激光辐照热裂破岩规律及力学性能

郭辰光，孙 瑜，岳海涛，李 强，何顺之，张 寅

(1.辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁 阜新 123000；2.辽宁工程技术大学 辽宁省大型工矿装备重点实验室，辽宁 阜新 123000)

随着激光辐照热裂破岩技术研究的深入，其在深部油气钻井、硬岩快掘、深海钻探、太空采矿等极端环境下的应用前景给科研工作者带来无限遐想。激光辐照热裂破岩技术是利用低能量激光诱导岩石生成的局部热应力弱化岩石强度并加剧裂隙扩展，进而破碎岩石的方法，具有能量集中、渗透性高、破岩效率高、非物理式接触和无刀具磨损等优点。激光辐照热裂破岩涉及到激光与岩石之间复杂动态的交互作用，岩石强度弱化及热裂损伤程度受多种工艺参数耦合影响。因此开展激光辐照热裂破岩实验研究，分析不同工艺参数对激光辐照后岩样力学性能的影响规律，用以加剧激光辐照下岩石热裂效果和强度弱化，提高激光辐照热裂破岩效率是十分重要的。

目前，诸多学者在激光辐照热裂破岩技术领域开展了探索性研究工作。ZHU等使用X射线仪和能谱仪等设备分析了激光辐照下碳酸盐岩的破裂机理，发现碳酸盐岩中含有的石英成分在激光辐照下生成热应力，导致岩石强度降低并加剧裂隙扩展。NDEDA等研究了激光辐照非均质花岗岩过程中岩石裂纹扩展、温度变化及热应力分布规律，研究表明当岩石内生成的热应力超过岩石所含矿物的最低强度时，岩石破碎。JAMALI等分析了激光辐照砂岩、花岗岩和石英岩时各岩石热裂和强度弱化过程，发现高功率激光辐照下的岩石强度显著降低。LI等基于数值分析探讨了激光辐照花岗岩过程中岩石热应力分布规律，认为激光辐照区岩石温度的骤变导致岩石生成远高于岩石抗拉强度的拉应力，促使岩石破裂。EZZEDING等开展了激光破岩和机械破岩的数值模拟研究，研究表明激光辐照岩石时生成的热应力弱化了岩石强度，有效提高了破岩效率。YU等构建了激光辐照下岩石热裂纹分析数值模型，分析了温度对岩石力学性能的影响，提出花岗岩单轴抗压强度随温度升高而持续降低。刘拓等对激光辐射片麻状黑云母花岗岩过程中激光功率和作用时间对破岩效率的影响规律开展了研究，发现当激光功率为1 000 W时破岩效率最佳。李士斌等对激光功率和辐射时长对破岩效率的影响开展了研究，提出钻孔深度和直径随着激光功率和辐射时长增加而变大。XIA基于离散元颗粒法提出了一种热-力耦合颗粒模型，通过仿真分析发现与冷却条件相比，岩石在加热条件下形成更多的微裂纹。柯珂基于已有的激光破岩数值传热模型建立了激光破岩温度应力模型，提出温度应力是导致岩石热裂破碎的主要因素。

现有研究主要从激光辐照热裂破岩过程中岩石裂纹分布和强度变化角度分析岩石强度弱化和热裂程度，而从岩石物相变化角度分析岩石强度弱化和热裂程度的研究较少。笔者开展了激光辐照热裂破岩实验研究，分别从岩样形貌损伤、物相变化和力学性能3个角度分析激光热裂破碎花岗岩过程中激光功率、辐照时间和辐照距离等工艺参数对岩石强度弱化和热裂程度的影响规律。

1 实验系统及方案制定

激光辐照热裂破岩实验系统主要由实验平台和测试设备组成。实验平台整体结构如图1所示，主要包括LDM3000-100连续固态激光器和KR30-3HA型6自由度KUKA机器人。其中连续固态激光器激光功率为100～3 000 W，激光保护气为高纯氩气，光斑直径为4 mm；KUKA机器人重复定位精度为±0.05 mm。测试设备主要包括基恩士VHX-5000型超景深三维显微镜、菲利尔Flir-T640热像仪、误差在±0.01 mg的高精度电子天平、岛津XRD-6100型衍射仪和TAW-2000型电-液伺服岩石压缩试验仪等。其中超景深显微镜可观测的最大尺寸为20 000 pixel×20 000 pixel；菲利尔Flir-T640热像仪分辨率为640 pixel×480 pixel，标准测温为-40～+2 000 ℃；衍射仪的光源和检测器分别为X光管Cu靶辐照和NaI闪烁检测器，波长为0.15 nm；岩石压缩试验仪最大压力为2 000 kN。实验所用岩样的物性参数见表1，岩样尺寸为50 mm×100 mm。

