開放式微波致裂模擬節理巖體試驗及輔助破巖評估

鄭彥龍, 馬中駿, 李建春, *, 趙曉豹

(1. 東南大學土木工程學院, 江蘇 南京 211189; 2. 南京大學地球科學與工程學院, 江蘇 南京 210093)

0 引言

隨著地表礦床資源的枯竭和對礦產資源需求的持續增加,礦業工程逐漸進入了深部資源開采階段[1-4]。相較于鉆爆法,全斷面隧道掘進機(TBM)、懸臂掘進機等機械開挖方法由于具有掘進速率高、自動化程度高、礦石貧化低等優點,逐漸成為建造深部礦山斜井和主平巷的首選方法。同時,TBM、懸臂掘進機和破碎錘也廣泛應用于土木水利工程中的長大深埋隧道施工。然而,當遇到硬巖或者極硬巖時,機械的破巖效率將變得低下,刀具正常異常磨損加劇,破巖成本顯著提高。微波預處理可以顯著弱化巖石強度,降低巖體質量,從而提高機械開挖效率、減少刀具磨損,這一技術的發展為解決上述問題提供了一個新的思路。

微波輔助機械破巖的研究始于20世紀70—80年代,當時蘇聯科學家成功將配備喇叭天線的高功率微波破巖系統應用在磷灰巖礦山中,實現了微波獨立破巖或者輔助機械開挖斜井和豎井的目的[5-6]。雖然這些開創性的研究取得了較為理想的效果,驗證了微波技術在破巖方面的可行性,但現場試驗存在一些問題,主要表現在2個方面: 1)采用全斷面弱化策略(斷面面積5～10 m2),導致微波裝機功率和能耗過高(約40 kW/m2); 2)試驗開展于磷灰巖礦山中,而非微波敏感性較弱的常見硬巖[7-8],因此研究結論推廣價值較低。

近30年來,針對硬巖的高效機械破碎成為亟待解決的工程難題,因此微波輔助機械破巖重新成為研究熱點[9]。許多科研人員已經通過單模式或者多模式微波研究了微波參數(微波功率和照射時間)、巖石特性(介電性質、粒徑、超聲波速以及含水率等)以及天然節理對微波弱化巖石效果的影響[10-17]。為了評價巖石可微波致裂性,Zheng等[11]提出了巖石可微波致裂性指數MFI; Koiwa等[18]、Hartlieb等[19]、Lu等[20]、Ma等[21]研究了開放式微波天線作用下巖塊/試塊的破裂特征,結果表明開放式微波照射可有效致裂巖石。采用多模式微波可以較好地模擬開放式微波照射下高溫區巖石材料的劣化損傷,而高溫區外宏觀的溫度梯度以及溫度應力是誘發巖石破裂的主要原因[22]。對于機械破巖來講,在巖體中預制裂紋或創造自由面可大大提高破巖效率[23-24]。

相關人員還研究了微波輔助機械破巖的可行性。例如: Lindroth等[25]利用15.6 kW的微波系統和標準波導天線處理了玄武巖以及花崗閃長巖,結果表明微波照射后試樣鉆進速度可提高2～2.5倍; Hartlieb等[19]證實了微波輔助懸臂掘進機破巖的可行性,并發現微波弱化花崗巖后截齒法向力減少了10%～30%; Kahraman等[26]利用多模式微波爐加熱了9種火成巖并對照射后的試樣進行線性截割試驗,研究結果表明試樣的破巖比能均有顯著降低。

相關人員還研究了熱處理對巖石磨蝕性和刀具磨損的影響。例如: Ji等[27]研究了常規熱處理對新加坡Bukit Timah花崗巖CERCHAR磨蝕性指數(CAI)的影響,結果表明試樣的CAI從25 ℃的3.5降低到400 ℃的3.0,在400～600 ℃保持恒定,隨后在800 ℃時增加到4.1,提示工程應用中應避免過度加熱巖石; Eberl等[28]發現經過700 ℃和900 ℃的高溫處理花崗巖的CAI顯著降低,降低的原因是高溫作用下礦物結合強度的下降; Tian等[29]發現在600 ℃內,經過加熱和水冷的花崗巖磨蝕性隨著溫度的升高而增大。因此可以判斷,微波預處理可以一定程度上降低刀具磨損。

