激光輻照熱裂破巖規律及力學性能

郭辰光，孫 瑜，岳海濤，李 強，何順之，張 寅

(1.遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術大學 遼寧省大型工礦裝備重點實驗室，遼寧 阜新 123000)

隨著激光輻照熱裂破巖技術研究的深入，其在深部油氣鉆井、硬巖快掘、深海鉆探、太空采礦等極端環境下的應用前景給科研工作者帶來無限遐想。激光輻照熱裂破巖技術是利用低能量激光誘導巖石生成的局部熱應力弱化巖石強度并加劇裂隙擴展，進而破碎巖石的方法，具有能量集中、滲透性高、破巖效率高、非物理式接觸和無刀具磨損等優點。激光輻照熱裂破巖涉及到激光與巖石之間復雜動態的交互作用，巖石強度弱化及熱裂損傷程度受多種工藝參數耦合影響。因此開展激光輻照熱裂破巖實驗研究，分析不同工藝參數對激光輻照后巖樣力學性能的影響規律，用以加劇激光輻照下巖石熱裂效果和強度弱化，提高激光輻照熱裂破巖效率是十分重要的。

目前，諸多學者在激光輻照熱裂破巖技術領域開展了探索性研究工作。ZHU等使用X射線儀和能譜儀等設備分析了激光輻照下碳酸鹽巖的破裂機理，發現碳酸鹽巖中含有的石英成分在激光輻照下生成熱應力，導致巖石強度降低并加劇裂隙擴展。NDEDA等研究了激光輻照非均質花崗巖過程中巖石裂紋擴展、溫度變化及熱應力分布規律，研究表明當巖石內生成的熱應力超過巖石所含礦物的最低強度時，巖石破碎。JAMALI等分析了激光輻照砂巖、花崗巖和石英巖時各巖石熱裂和強度弱化過程，發現高功率激光輻照下的巖石強度顯著降低。LI等基于數值分析探討了激光輻照花崗巖過程中巖石熱應力分布規律，認為激光輻照區巖石溫度的驟變導致巖石生成遠高于巖石抗拉強度的拉應力，促使巖石破裂。EZZEDING等開展了激光破巖和機械破巖的數值模擬研究，研究表明激光輻照巖石時生成的熱應力弱化了巖石強度，有效提高了破巖效率。YU等構建了激光輻照下巖石熱裂紋分析數值模型，分析了溫度對巖石力學性能的影響，提出花崗巖單軸抗壓強度隨溫度升高而持續降低。劉拓等對激光輻射片麻狀黑云母花崗巖過程中激光功率和作用時間對破巖效率的影響規律開展了研究，發現當激光功率為1 000 W時破巖效率最佳。李士斌等對激光功率和輻射時長對破巖效率的影響開展了研究，提出鉆孔深度和直徑隨著激光功率和輻射時長增加而變大。XIA基于離散元顆粒法提出了一種熱-力耦合顆粒模型，通過仿真分析發現與冷卻條件相比，巖石在加熱條件下形成更多的微裂紋?？络婊谝延械募す馄茙r數值傳熱模型建立了激光破巖溫度應力模型，提出溫度應力是導致巖石熱裂破碎的主要因素。

現有研究主要從激光輻照熱裂破巖過程中巖石裂紋分布和強度變化角度分析巖石強度弱化和熱裂程度，而從巖石物相變化角度分析巖石強度弱化和熱裂程度的研究較少。筆者開展了激光輻照熱裂破巖實驗研究，分別從巖樣形貌損傷、物相變化和力學性能3個角度分析激光熱裂破碎花崗巖過程中激光功率、輻照時間和輻照距離等工藝參數對巖石強度弱化和熱裂程度的影響規律。

