新型高效巖石破碎技術(shù)分析

周興平

摘? 要：目前國(guó)內(nèi)對(duì)煤礦、油氣等地下礦產(chǎn)資源的需求量不斷上升，資源隨著不斷地開(kāi)采，地層淺部的礦產(chǎn)資逐漸枯竭，地下深層礦產(chǎn)資源的勘探、開(kāi)發(fā)將成為我國(guó)未來(lái)科學(xué)研究的重點(diǎn)項(xiàng)目。本文鑒于當(dāng)前破巖現(xiàn)狀，著重討論一些新型的高效破巖技術(shù)，如水力破巖、激光破巖、高速粒子沖擊破巖等，通過(guò)對(duì)比分析等方法從巖石特性、破巖機(jī)理和發(fā)展前景等方面進(jìn)行分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞：巖石破碎? 旋沖鉆井? 高速粒子? 機(jī)械破巖

中圖分類號(hào)：TD231.6 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）04（c）-0036-03

Analysis of New High-Efficiency Rock Crushing Technology

ZHOU Xingping

（School of Mechanical Engineering， Heilongjiang University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang Province， 150022? China）

Abstract： At present， the domestic demand for underground mineral resources such as coal mine， oil and gas is increasing， and the shallow mineral resources are gradually exhausted with the continuous exploitation. The exploration and development of deep underground mineral resources will become the key project of scientific research in the future. In view of the current situation of rock breaking， this paper focuses on the discussion of some new efficient rock breaking technologies， such as hydraulic rock breaking， laser rock breaking， high-speed particle impact rock breaking and so on. Through comparative analysis and other methods， this paper analyzes and summarizes the rock characteristics， rock breaking mechanism and development prospects.

Key Words： Rock crushing; Rotary drilling; High speed particles; Mechanical rock breaking

1? 水力破巖技術(shù)

1.1 高壓水力脈沖破巖技術(shù)

在早期，SELFRAG公司最先將焦點(diǎn)集中于高壓脈沖設(shè)備的研制，并將其應(yīng)用在礦產(chǎn)資源的挖掘、其他行業(yè)硬性物質(zhì)的破碎等方面。在國(guó)內(nèi)，該技術(shù)大部分一直處于實(shí)驗(yàn)階段。

高壓水力脈沖破巖是基于液壓脈沖空化射流原理而產(chǎn)生的，該技術(shù)在實(shí)施中需將絕緣液體引流到被破碎巖石的表面，放電電極與被破碎巖石觸碰，并通過(guò)電極施加一定的高壓脈沖，此時(shí)巖石會(huì)被電擊穿，從而形成等離子通道，高壓脈沖波的不斷沖擊致使巖石等離子通道受膨脹而產(chǎn)生裂隙，拓展面積不斷加大，最終導(dǎo)致巖石破碎[1]。各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)實(shí)踐表明，該項(xiàng)技術(shù)具有運(yùn)行穩(wěn)定、破碎效率高、對(duì)周圍環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)。

1.2 高壓水射流輔助破巖技術(shù)

早在19世紀(jì)中期，國(guó)外科學(xué)家率先將水射流應(yīng)用在非固結(jié)礦床的開(kāi)采試驗(yàn)上。高壓水射流技術(shù)主要被用來(lái)應(yīng)用在礦產(chǎn)、石油鉆井等領(lǐng)域，因其可以有效的避免礦井中的瓦斯爆炸，在煤礦開(kāi)采中使用率更高。該技術(shù)的基本原理主要是依靠脈沖發(fā)生器所發(fā)射的高壓水射流高速?zèng)_擊到鉆孔中，產(chǎn)生的瞬間高壓能夠迅速的破碎巖石。巖石的破碎進(jìn)程可定義為巖石內(nèi)部損傷的疊加，是剪應(yīng)力和主應(yīng)力共同作用的效果，高壓水射流在到達(dá)巖體時(shí)會(huì)產(chǎn)生向四周擴(kuò)散的半球面波，應(yīng)力波傳播時(shí)經(jīng)過(guò)巖體裂縫發(fā)生波的反射和衍射，并在縫隙處疊加能量，當(dāng)疊加的能量達(dá)到一定值時(shí)，巖石遭到破壞[2]。

高壓水射流在輔助巖石破碎時(shí)會(huì)受到多方面的影響，包括礦井深部的高壓強(qiáng)、巖石孔隙的壓力、高速射流所造成的巖體破裂等。在當(dāng)前，高壓水射流輔助破巖技術(shù)能夠較大地提高巖石破碎的效率，具有廣闊的發(fā)展前景，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷加大，但射流本身具有較大的復(fù)雜性，破巖過(guò)程形式多樣，不宜把控，因而在許多方面需要進(jìn)一步地改進(jìn)與創(chuàng)新。

2? 機(jī)械破巖技術(shù)

2.1 旋沖鉆井破巖技術(shù)

