Published June 21, 2020 | Version v1
Publication Open

Discrete element simulation for investigating fragmentation mechanism of hard rock under ultrasonic vibration loading

Creators

  • 1. Jilin University
  • 2. Ministry of Natural Resources

Description

Abstract Assisted ultrasonic vibration technique can significantly improve the efficiency of hard rock drilling in petroleum and mineral engineering. In this study, to determine the fragmentation mechanism of rocks under ultrasonic vibration, numerical simulations using the discrete element method (DEM) were performed. A novel flat‐joint model (FJM), combined with an ultra‐high‐frequency loading boundary condition, was used to model the damage process of the hard rock under ultrasonic vibration loading. The numerical results demonstrated that the evolution of local strain and fragmentation were in good agreement with the experimental results. Based on the established model, the influence of loading parameters was investigated. Furthermore, by analyzing the development of the full strain field, crack orientations, and crack distribution, the fragmentation mechanism was revealed for the rock under ultrasonic vibration. Under ultra‐high‐frequency loading, the rock deformed in a heterogeneous manner and produced both compressive and tensile strain zones. The compressive zones were mainly distributed in the fringe and tensile zones in the top center. The generated tensile cracks caused by compression and tension in these two strain zones led to the rock failure.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يمكن لتقنية الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية بمساعدة الملخص أن تحسن بشكل كبير من كفاءة حفر الصخور الصلبة في هندسة البترول والمعادن. في هذه الدراسة، لتحديد آلية تجزئة الصخور تحت الاهتزاز فوق الصوتي، تم إجراء عمليات محاكاة رقمية باستخدام طريقة العناصر المنفصلة (DEM). تم استخدام نموذج مفصل مسطح جديد (FJM)، جنبًا إلى جنب مع حالة حدود تحميل عالية التردد للغاية، لنمذجة عملية تلف الصخور الصلبة تحت تحميل الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية. أظهرت النتائج العددية أن تطور الانفعال والتجزؤ الموضعي كان متوافقًا جيدًا مع النتائج التجريبية. بناءً على النموذج المعمول به، تم التحقيق في تأثير معلمات التحميل. علاوة على ذلك، من خلال تحليل تطور مجال الانفعال الكامل، واتجاهات الشقوق، وتوزيع الشقوق، تم الكشف عن آلية التجزئة للصخور تحت الاهتزاز فوق الصوتي. تحت التحميل فائق التردد، تشوهت الصخور بطريقة غير متجانسة وأنتجت كل من مناطق الضغط والشد. تم توزيع مناطق الانضغاط بشكل أساسي في مناطق الهوامش والشد في المركز العلوي. أدت تشققات الشد الناتجة عن الضغط والتوتر في هاتين المنطقتين إلى انهيار الصخور.

Translated Description (French)

Résumé La technique de vibration ultrasonique assistée peut améliorer considérablement l'efficacité du forage de roches dures en génie pétrolier et minéral. Dans cette étude, pour déterminer le mécanisme de fragmentation des roches sous vibration ultrasonore, des simulations numériques utilisant la méthode des éléments discrets (DEM) ont été réalisées. Un nouveau modèle dejoint plat (FJM), combiné à une condition limite de charge ultra-haute fréquence, a été utilisé pour modéliser le processus d'endommagement de la roche dure sous charge de vibration ultrasonore. Les résultats numériques ont démontré que l'évolution de la déformation locale et de la fragmentation était en bon accord avec les résultats expérimentaux. Sur la base du modèle établi, l'influence des paramètres de charge a été étudiée. De plus, en analysant le développement du champ de déformation complet, les orientations des fissures et la distribution des fissures, le mécanisme de fragmentation a été révélé pour la roche sous vibration ultrasonore. Sous charge ultra-haute fréquence, la roche s'est déformée de manière hétérogène et a produit à la fois des zones de déformation en compression et en traction. Les zones de compression étaient principalement réparties dans les zones de frange et de traction en haut au centre. Les fissures de traction générées par la compression et la tension dans ces deux zones de déformation ont conduit à la rupture de la roche.

