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激光破岩技术研究进展.pdf
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1、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
2、),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
3、,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,
4、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
5、 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 Resea
6、rch 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:
7、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 technolog
8、y 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
9、 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 gu
10、idance 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
11、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
12、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 perf
13、ect 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
14、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
15、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
16、。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,
17、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
18、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
19、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
20、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
21、 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
22、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
23、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
24、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
25、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/
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