1 實驗系統及方案制定

激光輻照熱裂破巖實驗系統主要由實驗平臺和測試設備組成。實驗平臺整體結構如圖1所示，主要包括LDM3000-100連續固態激光器和KR30-3HA型6自由度KUKA機器人。其中連續固態激光器激光功率為100～3 000 W，激光保護氣為高純氬氣，光斑直徑為4 mm；KUKA機器人重復定位精度為±0.05 mm。測試設備主要包括基恩士VHX-5000型超景深三維顯微鏡、菲利爾Flir-T640熱像儀、誤差在±0.01 mg的高精度電子天平、島津XRD-6100型衍射儀和TAW-2000型電-液伺服巖石壓縮試驗儀等。其中超景深顯微鏡可觀測的最大尺寸為20 000 pixel×20 000 pixel；菲利爾Flir-T640熱像儀分辨率為640 pixel×480 pixel，標準測溫為-40～+2 000 ℃；衍射儀的光源和檢測器分別為X光管Cu靶輻照和NaI閃爍檢測器，波長為0.15 nm；巖石壓縮試驗儀最大壓力為2 000 kN。實驗所用巖樣的物性參數見表1，巖樣尺寸為50 mm×100 mm。

圖1 激光破巖實驗設備Fig.1 Laser breaking rock experiment equipment

表1 花崗巖熱物性參數

實驗前采用角磨機及砂紙對巖樣表面進行打磨處理，確保上下端面平行度在0.05 mm以內，端面平面度在0.02 mm以內。實驗時測試室內保持恒溫25 ℃，激光光斑直徑為4 mm，在8塊巖樣上開展激光定點輻照實驗，剩余2塊巖樣留作對比分析試件。激光輻照實驗后使用超景深顯微鏡測量巖樣形貌，采用干燥器具分別將巖樣表面白色沉積粉末和燒灼孔內冷凝沉積物收集起來，使用200目篩網將白色粉末篩分，得到粉末D；將擊碎的無激光輻照巖樣塊和收集的冷凝沉積物分別置于球磨機中研磨2 h，使用200目篩網將其篩分，依次得到粉末A，C；最后使用研缽仔細研磨燒灼孔內收集到的巖樣顆粒，并使用200目篩網將其篩分，得到粉末B。使用高精度電子天平測量各樣品粉末質量均為0.5 g，滿足試片制作條件。使用X射線衍射儀分析各樣品粉末礦物成分，為確保測量準確性，每種巖樣進行2次X射線衍射測試，取衍射峰清晰且質量好的光譜作為最終結果。最后對激光輻照后的巖樣進行力學性能分析，其中壓縮速度為0.1 mm/min，載荷速度為10 N/s。

實驗方案見表2，基于混合水平正交實驗分別從巖樣形貌損傷、物相變化和力學性能角度分析激光熱裂破碎花崗巖過程中激光功率、輻照時間及輻照距離對巖石強度弱化和熱裂程度的影響規律。

表2 混合水平正交實驗方案

2 結果分析

2.1 激光輻照熱裂破巖形貌損傷分析

激光輻照熱裂破巖實驗過程如圖2所示，巖樣反應區產生刺眼強光并迅速生成大量白煙，同時出現爆鳴聲和火花飛濺現象。激光停止輻照5～7 s后巖樣表面迅速冷卻形成燒灼孔。

圖2 激光破巖實驗Fig.2 Laser breaking rock experiment

圖3為激光輻照熱裂破巖溫度分布，圖中橫軸為激光輻照時間，縱軸為激光功率，藍色虛線框內巖樣的輻照距離為40 mm，紅色實線框內巖樣的輻照距離為60 mm(圖5，6，13，14同)。隨著激光輻照時間增加，巖樣反應區最高溫度增大?；谡粚嶒灨饔绊懸蛩卮嬖诮换プ饔?，采用激光輻照熱裂破巖溫度主效應圖開展分析。如圖4所示，激光輻照時間對巖樣反應區溫度影響較大，激光功率次之，而激光輻照距離對巖樣反應區溫度影響較?。浑S著激光功率和輻照時間增加及輻照距離減小，巖樣反應區溫度增大。

