激光破岩技术研究进展.pdf

收稿日期:2022-11-19;修回日期:2023-07-20基金项目:国家自然科学基金项目(51704256);湖南省科技创新计划(2021RC2094);湖南省教育厅优秀青年项目(22B0127);湖南省自然科学基金项目(2023JJ30589)第一作者简介:郑亚魁(1986),男,河南漯河人,2010 年毕业于河南科技大学,机械设计制造及其自动化专业,本科,工程师,从事全断面隧道掘进机(盾构、TBM)的总体设计和液压流体系统设计工作。E-mail:zyk59318 。通信作者:张魁,E-mail:zhangk 。引用格式:郑亚魁,旷鸣海,张魁,等.激光破岩技术研究进展J.隧道建设(中英文),2023,43(8):1282.ZHENG Yakui,KUANG Minghai,ZHANG Kui,et al.Research progress of laser-assisted rock breaking technology J.Tunnel Construction,2023,43(8):1282.激光破岩技术研究进展郑亚魁1,旷鸣海2,张 魁2,3,汪鼎华1,聂 雄1(1.中铁山河工程装备股份有限公司,广东 广州 511400;2.湘潭大学机械工程与力学学院 复杂轨道加工技术与装备教育部工程研究中心,湖南 湘潭 411105;3.湘潭大学机械工程与力学学院 力学博士后流动站,湖南 湘潭 411105)摘要:为探明激光破岩机制及其应用价值,对目前国内外有关激光破岩技术的研究成果进行归纳总结。首先,介绍激光和激光辅助破岩技术,初步认识激光破岩机制;其次,从试验、理论和仿真这 3 个方面入手,总结激光破岩技术的研究方法,其中试验最能直观反映激光与岩石作用过程,观察破岩效果,但其难以实时监测和获取激光照射岩石过程中温度场和应力场等变化规律,而数值仿真方法则能获得试验难以或不可能测量的详细特征信息,从而为深入研究激光破岩机制提供有效指导;随后,基于前述研究方法,以激光钻孔为例,从激光参数、岩石性质和工作环境与方式 3 方面出发,全面系统地分析激光破岩的重要影响因素;最后,讨论激光破岩在隧道掘进领域的研究现状以及未来的发展方向。研究结果表明,激光破岩技术可以较好地应用于隧道掘进领域,极大提高隧道掘进效率,但目前有关激光辅助隧道掘进的研究尚处于实验室研究阶段,缺乏系统的研究设备和评判指标,后续应着重考虑完善激光辅助掘进设备破岩研究体系,系统、全面地进行激光辅助挖掘设备破岩研究。关键词:激光破岩;破碎机制;激光参数;岩石性质;隧道掘进DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.08.003文章编号:2096-4498(2023)08-1282-17中图分类号:U 45 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):R Re es se ea ar rc ch h P Pr ro og gr re es ss s o of f L La as se er r-A As ss si is st te ed d R Ro oc ck k B Br re ea ak ki in ng g T Te ec ch hn no ol lo og gy yZHENG Yakui1,KUANG Minghai2,ZHANG Kui2,3,*,WANG Dinghua1,NIE Xiong1(1.CHINA RAILWAY SUNWARD,Guangzhou 511400,Guangdong,China;2.Engineering Research Center of Complex Track Processing Technology&Equipment,the Ministry of Education,Xiangtan University,Xiangtan 411105,Hunan,China;3.Postdoctoral Research Station for Mechanics,School of Mechanical Engineering and Mechanics,Xiangtan University,Xiangtan 411105,Hunan,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:Herein,the