周興平

摘? 要：目前國內(nèi)對煤礦、油氣等地下礦產(chǎn)資源的需求量不斷上升，資源隨著不斷地開采，地層淺部的礦產(chǎn)資逐漸枯竭，地下深層礦產(chǎn)資源的勘探、開發(fā)將成為我國未來科學研究的重點項目。本文鑒于當前破巖現(xiàn)狀，著重討論一些新型的高效破巖技術(shù)，如水力破巖、激光破巖、高速粒子沖擊破巖等，通過對比分析等方法從巖石特性、破巖機理和發(fā)展前景等方面進行分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞：巖石破碎? 旋沖鉆井? 高速粒子? 機械破巖

中圖分類號：TD231.6 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）04（c）-0036-03

Analysis of New High-Efficiency Rock Crushing Technology

ZHOU Xingping

（School of Mechanical Engineering， Heilongjiang University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang Province， 150022? China）

Abstract： At present， the domestic demand for underground mineral resources such as coal mine， oil and gas is increasing， and the shallow mineral resources are gradually exhausted with the continuous exploitation. The exploration and development of deep underground mineral resources will become the key project of scientific research in the future. In view of the current situation of rock breaking， this paper focuses on the discussion of some new efficient rock breaking technologies， such as hydraulic rock breaking， laser rock breaking， high-speed particle impact rock breaking and so on. Through comparative analysis and other methods， this paper analyzes and summarizes the rock characteristics， rock breaking mechanism and development prospects.

Key Words： Rock crushing; Rotary drilling; High speed particles; Mechanical rock breaking

1? 水力破巖技術(shù)

1.1 高壓水力脈沖破巖技術(shù)

在早期，SELFRAG公司最先將焦點集中于高壓脈沖設(shè)備的研制，并將其應(yīng)用在礦產(chǎn)資源的挖掘、其他行業(yè)硬性物質(zhì)的破碎等方面。在國內(nèi)，該技術(shù)大部分一直處于實驗階段。

高壓水力脈沖破巖是基于液壓脈沖空化射流原理而產(chǎn)生的，該技術(shù)在實施中需將絕緣液體引流到被破碎巖石的表面，放電電極與被破碎巖石觸碰，并通過電極施加一定的高壓脈沖，此時巖石會被電擊穿，從而形成等離子通道，高壓脈沖波的不斷沖擊致使巖石等離子通道受膨脹而產(chǎn)生裂隙，拓展面積不斷加大，最終導致巖石破碎[1]。各項實驗數(shù)據(jù)及生產(chǎn)實踐表明，該項技術(shù)具有運行穩(wěn)定、破碎效率高、對周圍環(huán)境無污染等優(yōu)勢。

1.2 高壓水射流輔助破巖技術(shù)

早在19世紀中期，國外科學家率先將水射流應(yīng)用在非固結(jié)礦床的開采試驗上。高壓水射流技術(shù)主要被用來應(yīng)用在礦產(chǎn)、石油鉆井等領(lǐng)域，因其可以有效的避免礦井中的瓦斯爆炸，在煤礦開采中使用率更高。該技術(shù)的基本原理主要是依靠脈沖發(fā)生器所發(fā)射的高壓水射流高速沖擊到鉆孔中，產(chǎn)生的瞬間高壓能夠迅速的破碎巖石。巖石的破碎進程可定義為巖石內(nèi)部損傷的疊加，是剪應(yīng)力和主應(yīng)力共同作用的效果，高壓水射流在到達巖體時會產(chǎn)生向四周擴散的半球面波，應(yīng)力波傳播時經(jīng)過巖體裂縫發(fā)生波的反射和衍射，并在縫隙處疊加能量，當疊加的能量達到一定值時，巖石遭到破壞[2]。

高壓水射流在輔助巖石破碎時會受到多方面的影響，包括礦井深部的高壓強、巖石孔隙的壓力、高速射流所造成的巖體破裂等。在當前，高壓水射流輔助破巖技術(shù)能夠較大地提高巖石破碎的效率，具有廣闊的發(fā)展前景，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷加大，但射流本身具有較大的復雜性，破巖過程形式多樣，不宜把控，因而在許多方面需要進一步地改進與創(chuàng)新。

2? 機械破巖技術(shù)

2.1 旋沖鉆井破巖技術(shù)

