激光破岩技术研究进展

郑亚魁, 旷鸣海, 张 魁, 3, *, 汪鼎华, 聂 雄

(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)

0 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10～100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1023W/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

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

2 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[9]

图3 激光破岩试验平台

2.2 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。

(1)

(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[34]

图5 激光辐照岩石示意图(以圆形光束为例)

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。

表2 激光破岩理论模型研究成果

(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

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

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。

(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]

3.1.2 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。

(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

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。岩石所含不同矿物质成分在熔点上的差异,决定了激光破岩性能,具体表现如下: 1)以石英岩为例,其内部富含石英成分。在相同激光束辐照下,随着石英含量的增加,岩石熔化温度会升高,岩石破坏程度降低,岩石熔化和蒸发消耗能量变多,激光破岩时SE增多。2)以砂岩和页岩为例,大部分都含有带水的黏土矿物。在激光辐照下,一方面,黏土矿物中的水分在高温下受热汽化,汽化产生的水蒸气使岩石膨胀,产生裂纹,随着能量的持续注入,裂纹不断扩展延伸,最终达到破碎岩石的效果;另一方面,在较低的温度下,黏土会发生坍塌和尺寸缩减,从而得到较深的激光孔径[73-74]。3)以花岗岩为例,其在激光作用下的破碎行为与砂岩和页岩相似[75]。不同的是,在相同激光参数下,花岗岩与页岩会出现剥落现象,而砂岩一般只会出现熔化现象,这是由于砂岩主要由石英和长石组成,含有多种矿物质,如硅、钙、黏土、氧化铁等,在激光照射过程中,高功率密度的激光束被吸收,导致砂岩熔化,凝固后产生玻璃釉层,容易造成熔化、汽化等二次效应,能量浪费更多[10]。4)以石灰岩为例,其内部主要成分是CaCO3。当石灰岩与激光相互作用时,其体内CaCO3就会发生热解离,产生CO2气体,使岩石膨胀破裂,再加上石灰岩导热系数低,岩体内温度分布不均,一般以较小的碎片分解。

杭州市富阳区国土资源行政复议诉讼情况分析与对策（王双钢） ...................................................................1-49

3.3 工作环境与方式

不同于实验室环境,工程钻井等地下工程所处地层的地质条件复杂多变(例如存在含油岩层、含水岩层、热岩层等),不同的工作环境以及破岩过程中岩屑的清扫方式会对激光破岩机制和效率造成极大影响。归纳总结包括如下方面。

3.3.1 岩层所处饱和类型

岩石为多孔隙物质,因此在其赋存环境下填充有油、水和气等流体介质[76]。岩层所处的不同饱和类型对激光破岩效率产生了显著影响。Kariminezhad等[62]利用CO2激光分别照射干燥和湿润的混凝土,发现水分使激光破岩主要去除机制从蒸发变为裂散,激光照射在水饱和混凝土上时,水吸收能量变成水蒸气,使岩石膨胀破碎,水的存在使得ROP显著增长,SE降低,从而促进激光破岩效果。激光破碎干燥混凝土与水饱和度为15%混凝土所需比能如图9所示。Ahmadi[63, 77]、Rad[78]和Dini[58]等利用CO2激光和Nd:YAG激光照射干燥、水饱和以及油饱和的花岗岩和石灰石等,发现在激光辐照时,加热液体比气体所需能量更多,而由于水和油的汽化点和比热容差异很大,水的汽化需要更多时间与能量,使激光破碎水饱和岩石所需比能最高,油饱和岩石次之,干燥岩石最低。激光破碎不同饱和液体岩石所需比能如图10所示。对比图9与图10可知,学者们在研究流体对激光破岩影响时所获结论有所差异,这主要是由于他们试验条件不一样,如激光器类型,激光参数、岩石种类等选择不一样。激光破岩是极其复杂的过程,考虑流体之后又将流体热力学等融入其中,使这一过程变得更加复杂。不同的激光器配合不同的饱和流体岩石会得到不一样的效果,业界关于流体对激光破岩效果的研究还比较浅显,目前尚未得出统一的影响机制,还需进一步深入研究。