research results related to the laser-assisted rock breaking technology in China and abroad are summarized to investigate its mechanism and application value and provide effective theoretical guidance for researchers.First,the definition of laser and laser-assisted rock breaking technology is introduced and the related mechanism is preliminarily presented.Second,the research methods related to the technology are summarized from the aspects of experiment,theory,and simulation.Experiments can directly reveal the process of laser-rock interaction and the rock breaking effect;however,it is difficult to monitor and obtain the variation law of temperature and stress fields during laser irradiation on rocks in real time.Numerical simulation methods can provide detailed characteristic information that is difficult or impossible to obtain by experiments and thereby provide effective guidance for further research on the laser-assisted rock breaking mechanism.Third,based on the aforementioned research methods and considering laser drilling as an example,the important factors influencing laser-assisted rock breaking are comprehensively and systematically analyzed from the following aspects:laser parameters,rock properties,working environment,and 第 8 期郑亚魁,等:激光破岩技术研究进展methods.Finally,based on the research results related to the laser-assisted rock breaking technology in the field of oil and gas drilling,the research status of the technology in the field of tunnel excavation and future development directions are discussed.The results show that the technology can be well applied in the field of tunnel excavation and greatly improves tunnel excavation efficiency.However,the current research on laser-assisted tunnel excavation is still in the laboratory research stage,and perfect research equipment and evaluation indicators are lacking.In future,we should