旋沖鉆井破巖裝置主要由沖擊裝置和PDC鉆頭組成，兩者通過(guò)螺桿配合，組成軸向沖擊和高轉(zhuǎn)速切削疊加的巖石破碎技術(shù)。該技術(shù)基本原理是鉆井液經(jīng)沖擊裝置中的水力震蕩元件形成的脈沖射流通過(guò)螺桿對(duì)PDC鉆頭產(chǎn)生周期性的軸向沖擊力，在沖擊載荷輔助作用下，PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巖石破碎程度更加顯著，同時(shí)降低了周圍巖體的強(qiáng)度，提高巖石破碎效率[3]。

該項(xiàng)技術(shù)的破巖效果主要依靠它的沖擊裝置來(lái)體現(xiàn)，根據(jù)沖擊裝置的不同劃分為氣動(dòng)式旋沖鉆井技術(shù)和液動(dòng)式旋沖鉆井技術(shù)。

2.2 復(fù)合沖擊破巖技術(shù)

復(fù)合沖擊破巖技術(shù)根本原理就是將軸向的脈動(dòng)沖擊與扭轉(zhuǎn)沖擊破巖相結(jié)合，將沖擊裝置所具有的流體能量轉(zhuǎn)換成軸向和扭向相交替的高頻沖擊能量，而軸向與扭向的沖擊能對(duì)鉆頭產(chǎn)生不同的效應(yīng)[4]。其中，軸向沖擊能使鉆頭軸向破碎巖石的能量不斷加大，而扭向沖擊可通過(guò)鉆桿的旋轉(zhuǎn)將能量傳給底部的鉆頭，在此效果下較大程度地提高了鉆頭的巖石破碎效率。

復(fù)合沖擊破巖技術(shù)與常規(guī)旋轉(zhuǎn)沖擊破巖相比，巖石破碎程度更大，巖石碎塊更多。隨著沖擊裝置工作頻率增加，巖石破碎效率相應(yīng)提高。

3? 高速粒子沖擊破巖

粒子沖擊破巖是一個(gè)連續(xù)不間斷的進(jìn)程，當(dāng)高速粒子沖擊到巖石外表后，首先會(huì)在沖擊區(qū)域面內(nèi)有缺陷的表面產(chǎn)生赫茲裂紋，緊隨著粒子的不斷沖擊下，其巖石表面接觸應(yīng)力不斷增加，同時(shí)在高壓力作用下裂紋逐漸延伸，從而達(dá)到巖石破碎的效果[5]。對(duì)于給定很短的時(shí)間周期與很小的接觸面積導(dǎo)致了巨大的接觸應(yīng)力，這種接觸應(yīng)力比常規(guī)鉆頭施加的壓力要大得多。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)是目前鐵道、水電交通礦山市政等硬巖隧洞施工中普遍應(yīng)用的工程機(jī)械，主要是利用旋轉(zhuǎn)刀盤上的滾刀擠壓破巖實(shí)現(xiàn)隧道掘進(jìn)的目的，其主要克服的是巖石的抗壓強(qiáng)度，工程實(shí)踐表明在巖石的單軸抗壓強(qiáng)度在100MPa左右時(shí)，掘進(jìn)機(jī)破巖效率相對(duì)尚可，但隨著巖石強(qiáng)度的增加，破巖效率逐漸下降，滾刀異常磨損和更換頻率增加，導(dǎo)致工期延長(zhǎng)和施工成本的增加[6]。且在遇到地質(zhì)不均或復(fù)雜地層時(shí)，掘進(jìn)機(jī)主軸承和機(jī)械刀具都易發(fā)生損壞[7]。

與常規(guī)鉆井破巖技術(shù)相比，高速粒子沖擊破巖技術(shù)具備很強(qiáng)的破巖優(yōu)勢(shì)，大大地減少了能量的損耗，其破巖速度提高了2～4倍，可顯著提高具有較高硬質(zhì)、耐研磨性強(qiáng)的工作環(huán)境的機(jī)械鉆速。該技術(shù)大幅度提高了經(jīng)濟(jì)效益，是深礦、硬地層井下破巖的新技術(shù)，具有較好的發(fā)展前景。但在地層深處高溫、高圍壓的環(huán)境下對(duì)粒子射流沖擊破巖產(chǎn)生較大的影響，很多地方仍然存在不足，需進(jìn)一步對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究與改進(jìn)。

4? 其他破巖方法

4.1 CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)

相變的定義為，當(dāng)物質(zhì)在外部條件如溫度、磁場(chǎng)、壓力等連續(xù)的變換之下，從一種相轉(zhuǎn)變成另一種相。液態(tài)的CO2在外部條件下能夠從液態(tài)轉(zhuǎn)換成氣態(tài)，發(fā)生液-氣相變的現(xiàn)象，致使液態(tài)CO2體積發(fā)生膨脹，通過(guò)外部條件控制釋放能量的大小、相變轉(zhuǎn)換的時(shí)機(jī)，其瞬間膨脹所爆發(fā)的機(jī)械能做功，以此達(dá)到破碎巖石的需求。