图9 激光破碎干燥混凝土与水饱和度为15%混凝土所需比能[62]

3.3.2 岩层围压

现有激光破岩研究大都是在实验室标准大气压下进行的,但想要将其运用于工程实际,就必须考虑地下岩石所处压力条件的影响。当岩石处于较大压力条件下时,其孔隙率、力学性能等会发生改变,这会影响激光破岩时的ROP和SE,从而影响激光破岩效果。Erfan等[79]研究了温度、液压和围压对激光钻孔ROP和SE影响,指出随着温度、液压和围压的升高,岩石ROP降低,SE升高,这是由于随着围压的升高,岩石内部颗粒会被压紧,颗粒间的接触变强,热应力减小,岩石强度提高,从而需要更多的能量才能使其破碎。Gahan等[80]设计了一种精密三轴试验装置,并对砂岩、石灰岩进行了不同围压、轴压和孔隙压力组合下的激光测试,研究发现比能随着围压和轴向压力的增大而减小,这是由于在围压和轴向压力作用下,岩石内部颗粒接触更紧密,岩石热导率变大,热量扩散变快,岩石内部矿物质等熔化变困难,从而降低岩石比能,提高破岩效率。不难发现,由于激光参数和试验条件的不同,学者们得到的研究结果有所差异,但都证实了围压对激光破岩效率有显著的影响。

(a) 花岗岩

(b) 砂岩

3.3.3 岩屑清扫

激光破岩过程中是否有辅助气体吹扫岩屑,以及辅助气体吹扫方式和流速等对破岩效果有显著影响。激光照射岩石时,岩石表面吸收能量产生热裂纹、熔化以及汽化等现象,形成激光孔洞。如果孔内岩屑和熔融物没有及时被辅助气体吹扫清除,沉积在孔底,就会阻碍激光能量进一步传递,同时会对激光能量造成二次吸收,使激光能量损耗变大,有效破岩能量减少,破岩效率降低。Wang等[81]系统地分析了同轴辅助气体和纵向磁场辅助对毫秒激光打孔过程、打孔效率和打孔质量的影响,研究发现在激光钻盲孔和通孔过程中,同轴辅助气体和纵向磁场都有效地提高了钻孔效率,但同轴辅助气体对钻孔效率的提升效果更显著; 当采用同轴氩气气流配合纵向磁场辅助钻孔时,主要靠辅助气体吹扫清除岩屑和熔融物,纵向磁场进一步对等离子体进行垂直挤压和水平拉伸,有效提高了激光打孔效率和质量。

4 激光辅助隧道挖掘研究

通过前述有关激光破岩方面的文献调研可知,激光破岩有速度快、效率高和安全性高等优势,在地下工程领域极具潜力。然而,考虑到TBM掘进领域工况载荷与地质条件的特殊性,加之对激光破岩研究手段的欠缺,对破岩机制认识的不足,将激光破岩技术耦合应用到隧道挖掘,仍存在诸多有待解决的研究难题。目前,已有学者针对激光辅助TBM滚刀破岩进行了前瞻性研究,现归纳总结如下。

4.1 试验研究

最早关于激光辅助TBM掘进的研究可追溯到1970年,当时联合飞机公司启动了一个名为“热辅助隧道掘进”的项目,以期提高TBM在硬岩地层的掘进效率。该团队对激光辐照后的岩石进行线切割试验,试验结果表明激光热辅助TBM掘进在理论技术上是可行的。Foro Energy申请了一项高功率激光辅助隧道掘进设备的专利,主要介绍如何将激光系统耦合进掘进设备以及其使用方法[82]。为了验证高能激光技术辅助TBM破岩的可行性,张魁等[83]以孔孔距(相邻激光孔之间的距离)和刀孔距(滚刀与激光孔排之间的间距)为变量,开展了一系列激光辅助滚刀压头侵岩试验。激光辅助滚刀压头作用下岩石试样表面宏观破碎过程如图11所示。激光辅助滚刀压头侵岩所获岩石表面形貌如图12所示。结合图11与图12可知: 1)在滚刀作用下,岩石发生挤压破碎,形成岩粉,岩粉受周围未破碎岩样约束挤压成密实核,当密实核衍生发育成熟后,因产生裂纹而发生溃散,继而发生岩爆,岩粉从刀刃侧喷射而出,花岗岩表面出现明显破碎现象; 2)尤其是在预制有激光孔洞一侧,岩石损伤区域明显扩张,并且激光孔洞几乎都发生严重坍塌破坏,这表明预制激光孔洞能有效促进花岗岩试样的破碎。岩石破碎比耗能随刀孔距变化如图13所示。可以看出,除孔孔距为5 mm、刀孔距为3 mm这组试验外,其余试验组所获岩石破碎比能耗都在300 J/g上下波动,明显低于对照组的866 J/g(未预制激光孔)。显然,激光辅助滚刀破岩能有效降低破岩比能耗,从而提高破岩效率。

