates from 10-3 to 10 sec-1 in triaxial tests on three rocks, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., 18, p. 47-62.
• Brace W.F., Byerlee J.D., 1967. Recent Experimental Studies of Brittle Fracture of Rocks, Failure and Breakage of Rock, (8th Symposium on Rock Mechanics), Fairhurst C (ed), Am. Inst. Min. Met. & Petrol. Engrs., p. 58-81.
• Cundall P.A., Strack O.D.L., 1979. A Discrete Numerical Model for Granular Assemblies, Geotechnique, 29 (1), p. 47-65.
• Grady D.E., Kipp M.E., 1987. Dynamic Rock Fragmentation, Fracture Mechanics of Rock, Chapter 10, p. 429-475, Academic Press Inc (London) Ltd.
• Itasca Consulting Group Inc., 2003. PFC3D (particle flow code in 3 dimensions) Version 3.0, Minneapolis, USA.
• ISRM (International Standards for Rock Mechanics), 1981. Rock characterisation, testing and monitoring: ISRM suggested methods, Edited by Brown E.T., Pergammon Press.
• Jackson K., 1999. The development of a database of rock properties to assist in the design and development of a crushing plant, PhD Thesis, University of Nottingham, UK.
• Potyondy D.O., Cundall P.A., 2005. A Bonded particle model for rock, Inter Journ Rock Mech Mining Sciences.
• Tavares L.M., King R.P., 1998. Single particle fracture under impact loading, International Journal of Mineral Processing, 54, p. 1-20.