focus on improving the rock breaking research system of laser-assisted tunneling equipment,and systematically and comprehensively study rock breaking using laser-assisted cutters.K Ke ey yw wo or rd ds s:laser-assisted rock breaking;breaking mechanism;laser parameters;rock properties;tunnel excavation0 引言自从美国科学家 Maiman 于1960 年研制出世界第1 台红宝石激光器后,人类便开启了激光技术研究与工程应用的时代1-2。最初,激光技术仅应用于小功率非金属板材钻孔、切割等制造业。经过几十年的长期发展积累,随着各类型大功率激光器的相继问世,激光技术被广泛应用于切割、焊接、清洗、钻孔等工业领域,并已展示出高效、精准和可控等诸多优点(相比传统机械加工技术)3-4。其中,学者们从 20 世纪 60 年代就开始尝试将激光技术应用于破岩领域。美国麻省理工学院最早在 1968 年提出激光钻井设想,并对激光破岩进行了试验研究,验证其具有一定的应用前景。随后,天然气研究所(GRI)于 1997 年开展了一个为期2 年的研究项目,首次对激光技术在石油工业中的应用进行了研究,发现激光在钻井领域的巨大前景。近20 年来,激光技术因发展迅速,并且具有非接触式能量传输、传热比大和能量高度集中等突出优势5-7,而被众多学者广泛地应用于破岩领域研究。可见,与微波等多种技术一样,激光技术在破岩领域具有较高的应用前景,有望完全替代或者辅助传统爆破法、机械破岩法,实现高效破岩作业。例如,在钻井领域,激光钻井的速率是传统钻井的 10100 倍8。深刻理解激光破岩机制,并对其加以有效调控利用,是实现激光高效破岩的关键所在。激光技术之所以能够切实提高岩石破碎效率,降低破岩成本,主要在于:1)在激光作用下,位于诱导作用区域的岩石产生了局部热应力,弱化了岩石强度,并促进热裂纹的产生与扩展,显著降低了岩石的各项力学性能9-10;2)岩石在激光照射下会经历升温、熔化、汽化和凝固过程,形成多相混合同时存在的状态,产生了宏观损坏现象11-12。但遗憾的是,对激光破岩机制的理解与运用尚未臻于完美。目前,仍有大量学者从激光功率、辐照时间和不同岩性等诸多方面对激光破岩技术及其破岩机制进行着深入且持续的研究13-15。随着中国经济水平和科学技术的不断发展,国家重大工程如南水北调、西部大开发、西气东输等大型工程相继开工,城市轨道交通、地下空间开发和跨区域交通不断推进,中国的地下工程修建规模和难度均位居世界前列16-18。深地等地下空间资源的挖掘与利用成为国家重点研发任务和战略目标19。面对“三高”(高硬度、高围压和高石英含量)等极端掘进工况条件,传统的全断面硬岩隧道掘进机(以下简称 TBM)等施工法存在施工效率低、施工成本大、关键破岩器具损耗高等缺陷20-21。有鉴于激光技术在前述采矿工程与钻井工程等领域所取得的良好成果,激光辅助 TBM破岩有望成为新的研究热点。为了向隧道掘进和钻井等地下工程领域学者提供比较全面的情报信息和合理的指导方向,本文首先阐述了激光与激光辅助破岩技术;再从激光破岩技术研究方法与影响因素研究方面,对目前国内外有关激光破岩技术在钻孔领域的研究成果进行归纳总结;最后对激光辅助破岩技术在隧道掘进领域的推广应用进行概括,展望激光破岩技术的未来发展方向。1 激光与激光辅助破岩技术1.1 激光激光,即受辐照放大的光,最早是由爱因斯坦于1917 年提出,其原理是通过激发电子、振动和旋转等方式,使高能级的粒子跃迁到低能级上,变为非平衡态,从而使系统传播的光子被辐射放大,激发出一个高度集中的强光现象22-23。激光辐照最重要的特性包括空间相干性、窄光谱发射、高功率和可调控的空间模式等,使光束能够聚焦到衍射极限的光斑尺寸,能轻易在物体局部区域产生高温的热应力场作用,以实现高强度能量传输24。目前,业界激光强度高达1023 W/cm2 25。1.2 激光辅助破岩技术在进行钻井和隧道挖掘等地下工程时,实质上是利用钻头和滚刀等关键破岩工具与岩石直接接触,使岩石受到挤压、剪切、张拉等多种破坏机制的综合作用,从而破碎岩石。