圖3 激光輻照熱裂破巖溫度分布Fig.3 Temperature distribution of the laser breaking rock

圖4 激光輻照熱裂破巖溫度分析Fig.4 Analysis of the temperature distribution of laserbreaking rock

圖5為激光輻照熱裂破巖巖樣形貌。燒灼孔內冷凝形成黑色玻璃釉質體，玻璃釉表面呈現光滑泡狀，玻璃釉底部與巖石結合處存在較多裂紋。巖樣表面存在一層由煙塵沉積而成的白色粉末和火花飛濺形成的微小噴濺顆粒，對比同線框內巖樣形貌可知，巖樣表面沉積的白色粉末隨激光輻照時間增大而增多。這是由于隨著激光輻照時間增大，巖石熱破碎反應更為劇烈，生成大量白色煙塵。激光輻照后巖樣生成數條以燒灼孔為中心向邊緣蔓延的長裂紋，裂紋深度與燒灼孔深相近。對比8組巖樣形貌可知，隨著激光功率和輻照時間增加及輻照距離減小，巖樣熱裂效果增強，其中巖樣8熱裂效果最為明顯。這是由于隨著激光功率和輻照時間增大及輻照距離減小，激光輻照區巖樣表面能量密度變大，巖石吸熱增多，熱裂破碎效果增強。

圖5 激光輻照熱裂破巖巖樣形貌Fig.5 Morphology of laser breaking rock

圖6為激光輻照熱裂破巖巖樣損傷效果，巖樣燒灼孔中心及范圍分別用紅色加號和藍色圓標記。巖樣1燒灼孔徑及深度均較小，熱裂效果較差；隨著激光功率和輻照時間增大，巖樣燒灼孔徑及深度變大，這是由于隨著激光功率和輻照時間增大，激光輻照區巖石吸熱增多，巖樣熱裂破碎反應強度變大，巖石熱裂效果增強。部分巖樣燒灼孔內生成較大氣泡，這是由于隨著激光輻照距離增大，巖樣輻照區表面能量密度變小，巖石溫升幅值變低，巖石熔化和汽化分解形成的汽化煙塵未及時逸出而被快速冷凝的熔覆物包裹，形成較大氣泡。

圖6 激光輻照熱裂破巖巖樣損傷效果Fig.6 Damage effect of laser breaking rock

2.2 激光輻照熱裂破巖物相變化分析

取激光輻照熱裂破巖物相分析圖譜中衍射峰清晰且包含所有主要礦物成分的部分圖譜開展分析，圖7(a)為無激光輻照巖樣物相圖譜，其主要成分為石英、堇青石、云母和鈉長石，其中石英的主要成分是SiO，具有硬度高和脆性大的特點。圖7(b)為激光輻照區巖樣物相圖譜，其主要成分為石英、鈣長石、云母和鈉長石，其中鈣長石主要成分為硅酸鹽，具有熱膨脹系數小、導熱率低和強度低等特點。圖7(c)為冷凝沉積物物相圖譜，其主要成分為石英和鈉長石，冷凝沉積物波譜圖存在較多分布密集且幅值較小的衍射峰，這是由于花崗巖熔融沉積物中部分晶體轉變為非晶體，無法使用X射線衍射儀分析其物相成分。圖7(d)為白色沉積粉末物相圖譜，其主要成分與激光輻照巖樣物相成分相同。

圖7 激光輻照熱裂破巖物相分析部分圖譜Fig.7 Part of the spectrum of the phase analysis of laser breaking rock

圖8為激光輻照熱裂破巖物相質量分數。圖8(a)為無激光輻照巖樣各礦物質量分數，石英、堇青石、云母和鈉長石質量分數分別為3.9%，52.8%，5.7%和37.6%，其中堇青石和鈉長石質量分數較高，石英和云母的質量分數較小。圖8(b)為激光輻照區巖樣各礦物質量分數，石英、鈣長石、云母和鈉長石質量分數分別為21.8%，15.6%，42.8%和19.8%。對比激光輻照前后巖樣物相質量分數可知，堇青石和鈉長石質量分數減少，石英、云母和鈣長石質量分數增加。激光輻照后巖樣所含高脆性和低強度礦物成分質量分數增加，巖樣強度降低。圖8(c)為白色沉積粉末各礦物質量分數，石英、堇青石、云母和鈉長石質量分數分別為23%，43.6%，6.0%和27.4%,與無激光輻照巖樣所含礦物成分質量分數，堇青石和鈉長石質量分數減少，石英含量增加，云母質量分數近似不變。

