超声波振动频率对岩石破碎规律的影响

刘莉莎，李 坤，张红红

(1.长春工程学院勘查与测绘学院，长春 130021； 2.山东正元建设工程有限责任公司，济南 250100；3.山东省地矿工程集团有限公司，济南 250200)

0 引言

超声波振动碎岩技术是一种新型的碎岩技术，目前还处于室内试验阶段。由于其振动频率接近岩石的固有频率，在较短时间内使岩石内部产生较大的损伤，降低岩石的破碎难度，有助于提高碎岩效率[1]。

本文采用超声波换能器直接对岩石加载超声波振动，来研究超声波振动频率对岩石破碎规律的影响。目前，超声波振动钻进技术已应用于金属、玻璃及其他领域[2-4]，在碎岩工程中也得到应用并取得了一定的成果[5]，尤其是在太空钻进取样中，NASA针对太空复杂的工作情况，研制了太空钻探取样器Ultrasonic/Sonic Drill/Corer(USDC)[6-7]，并在岩石上进行了钻进实验，取得了良好的钻进效果。而且，上述研究均发现，在共振状态下岩石的破碎效果最好。但是，上述研究均没有从细观上入手，分析岩石宏观变化的成因。

大量学者研究表明[8-13]，裂纹是影响岩石有效弹性性质的主导因素。在外载荷的作用下岩石内部的裂纹及孔隙均会发生变化。因此，在细观上探究超声波振动后岩石内部的损伤情况，对本文的研究内容很有意义。而核磁共振扫描的技术手段[14]恰好能准确定量地反映出岩石内部孔隙、裂纹的情况，适合于本文的研究要求。

本文通过核磁共振扫描的方法，筛选孔隙度相近的岩样进行试验测试，确保了初始试验条件的一致性。之后对筛选岩样进行超声波振动试验，并对振动试验后的岩样再次进行核磁共振扫描，对比振动前后孔隙度的变化及抗压强度的变化。

1 实验

1.1 实验材料

超声波振动碎岩手段对硬岩破碎效率提升较大，因此，本文采用花岗岩作为实验研究对象。其物理参数见表1。

表1 岩石物理参数

1.2 实验方法

首先对岩石进行核磁共振扫描实验，进行孔隙度测量，筛选孔隙度相近的岩石进行分组。随后，对分组岩石分别进行不同频率的超声波振动试验。对振动后的岩石进行核磁共振扫描实验，观察孔隙度的变化情况。最后，对岩石进行抗压强度实验，观察抗压强度的变化情况。实验分为A～E 5组(每组5个岩样)，其中A组为对照组(不振动)，其孔隙度及所对应的抗压强度作为基准。B～E组为实验组，实验参数见表2。

表2 振动实验参数

1.3 实验装置

核磁共振扫描设备如图1所示，超声波振动设备如图2所示，万能试验机如图3所示。

(a)真空饱和装置

(b)核磁共振分析系统图1 核磁共振装置

图2 超声波振动实验装置

图3 万能试验机

2 结果与讨论

2.1 弛豫时间

图4为不同频率下弛豫时间T2分布图。从图中可以看出，超声波振动后，孔隙度分量及第2峰值出现的时间随超声波振动频率的改变而改变。且在频率为35 kHz时，变化情况最为明显。驰豫时间T2分布图反映的是岩石内部孔隙结构情况。弛豫时间T2与孔隙度的关系如式(1)：

(1)

式中：T2为表面驰豫时间；ρ为T2表面驰豫强度；S为孔隙表面积；V为孔隙体积。

式(1)表明：在饱和水岩石中，孔隙度小，横向弛豫时间T2值小；孔隙度大，T2值也大。

孔隙度分量的增加说明在核磁共振试验中所测得的信号量增加，即岩石内部孔隙及裂纹整体数量增加，而第2峰值出现时间的延后表明岩石内部孔隙半径增大，说明岩石内部孔隙及裂纹发生扩展，孔隙体积增大。上述现象表明：超声波振动对岩石内部损伤程度加剧。超声波振动能够加剧岩石内部原有的损伤程度，同时，不同的振动频率对岩石损伤程度也有所不同，35 kHz比较接近岩石的固有频率。