為了減小微波有效破碎巖石的總功率,Ma等[21, 30]提出了微波聚焦以及中低功率微波破巖的概念,并通過設計縮徑天線和縮徑介質填充天線提高微波設備的峰值功率密度。微波作用下試樣會產生1個特定平面尺寸和深度的損傷區[22],通過多點組合式照射的方式,即可實現開挖面的整體弱化。雖然微波輔助破碎錘破碎硬巖在技術、經濟上都被證明是可行的[22],照射點間距以及照射點與節理的距離對微波致裂巖體的影響還有待研究。此外,微波輔助懸臂掘進機破巖效率以及刀具磨損情況亦未充分研究。

本文利用9塊巖塊壘成人造節理巖體,首先,利用6 kW的工業微波系統和縮徑介質填充天線對該巖體進行微波照射,研究不同照射點間距(15 cm和20 cm)下節理巖體的破裂特征; 其次,測量微波處理前后試樣的等效巖石質量指標和磨蝕指數; 最后,評估微波處理前后截割頭功率為200 kW的懸臂掘進機的破巖效率和刀具損耗的改善情況。

1 材料及方法

1.1 試樣

試驗樣品為細粒黑云母閃長巖,其礦物組成為石英8%,斜長石67%,輝石4%,黑云母20%以及副礦物1%。該巖石單軸抗壓強度(UCS)為140 MPa,縱波波速為5 800 m/s,密度為2 840 kg/m3。根據Zheng等[11]的研究,該巖石的可微波致裂性指數MFI偏低,為較難致裂巖石,因此需要用縮徑介質填充天線(簡稱DLCWA)。試樣的強度超過了常規懸臂掘進機的破碎能力(<120 MPa)[31]。本文利用9塊尺寸為0.5 m×0.5 m×0.3 m(長×寬×厚)的巖塊壘成1.5 m×1.5 m×0.3 m(長×寬×厚)的人工節理巖體,以模擬節理間距為0.5 m的開挖面。需要指出的是,采用多塊巖石模擬節理巖體時,無法考慮節理充填材料對微波致裂的影響,微波誘導產生裂紋擴展到巖石邊界/節理時會發生截止。

1.2 試驗設置與試驗步驟

微波致裂巖石試驗布置示意如圖1所示。該系統由微波屏蔽集裝箱、Sairem微波公司生產的GMP G4工業微波發生器和開口為40 mm×30 mm的縮徑介質填充天線組成。微波源各組成部分的功能見文獻[32],試驗布置及流程見文獻[21],縮徑介質填充天線的設計見文獻[30]。當微波功率設置為6 kW時,該天線的峰值功率密度約為1 200 W/cm2。縮徑介質填充天線的開口與升降平臺上的試樣緊密貼合。依照從左到右、從上到下的順序對巖塊進行編號。為了盡量減少照射時間,微波功率設置為6 kW,照射時間設置為2 min。需要特別說明的是,試驗過程中阻抗會隨著試樣的熔融而失配,可能導致微波加熱提前終止。手動阻抗匹配器無法快速匹配阻抗變化,因此設備將在反射功率大于1 kW時自動停止工作。

圖1 微波致裂巖石試驗布置示意圖(修改自Ma等 [22])

微波致裂節理巖體試驗照射點布置示意如圖2所示。微波照射點以等邊三角形的形式進行布置,上半部分的微波照射點(黃色)間距為15 cm,下半部分的微波照射點間距為20 cm。據此布置,微波照射點數目總和為77個,每塊試樣的微波照射點數量為5～12個,并且微波照射點距離試樣邊界的最小距離為2.5 cm(2號和5號巖塊最左和最右照射點),最大距離為20 cm。