圖8 激光輻照熱裂破巖物相質量分數Fig.8 Proportion of the phase content of laser breaking rock

實驗方案1,3,5,7和2,4,6,8激光輻照區物相質量分數變化情況如圖9，10所示。對比巖樣(1，3)，(5，7)，(2，4)和(6，8)柱狀圖可知，隨著激光輻照時間增加，燒灼孔內含有的石英和鈣長石質量分數增多?；谡粚嶒灨饔绊懸蛩卮嬖诮换プ饔?，采用激光輻照區物相質量分數主效應圖開展分析。如圖11所示，激光輻照時間對石英和鈣長石質量分數影響較大，激光功率次之，而激光輻照距離對石英和鈣長石質量分數影響較??；隨著激光功率和輻照時間增加及輻照距離減小，巖樣熱裂反應區范圍變大，燒灼孔內含有的石英和鈣長石質量分數增多，巖樣所含高脆性、低強度和低熱膨脹系數的礦物成分增加，巖石強度弱化效果增強。

圖9 實驗方案1,3,5,7激光輻照區物相質量分數變化情況Fig.9 Change of the proportion of the phase of thelaser-irradiated area in 1,3,5,7 groups of experiments

圖10 實驗方案2,4,6,8激光輻照區物相質量分數變化情況Fig.10 Change of the proportion of the phase of thelaser-irradiated area in 2,4,6,8 groups of experiments

圖11 激光輻照區物相質量分數分析Fig.11 Analysis of the proportion of the phasecontent in the laser irradiated area

2.3 激光輻照熱裂破巖力學性能分析

圖12為無激光輻照巖樣試件力學性能(抗壓)分析結果。圖12(a)為巖樣壓裂形貌，在軸向壓力作用下，無激光輻照巖樣左側出現大塊巖石劈裂現象，而巖樣右側破碎效果并不明顯。巖樣出現單側不均勻壓裂現象與巖石所含礦物成分和自身裂隙分布有關。圖12(b)為無激光輻照巖樣軸向應力-應變曲線，由圖12(b)可知無激光輻照巖樣抗壓強度和軸向應變分別為83.78 MPa和2.87%。

圖12 無激光輻照巖樣試件力學分析結果Fig.12 Mechanical results of rock specimens without laser radiation

圖13，14分別為不同激光輻照條件下巖樣擠壓形貌和破碎效果。方案1巖樣在軸向壓力作用下產生較小形變，且僅有少許巖屑崩落，巖石破裂效果較差；隨著激光功率和輻照時間增加及輻照距離減小，巖樣在軸向壓力作用下產生的形變量變大，擠壓破裂程度變大，其中方案8巖樣形變量最大，且擠壓破裂效果最為明顯。結合3.1節可知，隨著激光功率和輻照時間增加及輻照距離減小，巖樣熱裂效果增強，巖石弱化程度變大，因此在相同軸向壓力作用下巖樣擠壓破碎效果增強。

圖13 不同激光輻照條件下巖樣擠壓形貌Fig.13 Extrusion morphology of rock samples underdifferent laser radiation conditions

圖14 不同激光輻照條件下巖樣壓裂效果Fig.14 Rock sample fragmentation effect underdifferent laser radiation conditions

圖15，16分別為激光功率為900和1 300 W時巖樣應力-應變曲線。與圖11對比可知，激光輻照作用下巖樣抗壓強度減小，巖石強度弱化。在激光功率和輻照距離相同條件下，分別對比巖樣(1，3)，(5，7)，(2，4)和(6，8)曲線可知，隨著激光輻照時間增大，巖樣抗壓強度變小，脆性增強，巖樣強度弱化程度變大。