图1 激光破岩实验设备Fig.1 Laser breaking rock experiment equipment

表1 花岗岩热物性参数

实验前采用角磨机及砂纸对岩样表面进行打磨处理，确保上下端面平行度在0.05 mm以内，端面平面度在0.02 mm以内。实验时测试室内保持恒温25 ℃，激光光斑直径为4 mm，在8块岩样上开展激光定点辐照实验，剩余2块岩样留作对比分析试件。激光辐照实验后使用超景深显微镜测量岩样形貌，采用干燥器具分别将岩样表面白色沉积粉末和烧灼孔内冷凝沉积物收集起来，使用200目筛网将白色粉末筛分，得到粉末D；将击碎的无激光辐照岩样块和收集的冷凝沉积物分别置于球磨机中研磨2 h，使用200目筛网将其筛分，依次得到粉末A，C；最后使用研钵仔细研磨烧灼孔内收集到的岩样颗粒，并使用200目筛网将其筛分，得到粉末B。使用高精度电子天平测量各样品粉末质量均为0.5 g，满足试片制作条件。使用X射线衍射仪分析各样品粉末矿物成分，为确保测量准确性，每种岩样进行2次X射线衍射测试，取衍射峰清晰且质量好的光谱作为最终结果。最后对激光辐照后的岩样进行力学性能分析，其中压缩速度为0.1 mm/min，载荷速度为10 N/s。

实验方案见表2，基于混合水平正交实验分别从岩样形貌损伤、物相变化和力学性能角度分析激光热裂破碎花岗岩过程中激光功率、辐照时间及辐照距离对岩石强度弱化和热裂程度的影响规律。

表2 混合水平正交实验方案

2 结果分析

2.1 激光辐照热裂破岩形貌损伤分析

激光辐照热裂破岩实验过程如图2所示，岩样反应区产生刺眼强光并迅速生成大量白烟，同时出现爆鸣声和火花飞溅现象。激光停止辐照5～7 s后岩样表面迅速冷却形成烧灼孔。

图2 激光破岩实验Fig.2 Laser breaking rock experiment

图3为激光辐照热裂破岩温度分布，图中横轴为激光辐照时间，纵轴为激光功率，蓝色虚线框内岩样的辐照距离为40 mm，红色实线框内岩样的辐照距离为60 mm(图5，6，13，14同)。随着激光辐照时间增加，岩样反应区最高温度增大。基于正交实验各影响因素存在交互作用，采用激光辐照热裂破岩温度主效应图开展分析。如图4所示，激光辐照时间对岩样反应区温度影响较大，激光功率次之，而激光辐照距离对岩样反应区温度影响较小；随着激光功率和辐照时间增加及辐照距离减小，岩样反应区温度增大。

图3 激光辐照热裂破岩温度分布Fig.3 Temperature distribution of the laser breaking rock

图4 激光辐照热裂破岩温度分析Fig.4 Analysis of the temperature distribution of laserbreaking rock

图5为激光辐照热裂破岩岩样形貌。烧灼孔内冷凝形成黑色玻璃釉质体，玻璃釉表面呈现光滑泡状，玻璃釉底部与岩石结合处存在较多裂纹。岩样表面存在一层由烟尘沉积而成的白色粉末和火花飞溅形成的微小喷溅颗粒，对比同线框内岩样形貌可知，岩样表面沉积的白色粉末随激光辐照时间增大而增多。这是由于随着激光辐照时间增大，岩石热破碎反应更为剧烈，生成大量白色烟尘。激光辐照后岩样生成数条以烧灼孔为中心向边缘蔓延的长裂纹，裂纹深度与烧灼孔深相近。对比8组岩样形貌可知，随着激光功率和辐照时间增加及辐照距离减小，岩样热裂效果增强，其中岩样8热裂效果最为明显。这是由于随着激光功率和辐照时间增大及辐照距离减小，激光辐照区岩样表面能量密度变大，岩石吸热增多，热裂破碎效果增强。

图5 激光辐照热裂破岩岩样形貌Fig.5 Morphology of laser breaking rock

图6为激光辐照热裂破岩岩样损伤效果，岩样烧灼孔中心及范围分别用红色加号和蓝色圆标记。岩样1烧灼孔径及深度均较小，热裂效果较差；随着激光功率和辐照时间增大，岩样烧灼孔径及深度变大，这是由于随着激光功率和辐照时间增大，激光辐照区岩石吸热增多，岩样热裂破碎反应强度变大，岩石热裂效果增强。部分岩样烧灼孔内生成较大气泡，这是由于随着激光辐照距离增大，岩样辐照区表面能量密度变小，岩石温升幅值变低，岩石熔化和汽化分解形成的汽化烟尘未及时逸出而被快速冷凝的熔覆物包裹，形成较大气泡。