以滚刀破岩为例,在正压力 F 作用下,滚刀侵入岩石并持续回转滚压破坏岩石,使得岩石内产生了大量损伤裂纹26。在这一过程中,岩石的高硬度与强研磨性是造成关键破岩器具磨损严重、破岩效率低的重要因素。滚刀破岩示意如图 1 所示。虽3821隧道建设(中英文)第 43 卷然目前有不少学者尝试通过采用高性能材料和结构优化设计等对关键破岩器具进行改进,以期在一定程度上改善刀具的磨损情况,但效果有限。考虑到岩石是一种非均匀的脆性材料,内部有许多缺陷,如微裂缝、孔隙、节理和裂缝等,岩体的破碎和去除主要受岩体内部缺陷的控制27。因此,学者发现利用高压水射流、超声振动、激光和微波辐照等新型破岩手段在岩石表面产生附加应力或热场,可以增加岩石结构缺陷,削弱岩石强度,从而减少破岩器具的磨损,提高岩石破碎效率,实现高效破岩28-29。图 1 滚刀破岩示意图Fig.1 Rock breaking mechanism of disc cutter目前,激光破岩技术已经在油气钻井领域取得大量研究成果,分为直接破岩和辅助机械器具破岩 2 种模式。直接破岩是利用激光直接作用于岩石,使岩石快速熔化和汽化,从而破碎岩石,并由高压辅助气体将岩石碎屑带走;激光辅助机械破岩是在使用激光照射岩石,使岩石快速升温,并在岩石内部产生大量热裂纹的基础上,搭配有滚刀、钻头等机械破岩器具进行破岩,从而使得机械器具能够快速破碎岩石。激光辅助机械器具破岩示意如图 2 所示。大量的研究表明,使用激光直接破岩很难一次性完全破碎和去除岩石,而在激光辐照的基础上搭配机械破岩器具进行破岩则能大幅度提高破岩效率。图 2 激光辅助机械器具破岩示意图Fig.2 Rock breaking mechanism of machine tool assisted with laser2 激光破岩技术研究方法为了深刻理解激光破岩机制,众多学者利用试验、理论与仿真等手段对激光破岩技术进行了大量研究,其研究成果主要集中在激光钻孔方面。下文以激光钻孔为例,从试验、理论和仿真 3 个方面,对激光破岩技术的研究方法进行分析总结。2.1 试验研究试验是最能直观反映激光与岩石作用过程的研究方法。考虑到作为激光的发射装置,激光器类型不同,其破岩效果与破岩机制不尽相同,因此必须选择合适的激光器来搭建试验平台,进行激光破岩研究。根据激光器增益介质不同,激光器可分为气体激光器、半导体激光器、光纤激光器和固体激光器等30-32。目前,可应用于破岩领域的激光器归纳如表 1 所示。激光破岩试验平台如图 3 所示。由图 3 可知,用于破岩试验的主流激光器为光纤激光器。这是由于激光破岩是一个极其复杂的过程,会受到岩石类型、岩石沉积取向、岩石尺寸、激光输出功率、激光照射时间等因素的影响,特别是地下工程中的恶劣环境会极大削弱破岩效果,而光纤传输由于其具有输出功率高、传输效率好、光束质量高和运行成本低等优点,可以很好地解决上述问题。文献33-37展示的装置主要是通过激光钻孔试验,来探讨激光破岩机制;文献38在钻孔的基础上还能进行切槽,并且搭配有美国 Flir 型红外热像仪(测量温度高达 2 000),可以直接测量并存储激光辐照过程中岩样的表面温度;文献39是利用激光辐照软化岩石,随后搭配划痕测试装置用于评估激光处理后岩石样品的热软化程度;文献40利用不同光学透镜组合,将来自激光器的圆形光束塑造成所需椭圆或者矩形光束,以探究光斑形状对激光破岩机制的影响。研究表明:激光破岩过程分为升温、熔化、汽化和凝固 4 个过程41-43,如图 4 所示。可以看出:1)当激光刚照射到岩石表面时,岩石温度逐渐升高,受影响区域可分为辐照区、过渡区和热影响区,其破碎方式主要为热力破碎,破碎后脱落的碎屑可由高压辅助气流带出;2)辐照区的温度急剧上升,达到岩石的熔点,岩石开始熔化甚至汽化,此时岩石因为在极短时间内吸收大量能量发生相变,导致体积膨胀,产生热爆裂现象,并且由于岩石原始孔隙中的密封气体和特殊矿物成分(硅酸盐等)的热分解气体逸出,使熔池中出现少量气泡;3)随着辐照时间的增加,熔池温度不断升高,并且逐渐沸腾,熔池中气泡不断增大和破裂,热影响区温度进一步升高,过渡区面积变大,熔池边缘出现微裂纹;4)激光辐照后,熔池内的熔融物和汽化物不能及时被4821第 8 期郑亚魁,等:激光破岩技术研究进展辅助气体吹出带走,会重新冷凝成光滑玻璃状物质(玻璃釉),玻璃釉中留有气泡,部分气泡会转变为孔洞,同时,微裂纹在孔洞周围产生,并在热应力作用下迅速向外扩展,形成复杂的裂纹网。