圖15 激光功率為900 W時巖樣應力-應變曲線Fig.15 Stress-strain curves of rock sample at900 W laser power

圖16 激光功率為1 300 W時巖樣應力-應變曲線Fig.16 Stress-strain curves of rock sample at1 300 W laser power

圖17 工藝參數對激光輻照巖樣力學性能的影響Fig.17 Effect of process parameters on thedynamic performance of laser breaking rock

基于正交實驗各影響因素存在交互作用，采用工藝參數對激光輻照巖樣力學性能影響的均值主效應圖17開展分析。由圖17可知，激光輻照時間對巖石強度弱化效果影響較大，激光輻照距離次之，而激光功率對巖石強度弱化效果影響較小。激光輻照時間和激光功率對巖石弱化效果的影響為負效應，隨著激光輻照時間和激光功率增大，巖石抗壓強度變小，巖石強度弱化效果增強；激光輻照距離對巖石弱化效果的影響為正效應，隨著激光輻照距離增大，巖石抗壓強度變大，巖石強度弱化效果減弱。這是由于隨著激光輻照時間和激光功率增大及輻照距離減小，激光輻照區能量密度變大，巖樣熱裂破碎反應增強，裂紋擴展加劇，巖石強度弱化效果增強。

3 結 論

(1)激光輻照下巖石生成的局部熱應力有效弱化了巖石強度，誘導并加劇了巖石裂紋生成與擴展；且隨著激光功率和輻照時間增加及輻照距離減小，巖石反應區溫度變大，巖石吸收熱量增多，巖石強度弱化和裂紋擴展程度增強，激光輻照熱裂破巖效率提高。

(2)在激光輻照熱裂破巖過程中，當激光輻照時間和激光功率較小及輻照距離較大時，巖樣燒灼孔深度較小，且孔徑分布較為均勻，燒灼孔內生成泡狀結構；隨著激光功率和輻照時間增大及輻照距離減小，激光輻照下巖樣裂紋含量增多，裂紋深度變大，燒灼孔直徑變大，巖樣熱裂效果增強。

(3)激光輻照熱裂破巖前巖樣主要成分為石英、堇青石、云母和鈉長石；激光輻照熱裂破巖后巖樣中部分堇青石和鈉長石質量分數降低，而高脆性、低強度和低熱膨脹系數的石英和鈣長石質量分數增加，且隨著激光功率和輻照時間增加，巖樣所含高脆性、低強度和低熱膨脹系數的礦物成分增幅變大，巖石強度降低程度變大；熔融沉積物主要成分為石英和鈉長石，近似玻璃釉質地；白色沉積粉末所含礦物成分與激光輻照前巖樣所含礦物成分相同。

(4)在激光輻照熱裂破巖過程中，當激光輻照時間和激光功率較小及輻照距離較大時，巖樣在軸向壓力作用下產生較小的形變，擠壓破碎效果較差；隨著激光功率和輻照時間增大及輻照距離減小，巖樣軸向形變量變大，巖石抗壓強度顯著降低，擠壓破碎效果增強。

隨著淺層礦產資源的逐漸枯竭，極地、深地、深海、太空等極端環境下礦產資源的勘測與開采越發迫切，激光輻照熱裂破巖技術所具有的能量集中、破巖效率高、適應性強的特點使其成為極端環境下高效破巖備選技術手段之一，這對于保障我國能源、礦產資源安全意義重大。然而可以預見的是激光輻照熱裂破巖技術仍有大量基礎研究工作需要開展，尤其是在以工業應用為導向的激光功率、輻照距離、掃描速度、路徑軌跡等工藝參數對激光熱裂破巖效果的敏感性規律、激光輻照熱裂破巖工藝數據庫構建、破巖比能優化、破巖速率提升等方面是后續研究的重點。