深海围压环境下凿齿刀具破岩的脆-韧转变机制研究

为解决深海采矿中围压环境对岩石破碎模式的影响问题，研究人员通过实验和FDEM-CEL数值模拟系统研究了凿齿刀具破岩的脆-韧转变特性。研究发现围压升高会抑制裂纹扩展，促使岩石从脆性向韧性破坏转变，并揭示了临界切割深度与围压的线性关系（d*=0.09x+0.7，d**=0.178x+2.33）。该研究为深海低扰动高效采矿装备设计提供了理论依据。

　　

深海矿产资源开发面临极端环境挑战——高压（可达12 MPa）、低温以及复杂的工程地质条件，这些因素显著影响机械破岩效率。传统大气压条件下的岩石破碎理论已无法指导深海采矿装备设计，亟需揭示围压环境下岩石的破坏模式转变机制。针对这一难题，中国的研究团队通过自主研发的深海围压岩石切割试验平台，结合有限元-离散元耦合欧拉方法(FDEM-CEL)，系统研究了凿齿刀具破岩过程中的脆-韧转变规律。

研究采用砂岩样本（弹性模量2.5 GPa，抗压强度24.6 MPa），在0-12 MPa围压下进行94组划痕实验，同步采集切削力曲线和岩屑形貌数据。数值模拟通过ABAQUS软件实现，在300 mm×150 mm模型中嵌入零厚度粘聚单元（117,364个单元），模拟裂纹萌生至岩屑形成的全过程。

实验测试结果
通过切削力曲线波动程度（f=F_w,max/F_w,mean）分析发现：围压每增加3 MPa，曲线波动降低34%，表明围压显著抑制脆性破坏。比能耗(SE)与切割深度(d)呈现三段式幂律关系：韧性区SE∝d⁰（能量消耗恒定），韧-脆过渡区SE∝d^-0.6，脆性区SE∝d^-1.1。对应的岩屑形态依次为粉末状、片状和块状，印证了破坏模式的转变。

临界切割深度规律
围压与临界深度呈线性正相关：韧性-韧脆转变临界值d*=0.09x+0.7（R²=0.97），韧脆-脆性转变临界值d**=0.178x+2.33（R²=0.94）。当围压升至12 MPa时，两临界值差值达2.62 mm，形成明显的"喇叭口"效应，这意味着深海作业需更大切割深度才能触发高效脆性破碎。

数值模拟验证
FDEM-CEL模型再现了三个特征破坏区：刀具前端的粉碎区（产生粉末）、塑性流动区（沿齿面延伸）和主破坏区（生成片/块状岩屑）。模拟显示：围压6 MPa时裂纹扩展范围比大气压减少37%，12 MPa时裂纹仅局限在齿尖前方区域，这与实验中切削力曲线平稳化的现象相互印证。

该研究首次建立了深海围压-切割深度-破坏模式的定量关系，提出的分段幂律模型为深海采矿装备参数优化提供了理论工具。发现的"围压抑制裂纹扩展"机制对设计低扰动采矿工艺具有重要指导意义——通过多齿协同布局可有效利用围压约束效应，在控制环境扰动的同时提升破岩效率。未来研究需进一步考虑海水化学腐蚀、多岩性组合等实际工况的影响。论文发表于《Applied Ocean Research》，为深海矿产资源安全高效开发奠定了力学基础。