Translated Description (Spanish)

Resumen La técnica de vibración ultrasónica asistida puede mejorar significativamente la eficiencia de la perforación de roca dura en la ingeniería de petróleo y minerales. En este estudio, para determinar el mecanismo de fragmentación de rocas bajo vibración ultrasónica, se realizaron simulaciones numéricas utilizando el método de elementos discretos (DEM). Se utilizó un nuevo modelo dejunta plana (FJM), combinado con una condición de límite de carga de ultra altafrecuencia, para modelar el proceso de daño de la roca dura bajo carga de vibración ultrasónica. Los resultados numéricos demostraron que la evolución de la cepa local y la fragmentación estaban en buen acuerdo con los resultados experimentales. Con base en el modelo establecido, se investigó la influencia de los parámetros de carga. Además, al analizar el desarrollo del campo de deformación total, las orientaciones de las grietas y la distribución de las grietas, se reveló el mecanismo de fragmentación de la roca bajo vibración ultrasónica. Bajo carga de frecuencia ultra alta, la roca se deformó de manera heterogénea y produjo zonas de deformación por compresión y tracción. Las zonas compresivas se distribuyeron principalmente en las zonas de franja y tracción en el centro superior. Las grietas de tracción generadas causadas por la compresión y la tensión en estas dos zonas de deformación condujeron a la falla de la roca.

Files

ese3.768.pdf

Files (16.0 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:368e9f55f1c93fc1f7068e901a2a5758
16.0 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
محاكاة العناصر المنفصلة للتحقيق في آلية تجزئة الصخور الصلبة تحت تحميل الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية
Translated title (French)
Simulation d'éléments discrets pour étudier le mécanisme de fragmentation de la roche dure sous charge de vibrations ultrasonores
Translated title (Spanish)
Simulación de elementos discretos para investigar el mecanismo de fragmentación de roca dura bajo carga de vibración ultrasónica

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3036982085
DOI
10.1002/ese3.768

Is supplement to
https://openalex.org/W4285802202 (Other)
https://openalex.org/W3082440218 (Other)
https://openalex.org/W3008690834 (Other)
https://openalex.org/W2943188944 (Other)
https://openalex.org/W2795554382 (Other)
https://openalex.org/W2729932191 (Other)
https://openalex.org/W2380293314 (Other)
https://openalex.org/W2137307547 (Other)
https://openalex.org/W2089085266 (Other)
https://openalex.org/W2082293200 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1556204506
  • https://openalex.org/W1640605009
  • https://openalex.org/W1966948894
  • https://openalex.org/W2024412964
  • https://openalex.org/W2033895791
  • https://openalex.org/W2048889405
  • https://openalex.org/W2057817544
  • https://openalex.org/W2061164053
  • https://openalex.org/W2062935613
  • https://openalex.org/W2067979904
  • https://openalex.org/W2073415166
  • https://openalex.org/W2074375018
  • https://openalex.org/W2077989992
  • https://openalex.org/W2103902597
  • https://openalex.org/W2156524938
  • https://openalex.org/W2264278286
  • https://openalex.org/W2295607494
  • https://openalex.org/W2411755953
  • https://openalex.org/W2471541461
  • https://openalex.org/W2519957495
  • https://openalex.org/W2557055262
  • https://openalex.org/W2626098661
  • https://openalex.org/W2746774987
  • https://openalex.org/W2754848475
  • https://openalex.org/W2767191819
  • https://openalex.org/W2771578543
  • https://openalex.org/W2773411959
  • https://openalex.org/W2805249020
  • https://openalex.org/W2839353125
  • https://openalex.org/W2864237003
  • https://openalex.org/W2885133440
  • https://openalex.org/W2889773272
  • https://openalex.org/W2894358988
  • https://openalex.org/W2898537038
  • https://openalex.org/W2904137842
  • https://openalex.org/W2910190245
  • https://openalex.org/W2913070572
  • https://openalex.org/W2922299429
  • https://openalex.org/W2941239964
  • https://openalex.org/W2943360834
  • https://openalex.org/W2945223580
  • https://openalex.org/W2945845538
  • https://openalex.org/W2954791283
  • https://openalex.org/W2955026101
  • https://openalex.org/W2963116026
  • https://openalex.org/W2965988561
  • https://openalex.org/W2975890181
  • https://openalex.org/W2979693308
  • https://openalex.org/W2988176455
  • https://openalex.org/W2997615766
  • https://openalex.org/W2998660441
  • https://openalex.org/W2999283916
  • https://openalex.org/W3000725663
  • https://openalex.org/W3006397605
  • https://openalex.org/W3006408439
  • https://openalex.org/W3008321966
  • https://openalex.org/W3013510388
  • https://openalex.org/W3016526368
  • https://openalex.org/W3016859349
  • https://openalex.org/W3023516189
  • https://openalex.org/W3026133889
  • https://openalex.org/W3027454828