圖2 微波致裂節理巖體試驗照射點布置示意圖(單位: cm)

本試驗使用FLIR T420紅外熱像儀和Smart Sensor AS872紅外測溫槍進行溫度測量。紅外測溫滯后于微波停止照射5～10 s,所得溫度值略低于試樣經歷的最高溫度。紅外熱像儀的測溫范圍為-20～650 ℃,測量精度為±2 ℃或±2%(以較大者為準)。當試樣溫度超過紅外熱像儀測溫范圍時,可借助紅外測溫槍進行補充測量(其測溫范圍為-30～1 350 ℃)。在微波加熱停止后,首先拍攝試樣的紅外圖像和光學圖像,并在試樣表面標記裂紋,進而提取出裂紋的數量和長度信息。最后利用便攜式顯微鏡可以測量裂紋的開度。

2 試驗結果

2.1 照射時間與最高溫度

微波致裂節理巖體試驗的最高溫度以及加熱時間如圖3所示。可以看出: 1)大部分照射點發生了熔融(只有3個照射點未發生熔化),試樣發生熔化時,測量溫度均超過700 ℃; 2)加熱時間與最高溫度均呈正態分布,最短、最長以及平均加熱時間分別為55、120、84 s,最低、最高以及平均溫度分別為623、893、790 ℃。

(a) 最高溫度與加熱時間的關系

(b) 加熱時間直方圖

(c) 最高溫度直方圖

2.2 照射試樣表面外觀變化

采用6 kW功率和縮頸介質填充天線處理后,1.5 m×1.5 m節理巖體的破裂特征如圖4所示。可以看出,微波致裂產生的裂紋呈輻射狀分布。3號巖塊微波加熱時間及其致裂特征如圖5所示。試驗結果表明: 1)每個微波照射點平均會產生5條照射面裂紋以及1.1條側面裂紋,它們的平均長度分別為6.6 cm和6.7 cm。2)當照射點間距為15 cm時,相鄰輻射點產生的裂紋可能會搭接、重疊。微波致裂所產生的裂紋將試樣切割成更小的塊體,有助于機械破碎。同時,后續照射點產生的裂紋會延伸并截止于前序照射點所產生的裂紋。3)當照射點間距為20 cm時,相鄰輻射點產生裂紋的搭接、重疊概率將會降低到30%。4)當照射點間距為15 cm時,微波致裂所產生的裂紋數目(5.3)略多于照射點間距為20 cm時所產生的裂紋數目(5.1)。因此,可以得出結論,隨著照射點數量的增多,微波照射所產生的裂紋也相應地增加。

圖4 采用6 kW功率和縮頸介質填充天線處理后1.5 m×1.5 m節理巖體的破裂特征

紅色數字表示加熱時長; 黑色數字分別表示照射面(不帶+)和側面(帶+)的裂紋長度。

2.3 節理對于致裂效果的影響

裂紋參數和照射點與邊界之間距離的關系如圖6所示。隨著照射點間距或者照射點與節理間距的增加,初步可以得到以下結論:

1)照射面裂紋數量從4條逐漸增加至9條(見圖6(a)),相應的總裂紋長度略有增加(見圖6(b)),最長裂紋可達19 cm(5號巖塊的第8個照射點)。

2)側面裂紋數由3條減少為1條(見圖6(a)),照射面裂紋總長度減小,最長側面裂紋可達18.5 cm(6號巖塊的第1個照射點)。

3)最大裂紋開度呈現逐漸減小的趨勢(見圖6(c)),最大裂縫開度為0.01～0.6 mm。

4)照射面裂紋平均長度增加(見圖6(d))。

(a) 裂紋數目

(b) 裂紋最大長度

(c) 最大裂紋開度

(d) 照射面裂紋平均長度

2.4 模擬節理巖體對微波致裂的影響

在自然形成的巖體中,當裂紋遇到節理時,其與節理夾角以及節理充填材料與巖石材料強度的差異會導致截止、穿透、偏轉和跟隨4種可能的情況[33-34]。Ma等[17]進行的微波照射試驗顯示,在54個樣本中,這4種情況分別出現了30、19、1、4個。可以看出,截止和穿透分別占約60%和40%。由于人工節理中沒有充填材料,只能模擬截止的情況,這使得試驗結論偏保守。