旋沖鉆井破巖裝置主要由沖擊裝置和PDC鉆頭組成，兩者通過螺桿配合，組成軸向沖擊和高轉(zhuǎn)速切削疊加的巖石破碎技術(shù)。該技術(shù)基本原理是鉆井液經(jīng)沖擊裝置中的水力震蕩元件形成的脈沖射流通過螺桿對PDC鉆頭產(chǎn)生周期性的軸向沖擊力，在沖擊載荷輔助作用下，PDC鉆頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巖石破碎程度更加顯著，同時降低了周圍巖體的強度，提高巖石破碎效率[3]。

該項技術(shù)的破巖效果主要依靠它的沖擊裝置來體現(xiàn)，根據(jù)沖擊裝置的不同劃分為氣動式旋沖鉆井技術(shù)和液動式旋沖鉆井技術(shù)。

2.2 復合沖擊破巖技術(shù)

復合沖擊破巖技術(shù)根本原理就是將軸向的脈動沖擊與扭轉(zhuǎn)沖擊破巖相結(jié)合，將沖擊裝置所具有的流體能量轉(zhuǎn)換成軸向和扭向相交替的高頻沖擊能量，而軸向與扭向的沖擊能對鉆頭產(chǎn)生不同的效應(yīng)[4]。其中，軸向沖擊能使鉆頭軸向破碎巖石的能量不斷加大，而扭向沖擊可通過鉆桿的旋轉(zhuǎn)將能量傳給底部的鉆頭，在此效果下較大程度地提高了鉆頭的巖石破碎效率。

復合沖擊破巖技術(shù)與常規(guī)旋轉(zhuǎn)沖擊破巖相比，巖石破碎程度更大，巖石碎塊更多。隨著沖擊裝置工作頻率增加，巖石破碎效率相應(yīng)提高。

3? 高速粒子沖擊破巖

粒子沖擊破巖是一個連續(xù)不間斷的進程，當高速粒子沖擊到巖石外表后，首先會在沖擊區(qū)域面內(nèi)有缺陷的表面產(chǎn)生赫茲裂紋，緊隨著粒子的不斷沖擊下，其巖石表面接觸應(yīng)力不斷增加，同時在高壓力作用下裂紋逐漸延伸，從而達到巖石破碎的效果[5]。對于給定很短的時間周期與很小的接觸面積導致了巨大的接觸應(yīng)力，這種接觸應(yīng)力比常規(guī)鉆頭施加的壓力要大得多。全斷面隧道掘進機是目前鐵道、水電交通礦山市政等硬巖隧洞施工中普遍應(yīng)用的工程機械，主要是利用旋轉(zhuǎn)刀盤上的滾刀擠壓破巖實現(xiàn)隧道掘進的目的，其主要克服的是巖石的抗壓強度，工程實踐表明在巖石的單軸抗壓強度在100MPa左右時，掘進機破巖效率相對尚可，但隨著巖石強度的增加，破巖效率逐漸下降，滾刀異常磨損和更換頻率增加，導致工期延長和施工成本的增加[6]。且在遇到地質(zhì)不均或復雜地層時，掘進機主軸承和機械刀具都易發(fā)生損壞[7]。

與常規(guī)鉆井破巖技術(shù)相比，高速粒子沖擊破巖技術(shù)具備很強的破巖優(yōu)勢，大大地減少了能量的損耗，其破巖速度提高了2～4倍，可顯著提高具有較高硬質(zhì)、耐研磨性強的工作環(huán)境的機械鉆速。該技術(shù)大幅度提高了經(jīng)濟效益，是深礦、硬地層井下破巖的新技術(shù)，具有較好的發(fā)展前景。但在地層深處高溫、高圍壓的環(huán)境下對粒子射流沖擊破巖產(chǎn)生較大的影響，很多地方仍然存在不足，需進一步對該技術(shù)進行研究與改進。

4? 其他破巖方法

4.1 CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)

相變的定義為，當物質(zhì)在外部條件如溫度、磁場、壓力等連續(xù)的變換之下，從一種相轉(zhuǎn)變成另一種相。液態(tài)的CO2在外部條件下能夠從液態(tài)轉(zhuǎn)換成氣態(tài)，發(fā)生液-氣相變的現(xiàn)象，致使液態(tài)CO2體積發(fā)生膨脹，通過外部條件控制釋放能量的大小、相變轉(zhuǎn)換的時機，其瞬間膨脹所爆發(fā)的機械能做功，以此達到破碎巖石的需求。