图4 弛豫时间T2与振动频率的关系

2.2 孔隙度与抗压强度

孔隙度及抗压强度的变化情况见表3，由于岩样的初始孔隙度相近，且取自同一块岩石，故A组岩石的初始参数可视为该条件下各组岩石的参照值。由表3可以看出，岩石抗压强度与孔隙度呈反比，孔隙度越大，岩石抗压强度越小。但岩石孔隙度增大幅度要大于岩石抗压强度的降低幅度。这主要是由于核磁共振所测试的孔隙度是岩石内部孔隙及裂纹的空隙总和，而孔隙对岩石抗压强度的影响不大，裂纹是影响岩石性能的主导因素[8-13]，故使孔隙度的增加幅度大于岩石强度的降低幅度。图5为振动频率与抗压强度的关系图。从图5可以看出，超声波振动后岩石抗压强度均下降，在振动频率为35 kHz时，岩石抗压强度变化最大，降低幅度为41.67%。

表3 振动频率与孔隙度及抗压强度的关系

图5 振动频率与抗压强度的关系图

由于在相同条件下，岩石的固有频率是一定的，而超声波振动碎岩属于高周疲劳破碎，即振动频率高，振动力小。当外界振动频率与岩石固有频率相差较大时，周期性的振动力作用于岩石表面，并且，岩石内部的入射波和反射波容易在裂隙尖端产生应力集中，应力集中达到一定程度时，岩石内部薄弱区域在交变应力作用下，逐渐发生损伤累积、开裂。此时，岩石的破碎形式属于高周疲劳破碎。当外界振动频率与岩石的固有频率接近时，岩石产生共振现象，岩石在共振条件下自身振幅及内力最大，其内部的微裂纹裂隙急剧扩张，导致岩石损伤程度急速加剧。此时，岩石的破碎形式属于共振破碎。但是，当

岩石内部损伤到达一定程度时，其固有频率也随之下降，这便造成了30 kHz的振动频率下，岩石抗压强度小于40 kHz振动频率下岩石的抗压强度。

3 结语

通过上文的研究，我们主要得到以下几点结论：1)核磁共振扫描试验精确地反映了岩石内部空隙结构的情况，孔隙度与抗压强度之间成反比关系，它们的变化曲线趋势相互吻合。2)35 kHz较为接近岩石的固有频率。3)外界振动频率越接近岩石的固有频率，碎岩效果越好。

[1] 丁庆军，陈超.深空探测用超声波/声波钻探采样器的研究[J].岩石力学学报，2008，33(5)：76-79.

[2] 王德玲，沈疆海，葛修润.岩石疲劳扰动模型的研究[J].水利与建筑工程学报，2006(2)：32-33.

[3] 郭俊杰.新型超声波钻探器的研究[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[4] 李玮，李思琪.探索高效破岩技术推进油田钻井开发[J].中国石油大学学报：自然科学版，2015，35(2)：74-79.

[5] 常德玉，李根生，沈忠厚，等.深井超深井井底应力场[J].石油学报，2011，32(4)：697-703.

[6] 王大勋，刘洪，韩松.深部岩石力学与深井钻井技术研究[J].钻采工艺，2006，29(3)：6-10.

[7] 李思琪，闫铁，李伟玮，等.高频谐波振动冲击破岩机制及试验分析[J].中国石油大学学报：自然科学版，2015，39(4)：85-91.

[8] 左宇军，李夕兵，张义平.动静组合加载下的岩石破坏特性[M].北京：冶金工业出版社，2008.

[9] 李夕兵，宫凤强，高科，等.一维动静组合加载下岩石冲击破坏试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(2)：251-260.

[10] 李夕兵，周子龙，叶州元，等.岩石动静组合加载力学特性研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(7)：1387-1395.

[11] 章清叙，葛修润，黄铭，等.周期荷载作用下红砂岩三轴疲劳变形特性试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006(3)：473-478.

[12] 葛修润，蒋宇，卢允德，等.周期荷载作用下岩石疲劳变形特性试验研究[J].岩石力学与工程学报，2003，10：1581-1585.

[13] 熊玉成.声频振动钻进的机理研究[D].北京：中国地质大学，2007：5.

[14] 杨威，李磊，赵延旭，等.共振碎岩理论的初步探究[J].能源技术与理，2007(4)：7-9.