非常規(guī)碎巖技術(shù)的研究進(jìn)展

趙秉成，陳 晨，房治強(qiáng)，高文爽

(1.吉林省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查所，吉林 長春130022；2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

目前，應(yīng)用于礦山工程、石油鉆井、海洋資源開發(fā)、建筑、交通、港口、地質(zhì)鉆探等領(lǐng)域的巖石破碎工作，一般由機(jī)械破碎(力學(xué))過程、水力學(xué)過程、熱力學(xué)過程、質(zhì)量交換和物理化學(xué)等過程有機(jī)組成。碎巖方法多采用機(jī)械式的破碎方式，受碎巖方式本身及相應(yīng)的碎巖材料、設(shè)備的限制，進(jìn)一步提高現(xiàn)有的巖石破碎效率，降低成本已很困難。

在近30年中，許多國家(包括中國)都在積極地研究新式的碎巖技術(shù)，如：熱熔巖技術(shù)、熱機(jī)碎巖技術(shù)、脈沖放電碎巖技術(shù)、激光碎巖技術(shù)等。這些新式碎巖技術(shù)的共同點，都在于加強(qiáng)碎巖過程中的熱力學(xué)過程。考慮碎巖過程中的熱力學(xué)過程，是提高碎巖效率的一條途徑，同樣也與碎巖用途相關(guān)，如凍土層及海底勘探采取天然氣水合物樣品，就必須考慮溫度規(guī)程。本文就熱熔巖技術(shù)、熱機(jī)碎巖技術(shù)、脈沖放電碎巖技術(shù)的最新研究成果做一總結(jié)。

1 熱熔巖技術(shù)[1]

自20世紀(jì)60年代開始，美﹑俄﹑日﹑等國家紛紛投入到對熱熔法的研究中。熱熔法研究發(fā)展較慢的關(guān)鍵原因是：各國均在尋找能夠耐高溫而不會熔化，且不與熔化巖石(土)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的熱熔器殼體材料。俄羅斯專家找到(已申報專利)一種非金屬材料，該合成材料能夠抗2800℃高溫，且在空氣中不會氧化。在熱熔理論研究方面，涉及到了熱熔器﹑熱熔體與巖土間的熱傳遞問題，分析了熱熔過程中巖石(土)的變化規(guī)律，研究了熱熔體冷卻后的性質(zhì)。根據(jù)相應(yīng)的研究成果，研制了不同用途的熱熔器，在礦山巷道的圍護(hù)及工程處理中作了一些試驗，取得了寶貴的經(jīng)驗。

國內(nèi)在熱熔法研究方面已經(jīng)起步。筆者在國內(nèi)作為負(fù)責(zé)人的課題組最早開始從事這方面研究，分別獲得了吉林省科技廳和中國地質(zhì)大學(xué)科學(xué)深鉆國家實驗室的資助。完成的兩個項目，在熱熔裝置的結(jié)構(gòu)、施工工藝、碎巖機(jī)理等方面的研究，都有新的突破和發(fā)展，被鑒定委員會評為“國際先進(jìn)水平”。

2 熱機(jī)碎巖技術(shù)[2]

摩擦熱能輔助機(jī)械碎巖(簡稱熱機(jī)碎巖)是一種碎巖新工藝，是傳統(tǒng)的熱力碎巖和機(jī)械碎巖的有機(jī)結(jié)合。它擯棄了傳統(tǒng)的機(jī)械碎巖過程中切削具與巖石摩擦所產(chǎn)生的熱量有害的觀點，將摩擦熱能用于弱化巖石，而后用硬質(zhì)合金切削具(或金剛石孕鑲塊)進(jìn)行機(jī)械切削碎巖，大幅度提高了碎巖效率，意義重大，見圖1。