(a) 第873帧

(b) 第903帧

(c) 第936帧

(d) 第966帧

图12 激光辅助滚刀压头侵岩所获岩石表面形貌[83]

图13 岩石破碎比耗能随刀孔距变化图[83]

4.2 仿真研究

考虑到目前缺乏能系统全面地研究激光辅助TBM破岩的试验平台,并且现有TBM试验平台切割载荷和尺寸较大,试验费时费力,成本高昂,一些学者尝试利用数值仿真技术模拟激光辅助滚刀破岩这一过程,进行前瞻性研究。Rui等[35]通过四维晶格弹簧模型(4D-LSM)建立了激光破岩数值模型,使用耦合非连续变形分析(DDA)实现了模拟激光辅助TBM滚刀切削岩石这一过程,并在此基础上构思了激光辅助TBM掘进概念图(其仿真计算模型见图14,掘进概念见图15)。与普通的隧道掘进机相比,此装置最大的区别是在机枪内增加了激光发射器,用于产生与切割轨迹垂直的激光损伤,由切割轨迹与激光损伤组成的计算区域被划分为尺寸为50 mm×100 mm的矩形区域(见图15(b)),刀具从矩形区域的左侧沿中线切割,激光引起的损伤位于矩形区域的右侧,其切割距离为0～50 mm,切割角度为90°,可用于预测TBM圆形工作面计算区域内激光功率、辐照时间和光束半径与破岩效率和刀具磨损之间的关系。其研究结果表明,所建仿真模型能较好模拟激光辅助滚刀破岩全过程,激光损伤的引入可以明显降低岩石各项力学性能,提高TBM隧道掘进的可靠性和工作效率。

Zhang等[84]提出了一种“2步式”激光辅助滚刀破岩仿真建模构想(流程图见图16),该构想将激光辅助滚刀破岩分为2个主要步骤: 1)进行激光破岩仿真,获得岩石破损形貌; 2)在第1步所获岩石破碎结果的基础上,搭建给定刀孔距的滚刀破岩模型,从而完成激光辅助滚刀破岩过程。不同刀孔距下仿真模拟结果如图17所示。可以看出: 1)在滚刀破岩过程中,岩石在滚刀的作用下不断破碎,并且其破碎区延伸至激光孔,致使激光孔遭到破坏,从而提升破岩量; 2)刀孔距为4 mm时效果最好(见图17(b)),明显可见位于预制有激光孔的A侧岩石损伤大于位于B侧的岩石损伤。该方法间接地模拟了激光辅助滚刀破岩全过程,有效地呈现了块状岩石单元从母岩模型中剥离的现象,显示了有限元法在模拟岩石破裂瞬态过程中的优势。

4.3 激光辅助滚刀破岩机制分析

基于对滚刀/激光破岩机制的深刻认识,归纳出如图18所示激光辅助滚刀破岩机制。相较于传统滚刀破岩方式,当TBM处于该破岩模式下时,刀盘会借助激光发射器预先照射并切割位于相邻滚刀之间的岩体,预期会产生如下效果: 1)利用激光在岩体上形成裂隙孔洞,从而破坏岩石完整性,削弱岩石强度; 2)使滚刀与激光之间出现一个耦合破碎区,从而促进热裂纹与侧向裂纹的交汇,提高滚刀破岩效率。综上所述,当TBM处于激光辅助滚刀破岩模式下时,通过发挥热应力与机械应力的耦合效应,有望显著降低破岩比能耗,提高TBM破岩效率,同时降低刀岩相互作用的剧烈程度。