表 1 可用于破岩领域的激光器9Table 1 Laser devices used for rock-breaking9类型波长/m工作方式平均功率/kW简介二氧化碳激光器(CO2)10.6CW、RP1 000应用广泛,耐久性和可靠性好,波长过大易衰减一氧化碳激光器(CO)56CW、RP200仅在冷却条件下工作,主要用于科研和医疗中程红外高级化学激光器(MIRCAL)2.64.2CW、RP1 200应用广泛,例如遥感、通讯、医疗等领域二极管激光器0.8CW、RP4 唯一使用的非化学激光器,其工作原理是将电能直接转化为激光热能钕:钇铝石榴石激光器(ND:YAG)1.06CW、RP4 000工业上一般使用 4 kW 的能量,但可以达到 10 kW 或更高功率氟化氢、氟化氘激光器(DF/HF)2.64.2CW10 000最早用于岩层测试自由电子激光器(FEL)1.61CW14.2 频率连续可调、频谱范围广、峰值功率和平均功率高且可调、相干性好、偏振强氧碘化学激光器(COIL)1.315CW、RP200 能精确控制波长和振幅,可用于井控、侧钻和定向钻井,适用于深井,成本低氟化氪准分子激光器(KrF)0.248RP10低能量激光,无热效应,方向性强,波长纯度高,输出功率大高功率光纤激光器(HPFL)1.07CW、RP1100可远距离传输,超高的电光转换效率(30%)和良好的光束质量 注:CW 表示连续波工作方式;RP 表示重复脉冲工作方式。图 3 激光破岩试验平台Fig.3 Test platform of laser-assisted rock breaking2.2 理论研究基于对激光破岩机制的认识,学者们提出了各种理论模型来描述给定激光参数作用下岩石(见图 5)热物性变化过程。激光破岩理论模型研究成果如表 2 所示。图 5 中,激光光束辐照到岩石表面,绝大部分光能在岩石表面被吸收,然后通过热传导将热量传输到岩石内部,部分能量由于折射和反射而消散。由于岩石的导热系数较小,激光的热作用区域集中在光斑区域部分的岩石表面,从而可等效为半径无穷大物体加热模型。假定图 5 中岩柱直径为 b,岩柱高为 h,圆形激5821隧道建设(中英文)第 43 卷光束直径为 d。激光束可以采用强度均匀的圆形光束和高速高斯光束表示,两者可以分别通过式(1)和(2)定义。I(r)=P0/(d/2)2(0rd/2);0 (d/2rb/2)。(1)I(r)=2P0R2exp-2r2R()。(2)式中:I(r)为激光功率密度;P0为激光总功率;R 为激光束半径;r 为任意一点到热源中心的径向距离。图 4 激光破岩过程示意图34Fig.4 Schematic of rock breaking by laser irradiation34图 5 激光辐照岩石示意图(以圆形光束为例)Fig.5 Laser to rock(take a circular laser for example)基于上述基本理论,如图 6 所示,Zhang 等44采用响应面法研究了激光钻孔中激光功率、辐照时间和光斑直径对岩石比能量的影响,得到岩石比能量的多元非线性回归模型;然后,利用该模型分别交互分析各参数对岩石比能量的影响,找出影响岩石比能量的主要因素,发现激光功率对岩石比能量的影响最大,而辐照时间对岩石比能量的影响最小。李密等45根据非定常传热学原理分析了均匀激光光束和高斯激光光束照射砂岩时的温度场分布,基于能量守恒定律建立了岩石的熔化和汽化模型,得到一定激光功率下岩石熔化和汽化的速率。Agha 等46将激光与岩石的相互作用分为预热、熔化和汽化 3 个主要阶段,根据能量守恒定律建立了每个阶段的控制模型,模型预测结果与试验数据相比,比能(SE)较高,穿孔速率(ROP)较低,这是由于在最初的假设过程中有意地削弱了熔化过程的影响。上述理论模型都能较好地分析特定条件下激光破岩过程,这对指导进一步试验研究具有重要意义,但由于目前尚未有准确的理论模型描述黑体辐照、等离子体以及岩石流体饱和度等因素对破岩机制的影响规律,而实际的激光破岩过程是极其复杂的,因此,上述理论模型仍具有较大优化空间。2.3 仿真研究数值模拟已广泛应用于激光破岩过程的研究。与传统的试验相比,仿真技术可以节省时间,减少材料消耗,获得试验难以或不可能测量的详细特征信息,从而为深入研究激光破岩机制提供有效指导。数值模拟的可靠性取决于输入参数的准确性,而合适的激光热源模型和岩样模型决定着所获仿真结果是否接近实际破岩过程。激光破岩数值仿真研究成果如表 3 所示。