圖1 熱機(jī)碎巖原理示意圖

純機(jī)械碎巖過程中，鉆頭功率的非生產(chǎn)性的消耗達(dá)90%以上，這部分能量主要轉(zhuǎn)化成了摩擦熱能，然后由沖洗液帶走。熱機(jī)碎巖鉆具把這部分熱能引入孔底加熱巖石，降低了巖石破碎所需的能量，提高了機(jī)械鉆速。在Ⅶ～Ⅸ巖石中，熱機(jī)鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速超過常規(guī)鉆進(jìn)2～3倍。因此，熱機(jī)碎巖鉆具不僅可以大幅度提高鉆進(jìn)效率，而且提高了總的能量利用率，該理論和工藝的成熟應(yīng)用，社會及經(jīng)濟(jì)效益明顯。

國內(nèi)外很多專家學(xué)者，從事過熱能改變巖石狀態(tài)的理論問題以及鉆進(jìn)工藝與技術(shù)問題的研究。對于利用摩擦熱能輔助機(jī)械碎巖鉆具研究最多的。是俄羅斯全俄勘探技術(shù)研究所的Г.С.勃拉托夫教授，從1985年就開始研究該課題。吉林大學(xué)于上個世紀(jì)90年代中期，從俄羅斯引入了這項技術(shù)，并分別在吉林省科技廳和地質(zhì)礦產(chǎn)部立項研究。

通過文獻(xiàn)及試驗確定了以花崗巖類為主的巖石的最佳熱破碎溫度，如表1 所示。同時，也測定了熱機(jī)碎巖鉆頭在孔底產(chǎn)生的溫度(600℃)，證實了熱機(jī)鉆頭產(chǎn)生的溫度能達(dá)到巖石的最佳熱破碎溫度，因此說明該種工藝是可行的，鉆具設(shè)計是合理的。

3 脈沖放電碎巖技術(shù)

液中放電時，放電通道周圍的液體瞬時氣化并形成氣泡，高速劇烈膨脹而爆炸，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，其壓強(qiáng)可達(dá)到100kPa以上，有的高達(dá)10GPa。沖擊波的前沿速度達(dá)10～50km/s，同時施加給不可壓縮的液體以及其中的物質(zhì)，可用于破碎巖石。自從1955年Yutkin將液電效應(yīng)用于工業(yè)加工以來，工程技術(shù)人員做了大量的研究工作，它現(xiàn)在已被用于特種加工、巖石破碎等領(lǐng)域[3]。利用脈沖放電技術(shù)對不同巖石鉆進(jìn)得到的鉆速，不取決于巖石的軟硬程度，這和采用反射波造成巖石形成拉應(yīng)力破壞有直接的關(guān)系。

表1 幾種巖石的最佳熱破碎溫度范圍

圖2為脈沖放電破碎單位體積巖石能量消耗與其他碎巖方法的比較。可以看出，脈沖放電法消耗的能量最少，隨著兩個電極之間距離的加大，消耗的能量減少，但碎巖效率也隨之降低。

圖2 脈沖放電單位體積能量消耗與其他碎巖方法的比較

4 結(jié) 語

(1)對巖石破碎巖中的熱力學(xué)過程研究，既是

碎巖技術(shù)的研究發(fā)展的需要，也是涉及礦產(chǎn)后續(xù)開采的要求；

(2)熱熔巖法、熱機(jī)碎巖法和脈沖放電碎巖法由于其自身的特點，可以在工程實踐中揚長避短，如熱熔巖法針對松散層，熱機(jī)碎巖法針對“打滑”地層，脈沖放電碎巖法針對硬巖等；

(3)利用拉應(yīng)力對巖石的破壞是一個嶄新的課題，應(yīng)給予重視。

[1] 陳 晨. 熱熔法鉆進(jìn)理論及工藝研究[D].長春：吉林大學(xué)博士學(xué)位論文，2001.

[2] 吳景華. 摩擦熱-機(jī)械能聯(lián)合碎巖理論與工藝的研究與實踐[D].長春：吉林大學(xué)博士學(xué)位論文，2005.

[3] Важов В.Ф.,Журков М.Ю. Оптимизация энергии в разряде при резании горных пород электроимпульсным способом.Современные техника и технологии：Труды Ⅺ Междунар.научно-прак.конф.студентов,аспирантов и молодых ученых. Томск,2003.С.92-93.