图6 激光辐照热裂破岩岩样损伤效果Fig.6 Damage effect of laser breaking rock

2.2 激光辐照热裂破岩物相变化分析

取激光辐照热裂破岩物相分析图谱中衍射峰清晰且包含所有主要矿物成分的部分图谱开展分析，图7(a)为无激光辐照岩样物相图谱，其主要成分为石英、堇青石、云母和钠长石，其中石英的主要成分是SiO，具有硬度高和脆性大的特点。图7(b)为激光辐照区岩样物相图谱，其主要成分为石英、钙长石、云母和钠长石，其中钙长石主要成分为硅酸盐，具有热膨胀系数小、导热率低和强度低等特点。图7(c)为冷凝沉积物物相图谱，其主要成分为石英和钠长石，冷凝沉积物波谱图存在较多分布密集且幅值较小的衍射峰，这是由于花岗岩熔融沉积物中部分晶体转变为非晶体，无法使用X射线衍射仪分析其物相成分。图7(d)为白色沉积粉末物相图谱，其主要成分与激光辐照岩样物相成分相同。

图7 激光辐照热裂破岩物相分析部分图谱Fig.7 Part of the spectrum of the phase analysis of laser breaking rock

图8为激光辐照热裂破岩物相质量分数。图8(a)为无激光辐照岩样各矿物质量分数，石英、堇青石、云母和钠长石质量分数分别为3.9%，52.8%，5.7%和37.6%，其中堇青石和钠长石质量分数较高，石英和云母的质量分数较小。图8(b)为激光辐照区岩样各矿物质量分数，石英、钙长石、云母和钠长石质量分数分别为21.8%，15.6%，42.8%和19.8%。对比激光辐照前后岩样物相质量分数可知，堇青石和钠长石质量分数减少，石英、云母和钙长石质量分数增加。激光辐照后岩样所含高脆性和低强度矿物成分质量分数增加，岩样强度降低。图8(c)为白色沉积粉末各矿物质量分数，石英、堇青石、云母和钠长石质量分数分别为23%，43.6%，6.0%和27.4%,与无激光辐照岩样所含矿物成分质量分数，堇青石和钠长石质量分数减少，石英含量增加，云母质量分数近似不变。

图8 激光辐照热裂破岩物相质量分数Fig.8 Proportion of the phase content of laser breaking rock

实验方案1,3,5,7和2,4,6,8激光辐照区物相质量分数变化情况如图9，10所示。对比岩样(1，3)，(5，7)，(2，4)和(6，8)柱状图可知，随着激光辐照时间增加，烧灼孔内含有的石英和钙长石质量分数增多。基于正交实验各影响因素存在交互作用，采用激光辐照区物相质量分数主效应图开展分析。如图11所示，激光辐照时间对石英和钙长石质量分数影响较大，激光功率次之，而激光辐照距离对石英和钙长石质量分数影响较小；随着激光功率和辐照时间增加及辐照距离减小，岩样热裂反应区范围变大，烧灼孔内含有的石英和钙长石质量分数增多，岩样所含高脆性、低强度和低热膨胀系数的矿物成分增加，岩石强度弱化效果增强。

图9 实验方案1,3,5,7激光辐照区物相质量分数变化情况Fig.9 Change of the proportion of the phase of thelaser-irradiated area in 1,3,5,7 groups of experiments

图10 实验方案2,4,6,8激光辐照区物相质量分数变化情况Fig.10 Change of the proportion of the phase of thelaser-irradiated area in 2,4,6,8 groups of experiments

图11 激光辐照区物相质量分数分析Fig.11 Analysis of the proportion of the phasecontent in the laser irradiated area

2.3 激光辐照热裂破岩力学性能分析

图12为无激光辐照岩样试件力学性能(抗压)分析结果。图12(a)为岩样压裂形貌，在轴向压力作用下，无激光辐照岩样左侧出现大块岩石劈裂现象，而岩样右侧破碎效果并不明显。岩样出现单侧不均匀压裂现象与岩石所含矿物成分和自身裂隙分布有关。图12(b)为无激光辐照岩样轴向应力-应变曲线，由图12(b)可知无激光辐照岩样抗压强度和轴向应变分别为83.78 MPa和2.87%。

图12 无激光辐照岩样试件力学分析结果Fig.12 Mechanical results of rock specimens without laser radiation