3 微波輔助懸臂掘進機破巖

3.1 對破巖效率的影響

3.1.1 破巖效率經驗模型

懸臂掘進機具有機動、靈活的特點,相較于微波輔助TBM破巖,微波輔助懸臂掘進機破巖具有更高的可行性與可操作性。微波預處理與隨后的懸臂掘進機巖石破碎可以分步驟進行,從而實現微波輔助懸臂掘進機破巖。實際工程中,懸臂掘進機可破碎最高強度為120 MPa的巖石,當巖體高度破碎時,這一強度上限可達160 MPa[31]。微波預處理可以提高懸臂掘進機破碎巖石的強度上限,也可以提高其破碎巖石的效率。對于特定懸臂掘進機,其破巖性能主要由巖石性質和巖體質量共同決定。Bilgin等[35-37]提出了懸臂掘進機性能預測模型,巖石材料UCS與巖體RQD的函數關系如式(1)和式(2)所示。

ICR=0.28Pi(0.974)RMCI;

(1)

(2)

式(1)—(2)中: ICR為懸臂掘進機的瞬時破巖效率,m3/h;Pi為懸臂掘進機截割頭功率,HP; RMCI為巖體可截割性指數。

由上述經驗模型得到截割頭功率為200 kW時不同UCS和RQD對應的懸臂掘進機的瞬時破巖效率ICR,如圖7所示。可以看出: RQD較大時,ICR較低; 隨著RQD的減小,ICR顯著上升。

圖7 不同UCS和RQD對應的ICR(修改于Bilgin等[31])

3.1.2 等效RQD

本文中,通過采樣線上不連續面頻率確定RQD。Priest 等[38]提出RQD與不連續面頻率λ存在關系如式(3)所示。

(3)

式中λ為不連續面頻率,可以表示為節理數目/采樣線長度,m-1。

以5號巖塊為例,在巖塊表面繪制間距為5 cm的網格(見圖8),通過計算網格線與裂紋的交點數目即可得到水平和豎直方向上的節理頻率,繼而可以得到每條線的等效RQD以及巖塊的平均RQD。微波處理后巖塊的等效RQD如表1所示。研究結果表明: 1)對于節理間距為0.5 m的人造巖體,微波預處理可使等效RQD從100降低到44～64,豎直方向的RQD下降幅度相對較大; 2)當輻射點間距為15 cm時(巖塊1—3),微波照射后巖塊的等效RQD為50; 3)當輻射點間距為20 cm時(巖塊7—9),微波照射后巖樣的等效RQD為62; 4)隨著照射點數量的增多(巖塊4—6), 巖體的等效RQD相應降低。

圖8 使用測線采樣方法計算微波處理后5號巖塊的等效RQD

表1 微波處理后巖塊的等效RQD

3.1.3 破巖效率評估

根據微波致裂產生的微觀以及宏觀裂紋的分布,可以將試樣損傷區分為3個部分: 碎裂區、裂紋區和原巖區[22]。碎裂區位于天線開口的正下方,主要是因高溫作用產生大量穿晶或沿晶裂紋; 裂紋區是由高溫區膨脹形成的,其特征是包含大量呈放射狀的宏觀裂紋。在機械破巖過程中,微波致裂的宏觀裂紋起著更重要的作用。因此,本文忽略巖石材料UCS在微波輻射后的變化。基于式(1)計算得到的ICR如表2所示。研究結果表明: 1)微波預處理可以顯著提高懸臂掘進機的巖石破碎效率; 2)對于輻射間距為15 cm的試樣,巖石破碎效率提高了280%; 3)對于輻射間距為20 cm的試樣,巖石破碎效率提高了170%。需要注意的是,通過Bilgin模型計算得到的ICR可能在一定程度上高估了微波的輔助效果。原因在于: 1)微波致裂裂紋與自然裂紋不同; 2)微波致裂的平均側面裂紋長度分別為8.5 cm(輻射點間距為15 cm)以及8.7 cm(輻射點間距為20 cm),對于未延伸到側面的裂紋,其深度約為3 cm。因此,實際的輔助破巖效率尚需通過后續試驗進一步評估。