(a) 仿真示意图

(b) 仿真模型

(a) 3D视图

(b) TBM盘形工作面

图16 2步式激光辅助滚刀破岩建模流程图[84]

(a) 3.5 mm

Fig. 17 Simulated results under different cutter-hole spacing[84]

图18 激光耦合滚刀破岩示意图

5 结论与展望

激光辅助破岩是一种新型高效的破岩技术,有望彻底改变机械破岩工具易磨损问题,在油气钻井和隧道挖掘等地下工程中具有广阔前景。本文结合近年来激光破岩技术研究成果,首先概括了激光破岩技术的主要研究方法; 其次,系统地总结归纳了影响激光破岩效果的主要因素; 最后基于前述研究成果,讨论了激光辅助破岩在隧道掘进领域的推广应用。

5.1 结论

1)激光破岩是一个多学科、多物理场耦合的难题,汇集了光学、传热、岩土工程、损伤力学和其他相关学科,打破了传统破岩理念,可以极大地提高破岩效率。

2)目前,激光破岩技术的研究手段主要为试验、理论和仿真方法。其中,试验方法可以直观地反映激光与岩石相互作用过程,为仿真和理论提供有效的物性参数; 理论与仿真方法则可以节省时间,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; 三者结合才能更好地揭示激光破岩机制,确定激光破岩过程中温度场、热应力场、流体动力场和破岩能耗之间的关系。

3)玻璃釉物质是影响激光破岩效果的显著因素,尤其是在高功率下,岩石辐照表面会产生大量玻璃釉,该物质不仅会抑制激光能量进一步向深部岩石传递,而且会阻碍破岩器具机械应力产生的裂纹与激光辐照热裂纹耦合,从而影响破岩效果,而目前有关玻璃釉形成过程的报道较少。后续应深入研究玻璃釉主要由岩石内部哪种物质产生,以及玻璃釉的基本组成成分,从而在不削弱岩石损伤效果的前提下,有效减少该物质的生成。

4)现阶段有关激光辅助TBM滚刀破岩的研究主要是先利用激光辐照岩石,然后对辐照后的岩石进行滚刀切割试验,从而间接研究激光辅助滚刀破岩过程。这种方法在一定程度上可以揭示激光辅助滚刀破岩机制,但其与实际工况存在差异。在实际工程中,激光照射与滚刀破岩应是同步进行的。

5.2 展望

1)针对不同岩性,确定专用激光。由于不同的岩石其内部成分与自身性能差异较大,在激光的作用下表现出不同的变化规律,因此,应确定岩石性能与激光器类型、激光辐照参数和辅助气体吹扫方式等因素之间的关系,定量分析破碎不同岩石所需激光能量,合理设计最优的激光破岩参数组合。

2)激光辅助破岩过程中的温度效应研究。激光辅助破岩过程中温度可高达几千℃,虽然可通过高压辅助气体进行降温和清扫破碎岩屑,但仍需系统、全面地研究高温岩屑对刀具、刀盘和TBM整体工作环境的影响机制,以防高温对滚刀等关键器具的性能产生不利影响。

3)软硬件研究手段进一步完善。在接下来的研究中应在保证激光传输安全、有效的前提下,开发一种能用于长距离传输,以及满足地下作业空间狭窄、恶劣工作环境的激光装置,并能将其合理地耦合到TBM工作界面,从而实现激光辅助滚刀破岩完整过程研究。此外,还需开发一种专用的仿真软件,可以完整地模拟激光辅助滚刀破岩真实过程,而不是将其分为2个部分进行研究。

后续工作应综合考虑激光地下工作环境,合理将激光系统耦合入机械破岩系统,解决激光辅助破岩过程中降温、排屑和安全等问题,突破激光破岩技术核心难题,形成完善的激光破岩地下作业系统。