图13，14分别为不同激光辐照条件下岩样挤压形貌和破碎效果。方案1岩样在轴向压力作用下产生较小形变，且仅有少许岩屑崩落，岩石破裂效果较差；随着激光功率和辐照时间增加及辐照距离减小，岩样在轴向压力作用下产生的形变量变大，挤压破裂程度变大，其中方案8岩样形变量最大，且挤压破裂效果最为明显。结合3.1节可知，随着激光功率和辐照时间增加及辐照距离减小，岩样热裂效果增强，岩石弱化程度变大，因此在相同轴向压力作用下岩样挤压破碎效果增强。

图13 不同激光辐照条件下岩样挤压形貌Fig.13 Extrusion morphology of rock samples underdifferent laser radiation conditions

图14 不同激光辐照条件下岩样压裂效果Fig.14 Rock sample fragmentation effect underdifferent laser radiation conditions

图15，16分别为激光功率为900和1 300 W时岩样应力-应变曲线。与图11对比可知，激光辐照作用下岩样抗压强度减小，岩石强度弱化。在激光功率和辐照距离相同条件下，分别对比岩样(1，3)，(5，7)，(2，4)和(6，8)曲线可知，随着激光辐照时间增大，岩样抗压强度变小，脆性增强，岩样强度弱化程度变大。

图15 激光功率为900 W时岩样应力-应变曲线Fig.15 Stress-strain curves of rock sample at900 W laser power

图16 激光功率为1 300 W时岩样应力-应变曲线Fig.16 Stress-strain curves of rock sample at1 300 W laser power

图17 工艺参数对激光辐照岩样力学性能的影响Fig.17 Effect of process parameters on thedynamic performance of laser breaking rock

基于正交实验各影响因素存在交互作用，采用工艺参数对激光辐照岩样力学性能影响的均值主效应图17开展分析。由图17可知，激光辐照时间对岩石强度弱化效果影响较大，激光辐照距离次之，而激光功率对岩石强度弱化效果影响较小。激光辐照时间和激光功率对岩石弱化效果的影响为负效应，随着激光辐照时间和激光功率增大，岩石抗压强度变小，岩石强度弱化效果增强；激光辐照距离对岩石弱化效果的影响为正效应，随着激光辐照距离增大，岩石抗压强度变大，岩石强度弱化效果减弱。这是由于随着激光辐照时间和激光功率增大及辐照距离减小，激光辐照区能量密度变大，岩样热裂破碎反应增强，裂纹扩展加剧，岩石强度弱化效果增强。

3 结 论

(1)激光辐照下岩石生成的局部热应力有效弱化了岩石强度，诱导并加剧了岩石裂纹生成与扩展；且随着激光功率和辐照时间增加及辐照距离减小，岩石反应区温度变大，岩石吸收热量增多，岩石强度弱化和裂纹扩展程度增强，激光辐照热裂破岩效率提高。

(2)在激光辐照热裂破岩过程中，当激光辐照时间和激光功率较小及辐照距离较大时，岩样烧灼孔深度较小，且孔径分布较为均匀，烧灼孔内生成泡状结构；随着激光功率和辐照时间增大及辐照距离减小，激光辐照下岩样裂纹含量增多，裂纹深度变大，烧灼孔直径变大，岩样热裂效果增强。

(3)激光辐照热裂破岩前岩样主要成分为石英、堇青石、云母和钠长石；激光辐照热裂破岩后岩样中部分堇青石和钠长石质量分数降低，而高脆性、低强度和低热膨胀系数的石英和钙长石质量分数增加，且随着激光功率和辐照时间增加，岩样所含高脆性、低强度和低热膨胀系数的矿物成分增幅变大，岩石强度降低程度变大；熔融沉积物主要成分为石英和钠长石，近似玻璃釉质地；白色沉积粉末所含矿物成分与激光辐照前岩样所含矿物成分相同。

(4)在激光辐照热裂破岩过程中，当激光辐照时间和激光功率较小及辐照距离较大时，岩样在轴向压力作用下产生较小的形变，挤压破碎效果较差；随着激光功率和辐照时间增大及辐照距离减小，岩样轴向形变量变大，岩石抗压强度显著降低，挤压破碎效果增强。

随着浅层矿产资源的逐渐枯竭，极地、深地、深海、太空等极端环境下矿产资源的勘测与开采越发迫切，激光辐照热裂破岩技术所具有的能量集中、破岩效率高、适应性强的特点使其成为极端环境下高效破岩备选技术手段之一，这对于保障我国能源、矿产资源安全意义重大。然而可以预见的是激光辐照热裂破岩技术仍有大量基础研究工作需要开展，尤其是在以工业应用为导向的激光功率、辐照距离、扫描速度、路径轨迹等工艺参数对激光热裂破岩效果的敏感性规律、激光辐照热裂破岩工艺数据库构建、破岩比能优化、破岩速率提升等方面是后续研究的重点。