表2 微波照射前后不同巖塊的ICR(200 kW 懸臂掘進機)

3.2 對刀具損耗的影響

3.2.1 經驗模型

微波處理可以降低巖石的磨蝕性指數并且減小刀具磨損。Bilgin等[31]提出了基于CAI評價刀具損耗的模型,即

TCR=K1·K2·CAI/4。

(4)

式中: TCR為開挖單位體積巖石的刀具損耗,個/m3;K1為與刀盤轉速相關的系數,一般取值1～1.2;K2與水冷和噴水抑塵有關,一般取值0.85～1。本文中K1與K2均取為1。

3.2.2 CAI測量及刀具磨損評估

以照射點間距為20 cm的7號巖塊為例,其微波致裂損傷區示意如圖9所示。其中損傷區直徑約為20 cm。分別在距離輻射點中心3 cm(試樣a)、5 cm(試樣b)以及10 cm(試樣c)處進行取芯,取芯樣品為直徑25 mm的圓柱樣。依據ASTM-D7625-10標準和ISRM建議的方法對取芯樣品進行CAI測試[39]。進行磨蝕性指數測試的試驗巖樣如圖10所示。距輻射中心不同距離試樣的CAI值如表3所示。其中,A區的CAI值為試樣a的測試值,B區的CAI值為試樣a與試樣b的平均值,C區的CAI值為試樣b與試樣c的平均值(見圖9)。通過計算可得到整個巖塊的平均CAI為3.6,即微波預處理可使刀具損耗降低11%。

圖9 7號巖塊微波致裂損傷區示意圖

(a) 3 cm(b) 5 cm

(c) 10 cm(d) 原巖

表3 7號巖樣距微波照射點不同距離試樣的CAI

4 結論與建議

4.1 結論

本文利用6 kW工業微波系統以及縮徑介質填充天線對尺寸為1.5 m×1.5 m×0.3 m的人造節理巖體進行微波加熱試驗,研究了照射點間距以及照射點與節理間距對巖體破裂特征的影響,計算了微波處理后巖石的RQD,并用于評估微波照射前后刀盤功率為200 kW的懸臂掘進機性能,最后利用照射前后巖樣的CAI評估了刀具磨損情況,主要結論如下。

1)微波作用下閃長巖試樣的破壞模式為開裂破壞和熔融破壞。相較于輻射點間距20 cm時裂紋的延伸情況,輻射點間距15 cm時不同微波照射致裂裂紋更容易搭接。隨著微波照射點與節理間距的增加,試樣照射面和側面的裂紋數量均減少,最大裂紋開度減小,同時,裂紋總長度和最大裂紋長度增加。

2)輻射點間距為15 cm時,微波預處理可使巖塊的等效RQD從100降低到50; 輻射點間距為20 cm時,微波預處理可使巖塊的等效RQD從100降低到62。

3)微波預處理可使截割頭功率為200 kW掘進機的破巖效率顯著提高170%～280%。輻射點間距為20 cm時,微波預處理可使刀具磨損降低11%。

4.2 建議

受研究條件限制,本文僅開展了采用縮徑介質填充天線進行開放式微波照射致裂人造節理巖體的試驗研究,采用經驗模型對破巖效率和刀具磨損進行了評估; 但未對照射后的巖體進行截割試驗,未來將進行截割破巖試驗驗證該評估的準確性。同時,未來還將開展不同天線輔助機械破碎不同可微波致裂性指數巖石和天然巖體的試驗研究工作。