由表 3 可知,学者们普遍采用高斯模型作为激光热源模型,该模型能较好地反映热源的热学特性。仿真模拟激光破岩所获典型结果如图 7 所示。可以看出:1)学者们多采用有限元法进行激光破岩仿真研究,该方法能较好模拟激光辐照下岩石孔洞形貌、温度场和应力场变化等变化规律(见图 7(a)、7(b)、7(c);2)离散元法则能有效模拟激光破岩试验中难以观测的岩石内部裂纹扩展动态过程,有利于分析岩石内部裂纹产生机制,深入揭示激光破岩机制(见图7(d);3)仿真可以有效模拟试验中激光辐照岩石后的表面损伤形貌(见图 7(a);4)高度再现了激光辐照过程中岩石表面温度场变化,仿真所获峰值温度1 877 与试验峰值温度 1 911 相比,误差仅为1.77%,并且仿真所获温度区间等温线轮廓与试验高度吻合(见图 7(b)。以上特征高度再现了试验中激光辐照岩石所获结果,更合理、准确地反映了激光破岩机制。6821第 8 期郑亚魁,等:激光破岩技术研究进展表 2 激光破岩理论模型研究成果Table 2 Research results of theoretical model of rock breaking by laser文献理论模型参数介绍主要结论44Y=26.86-31.41X1+2.36X2+20.28X3-12.24X1X2-16.93X1X3-19.2X2X3+30.49X21+13.25X22-0.38X23 Y 为岩石比能;X1为激光功率;X2为辐照时间;X3为光斑直径回归模型的结果与试验结果吻合良好,激光辐照确实有助于降低岩石的比能,提高破岩效率45熔化:P0=a2(M+CTm)+S1K?Tds+S2(T4m-T40)ds汽化:P0=a2(G+M+CTg)+S1K?Tds+S2(T4g-T40)ds 为岩石对光吸收率;P0为激光总功率;a为激光辐照半径;M 为熔化潜热;为岩石密度;C 为比热容;G 为岩石气化潜热;为岩石移除速度;K为热传导系数;S1为热核边界面;S2为岩石的外表面;T 为岩石绝对温度分布;T0为初始温度;?为梯度算符;Tm为岩石熔点;Tg为岩石气化温度;为岩石发射率;斯特藩常数 =5.6710-3 W/(m2K4)模拟结果表明破碎、熔化和汽化破除岩石所需要的激光功率密度阈值依次上升,而破除岩石的效率依次下降47u=(1/)(jv+jl)jv(T0)=(1-)pST0m/(2T0)1/2jl(2/r)ln(T0/Tm)1/2pS1/43/4u 为钻井速率;jv为气体蒸发速率;jl为液体移除速率;为材料表面平均反射系数;T0、Tm分别为材料表面温度和熔化温度;m 为粒子质量;pS为饱和压力;为扩散系数;r 为激光束半径 简化的激光钻孔理论模 型 在 激 光 强 度 为100 MW/cm2内,计 算结果与试验值较吻合48Ubj,j+1-Ubj,jt=kTbj+1,j-Tbj,jz2+Ia(zbj,tj)zUNz,j+1-UNz,jt=-kTNz,j-TNz-1,jz2Ia(z,t)为功率密度随时间和深度变化关系;k 为材料的热导率;z 为坐标轴;T 为温度;t 为时间;U为能量密度;z=D/(Nz-1),D为工件深度;t=tmax/(Ni-1);j 为数值 1 到 Nt;bj为能量密度最小临界值 随着激光功率增加和占空比降低,激光束强度增大,钻孔速度加快,传导热损失时间缩短49A2g22-3PrAgexpP()-6Pdpdexp2P()=0A(1+)exp-B()+C-D()=0g为由激光束半径得到的无量纲熔融层厚度;p为压力;=r/R,R为光束的高斯半径;p为径向速度最大时的半径;Pr=ual,u为切向速度,al为熔体的热扩散速度;=sat(1-m)+m,sat为融化与汽化交界处温度,m为融化温度与过饱和温度之比;A、B、C、D、为无量纲系数 创建的模型能较好评估熔体流动和汽化对激光钻孔轮廓 演变 的影响,并有助于研究固体材料的去除效率 (a)激光功率与辐照时间对破岩比能影响规律的三维曲面(b)激光功率与辐照时间对破岩比能影响规律的等高线 (c)激光功率与光斑直径对破岩比能影响规律的三维曲面(d)激光功率与光斑直径对破岩比能影响规律的等高线图 6 激光功率、辐照时间和光斑直径与比能的关系44Fig.6 Relationship among laser power,irradiation time,spot diameter,and specific energy447821隧道建设(中英文)第 43 卷 综上所述,仿真技术能良好再现激光破岩整个过程,有助于分析辐照过程中岩石各物理变化规律,对系统全面地研究激光破岩机制有着重要指导价值。