該技術(shù)的基本原理是通過(guò)壓力泵將液態(tài)的CO2壓縮后輸送到巖石破碎裝置的膨脹管內(nèi)，通過(guò)激活器的作用， 液態(tài)CO2在短時(shí)間相變，產(chǎn)生大量高壓CO2氣體，管內(nèi)壓強(qiáng)超過(guò)破裂片預(yù)設(shè)臨界值，其破裂片破裂，高壓氣體從噴射孔向周圍巖石孔壁噴出，形成沖擊載荷[8]。與此同時(shí)，高壓CO2氣體會(huì)向巖石裂隙內(nèi)滲入，使原有的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，隨著高壓氣體的不斷膨脹，達(dá)到巖石破碎的目標(biāo)。

對(duì)于該技術(shù)的發(fā)展，CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)應(yīng)用比較普遍，但對(duì)其液-氣相變機(jī)理的研究、鉆井孔內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)化屬性研究等存在一定的不足，市場(chǎng)上CO2液-氣相變膨脹做功裝置質(zhì)量參差不齊，以成熟的技術(shù)手段應(yīng)用到各類破碎行業(yè)中還需一定的時(shí)間，各方應(yīng)客觀的看待此項(xiàng)技術(shù)，鑒于不斷實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用到實(shí)踐中，共同致力于該技術(shù)的完善與發(fā)展。

4.2 激光破巖技術(shù)

激光破巖技術(shù)作用機(jī)理是在鉆井底部，通過(guò)發(fā)射激光鉆頭將激光束直接照射在巖石的外表，是一種非接觸式的破碎巖石方法。當(dāng)激光束照射在巖石表面時(shí)，巖石會(huì)根據(jù)激光的強(qiáng)弱等級(jí)爆炸成碎片、熔融為液態(tài)，甚至高能激光會(huì)將巖石蒸發(fā)為氣態(tài)，而巖石其他區(qū)域也因激光能量的傳遞發(fā)生不同空間范圍內(nèi)的溫度差，加大巖石內(nèi)部微觀裂隙的形成及間隙的擴(kuò)大，從而增大巖石破碎程度[8]。

激光破巖技術(shù)與傳統(tǒng)炸藥破巖技術(shù)相比具有安全而又低耗的特性，在石油鉆采、隧道巖石破碎等方面得到相當(dāng)高的關(guān)注，但在實(shí)際應(yīng)用中，激光的遠(yuǎn)距離傳輸仍是一個(gè)相當(dāng)大的局限性，井下巖石破碎產(chǎn)生的礦物分解、巖石碎塊的重融等都會(huì)引起激光束能量的損耗。相信隨著激光相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，激光破巖技術(shù)定能真正走向大眾舞臺(tái)，大幅提高巖石破碎效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

4.3 高壓液氮射流輔助破巖技術(shù)

在常壓下，液氮溫度為-196℃，在鉆井破巖過(guò)程中，伴隨采掘深度不斷加深，在礦井下的空氣及巷道周圍巖體的溫度不斷升高，當(dāng)兩者接觸過(guò)程中溫差大，液氮會(huì)對(duì)巖石迸發(fā)劇烈的冷沖擊作用，從而有效地降低巖體的抗拉、抗壓強(qiáng)度。當(dāng)巖石的溫度越高，巖石經(jīng)冷沖擊后力學(xué)性能的弱化水平越強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，巖石產(chǎn)生裂縫并迅速擴(kuò)展，輔助以射流沖擊從而達(dá)到巖石破碎的作用[9]。

高壓液氮射流技術(shù)聯(lián)合了液氮低溫冷沖擊與高速射流沖擊的雙重作用，可明顯降低巖石的碎裂難度，大幅提升巖石的破碎效果[10]。液氮射流在提高深部硬地層的滲透率方面有著廣闊的應(yīng)用前景，尤其是深部干熱巖地?zé)峋甗11-13]。與此同時(shí)，氮?dú)馐嵌栊詺怏w，使用無(wú)污染，制冷迅速，在其他制冷領(lǐng)域也有著較好的發(fā)展前景[14-15]。在實(shí)際鉆井過(guò)程中，隨鉆井深度的一直加深，液氮的儲(chǔ)存、輸送都面臨著一定的難題，該技術(shù)需進(jìn)一步改進(jìn)。

5? 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)下，國(guó)內(nèi)外對(duì)能源的需求不斷增加，新型高效的鉆井破巖技術(shù)的發(fā)展愈發(fā)重要。任何一種破碎方法都有它的優(yōu)勢(shì)與不足，傳統(tǒng)破巖方法仍然有需要借鑒的地方。在破巖技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，更多的是與傳統(tǒng)機(jī)械破巖方式結(jié)合。在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，機(jī)械旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)破巖技術(shù)以其較為完善的理論和實(shí)踐，仍將在鉆井破巖工作中起主導(dǎo)地位。相信隨著科學(xué)研究不斷向前，新型高效的破巖技術(shù)會(huì)摒棄傳統(tǒng)鉆井破巖技術(shù)的劣勢(shì)，集能量損耗更少，鉆井破巖效率更高，生產(chǎn)成本更低等優(yōu)勢(shì)于一體，為國(guó)家的發(fā)展做出更重要的貢獻(xiàn)。

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