然而,由于现有技术限制,目前的仿真技术难以模拟试验中出现的玻璃釉现象,以及岩石吸收热能后的相变过程,而这些现象又显著影响着激光破岩效果。因此,在后续进一步研究激光破岩仿真技术时,应将着重考察这些因素。表 3 激光破岩数值仿真研究成果Table 3 Research results of numerical simulation of rock breaking by laser文献数值方法与仿真软件热源模型岩石类型主要结论40有限元法高斯模型砂岩 仿真表明椭圆激光辐照形成了椭圆高应力区和梯形低应力区;低应力区域岩石在激光入射方向承受拉应力,导致损伤发生并积累,出现热裂纹和岩屑剥落50有限元法;COMSOL高斯模型花岗岩 仿真所预测温度曲线在温度升降速率和最高温度相对误差方面与试验结果相似51有限元法;ANSYS高斯模型砂岩利用 ANSYS 软件可以有效模拟激光破岩过程温度场、应力场分布的情况,再结合激光破岩理论与试验分析,能较好揭示激光破岩机制52显式有限元法;LS-DYNA高斯模型砂岩 仿真与试验结果表明激光诱导裂纹的形成有利于增加砂岩的孔隙率和渗透率,提高破岩效率53离散元法;PFC 2D高斯模型花岗岩 所建模型能够较好地表征激光辐照过程中岩石损伤的真实情况54有限元法;ANSYS高斯模型花岗岩 仿真与试验结果表明激光辐照主要是通过剥落、熔化和烧蚀破坏岩石55有限元法;ANSYS高斯模型花岗岩 仿真所获结果与试验一致,表明激光辐照使岩石升温并产生热应力,热应力超过岩石内部矿物质强度时,岩石产生裂纹从而被破坏56拉格朗日差分法;FLAC3D高斯模型花岗岩 仿真模型能根据激光束半径、激光功率、岩石性质、应力配置和加热时间有效预测激光孔洞几何形状57有限差分法CvTt+iTxi()=ijujxi+xiTxi()-Q 相同的激光条件下,数值模拟能有效预测激光孔洞尺寸58有限元法;ABAQUS高斯模型花岗岩、石灰石 所建立的数值模型与试验数据吻合较好;岩石中的热-机械应力直接影响钻井比能;在石灰石和花岗岩中,水饱和引起的最大应力高于油饱和和干燥状态 注:为密度;Cv为比热容;Q 为单位体积激光热量输入;ij为应力张量;T 为温度;t 为时间;i、uj为速度矢量;xi为空间坐标向量;为导热系数。3 激光破岩影响因素研究激光破岩技术的关键是控制激光与岩石的相互作用过程,以尽可能小的激光能量破坏最大的岩石体积。国内外学者一般采用 SE(比能)和 ROP(穿孔速率)作为衡量激光破岩效率的重要指标,借助试验(基于图 3所示试验平台)、理论和仿真等多种手段,研究了激光参数、岩石性质、环境和介质等59-60因素对激光破岩效率的影响规律,其研究成果系统总结如下。3.1 激光参数3.1.1 激光功率1)激光功率小于岩石破坏阈值时,大部分激光能量用于促使岩石内部产生诸如热膨胀、矿物质融化和微裂纹等微观变化,剩余能量仅使岩石表面产生轻微烧蚀,此时岩石去除体积小,SE 大。2)当激光注入的能量刚好使岩石达到其熔点时,激光热破碎结束,此时比能最小,破岩效率最高9。3)激光功率大于岩石破坏阈值时,以激光钻孔为例,此时激光孔深度主要通过岩石蒸发而增加,钻孔直径则是随着岩石的熔化而增加,故激光功率变化对孔深和孔径尺寸都会有影响,具体表现在,随着激光功率的增加,孔深先增加再趋于平稳,孔径逐渐变大,SE 先减小再增加,ROP 先增加后降低61-62。这是由于随着激光功率的增加,岩石破碎速度变快,破碎体积变大,但激光功率过大时,岩石短时间内熔化量陡增,难以及时被辅助气体清除,使孔壁上迅速产生大量玻璃釉,该物质会使后续辐照的激光发生反射和散射,增加激光能量损耗,阻碍激光能量进一步向岩石内部传递,从而导致孔深增加速率逐渐趋于平稳。8821第 8 期郑亚魁,等:激光破岩技术研究进展 (a)岩石破碎形貌40(b)温度场分布40(c)应力场分布(d)裂纹扩展特征53图 7 仿真模拟激光破岩所获典型结果Fig.7 Typical results obtained by simulation of laser-assisted rock breaking3.1.2 辐照时间随着辐照时间增长,钻孔深度先增加后趋于平稳,孔径逐渐增长,SE 先减小后增加,ROP 呈下降趋势63-64。具体表现如下:1)在一定激光功率下,随着辐照时间的增长,岩石不断吸收能量,钻孔深度和直径持续增加,SE 减小,ROP 降低;2)当辐照时间超过某个阈值(岩石吸收的能量达到其熔点所需时间),此时岩石破坏从热破碎变为热熔化,单位时间内有效破岩量降低,再加上激光孔洞较深,孔内岩屑与熔融物不能被有效清理,使孔壁内玻璃釉物质逐渐增加,大量的能量被该物质反射与重复吸收,导致 ROP 下降,SE 增加65。当激光功率过高时,穿孔深度几乎不受激光辐照时间的影响。主要原因如下:1)在高功率激光照射下,岩石在短时间内所吸收能量超过其熔化和汽化所需值,而单位时间内蒸发移除的岩石有限,多余熔岩不能及时排出,迅速产生大量玻璃釉,阻碍激光能量传递;2)激光辐照的部分能量被残余熔融物不断重复吸收,从而抑制了孔深的增加。3.1.3 光斑形状光斑形状相关研究报道相对较少,但其也显著影响着破岩效果。Chen 等40开发了一种光学透镜组合,并进行了圆形激光和椭圆激光辐照砂岩的对比试验,其研究表明,椭圆光束辐照所获岩石表面的峰值温度远低于圆形光束(两者均远高于岩石颗粒熔点),但9821隧道建设(中英文)第 43 卷其具有更大等温区域,表明椭圆光束辐照下岩石内的能量传递更加迅速,使得该条件下玻璃釉物质产生较少,岩石表面熔化和汽化面积变大,开裂和热剥落现象加剧。圆形与椭圆激光束照射对砂岩辐照效果比较如图 8 所示。Deng 等50建立了矩形和圆形激光光斑扫描破岩的物理模型,通过试验和仿真相结合的方法分析了模型的合理性,其研究发现,在其他条件相同下对花岗岩进行矩形和圆形激光光斑扫描后,岩石的单轴抗压强度分别降低 24%和 15%,抗拉强度分别降低20%和 11%,可钻性分别降低 16%和 10%,表明矩形光斑的破岩效果优于圆形光斑;这是由于扫描过程中,圆形光斑的激光能量相对集中,温度较高,加热速度较快,岩石熔化温度较快,熔化过程中吸收了大量的热量;而矩形光斑的激光能量相对分散,岩石熔化量相对较少,岩石熔化吸收的能量较少,大部分热量传递到岩石内部,导致岩石温度相对较高,热影响更严重。(a)圆形激光照射后的形貌(b)椭圆激光照射后的形貌(c)圆形和椭圆激光辐照砂岩后所获数据对比图 8 圆形与椭圆激光束照射对砂岩辐照效果比较40Fig.8 Comparison of radiation effects of circular and elliptical laser beams on sandstone403.1.4 脉冲宽度和重复频率脉冲宽度和重复频率是脉冲激光的重要参数。脉冲宽度是指激光功率维持在一定值所持续的时间,重复频率是指 1 s 内脉冲出现的次数。在其他参数相同的情况下,随着脉冲宽度与重复频率的增长,激光孔深度先增大后减小,直径逐渐增大,SE 先减小后增大,ROP 先增大后降低,其中脉冲宽度的影响效果比重复频率更显著66-67。脉冲宽度的增加会提高单位时间内注入岩石的能量,促进岩石内部裂纹的生产,增大ROP,减小 SE,提高破岩效率;激光重复频率的增加会增加热应力的循环频率,增加断裂强度,使破岩的有效能量增多,从而降低 SE,提高破岩效率68。但过高的激光脉冲和重复频率会使注入岩石的能量过多,将增大岩石熔化概率,从而使 SE 增大,降低破岩效率69。3.2 岩石性质由于具有不同岩性的岩石试样在激光照射下产生的破坏行为是不同的,进而破岩效率也千差万别,因此应针对岩石性质,合理选择破岩工法和破岩参数。影响激光破岩效率的岩石性质主要包括如下方面。3.2.1 热导率作为岩石在地下工程研究中的主要物理特性之一,热导率体现了岩石导热能力的大小70-71。而热导率数值与岩石石英的含量和孔隙率的大小有关,石英含量越多,孔隙率越小,岩石热传导率越大。岩石热导率越高,岩石传播热量的速度就越快,岩石内部温度分布也更加均匀,局部发生热堆积可能性减少,从而降低因能量分布不均匀而导致的局部岩体熔化,使破碎岩石时比能下降,提高破岩效率72。在热传导较高的岩0921第 8 期郑亚魁,等:激光破岩技术研究进展石中使用激光,可使岩石中积累的结晶水与岩石内的矿物物质一起蒸发,使岩石膨胀,从而发生断裂。而岩石的热导率普遍较低,激光照射在岩石表面的能量很容易超过岩石本身的导热能力,使岩石局部升温过快,造成岩体内矿物质分解、岩石熔化、汽化以及间隙生成等二次效应,导致部分激光能量被损耗浪费,SE 显著增大9。3.2.2 矿物质成分由于岩石是非均质天然产物,不同类型的岩石,其体内矿物质成分不同,即便是同类岩石其矿物质含量也会有所差异。岩石所含