該技術(shù)的基本原理是通過壓力泵將液態(tài)的CO2壓縮后輸送到巖石破碎裝置的膨脹管內(nèi)，通過激活器的作用， 液態(tài)CO2在短時間相變，產(chǎn)生大量高壓CO2氣體，管內(nèi)壓強超過破裂片預設(shè)臨界值，其破裂片破裂，高壓氣體從噴射孔向周圍巖石孔壁噴出，形成沖擊載荷[8]。與此同時，高壓CO2氣體會向巖石裂隙內(nèi)滲入，使原有的裂隙進一步擴大，隨著高壓氣體的不斷膨脹，達到巖石破碎的目標。

對于該技術(shù)的發(fā)展，CO2液-氣相變膨脹破巖技術(shù)應(yīng)用比較普遍，但對其液-氣相變機理的研究、鉆井孔內(nèi)應(yīng)力場轉(zhuǎn)化屬性研究等存在一定的不足，市場上CO2液-氣相變膨脹做功裝置質(zhì)量參差不齊，以成熟的技術(shù)手段應(yīng)用到各類破碎行業(yè)中還需一定的時間，各方應(yīng)客觀的看待此項技術(shù)，鑒于不斷實驗的基礎(chǔ)上應(yīng)用到實踐中，共同致力于該技術(shù)的完善與發(fā)展。

4.2 激光破巖技術(shù)

激光破巖技術(shù)作用機理是在鉆井底部，通過發(fā)射激光鉆頭將激光束直接照射在巖石的外表，是一種非接觸式的破碎巖石方法。當激光束照射在巖石表面時，巖石會根據(jù)激光的強弱等級爆炸成碎片、熔融為液態(tài)，甚至高能激光會將巖石蒸發(fā)為氣態(tài)，而巖石其他區(qū)域也因激光能量的傳遞發(fā)生不同空間范圍內(nèi)的溫度差，加大巖石內(nèi)部微觀裂隙的形成及間隙的擴大，從而增大巖石破碎程度[8]。

激光破巖技術(shù)與傳統(tǒng)炸藥破巖技術(shù)相比具有安全而又低耗的特性，在石油鉆采、隧道巖石破碎等方面得到相當高的關(guān)注，但在實際應(yīng)用中，激光的遠距離傳輸仍是一個相當大的局限性，井下巖石破碎產(chǎn)生的礦物分解、巖石碎塊的重融等都會引起激光束能量的損耗。相信隨著激光相關(guān)技術(shù)的不斷進步，激光破巖技術(shù)定能真正走向大眾舞臺，大幅提高巖石破碎效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

4.3 高壓液氮射流輔助破巖技術(shù)

在常壓下，液氮溫度為-196℃，在鉆井破巖過程中，伴隨采掘深度不斷加深，在礦井下的空氣及巷道周圍巖體的溫度不斷升高，當兩者接觸過程中溫差大，液氮會對巖石迸發(fā)劇烈的冷沖擊作用，從而有效地降低巖體的抗拉、抗壓強度。當巖石的溫度越高，巖石經(jīng)冷沖擊后力學性能的弱化水平越強。在此基礎(chǔ)上，巖石產(chǎn)生裂縫并迅速擴展，輔助以射流沖擊從而達到巖石破碎的作用[9]。

高壓液氮射流技術(shù)聯(lián)合了液氮低溫冷沖擊與高速射流沖擊的雙重作用，可明顯降低巖石的碎裂難度，大幅提升巖石的破碎效果[10]。液氮射流在提高深部硬地層的滲透率方面有著廣闊的應(yīng)用前景，尤其是深部干熱巖地熱井[11-13]。與此同時，氮氣是惰性氣體，使用無污染，制冷迅速，在其他制冷領(lǐng)域也有著較好的發(fā)展前景[14-15]。在實際鉆井過程中，隨鉆井深度的一直加深，液氮的儲存、輸送都面臨著一定的難題，該技術(shù)需進一步改進。

5? 結(jié)語

當下，國內(nèi)外對能源的需求不斷增加，新型高效的鉆井破巖技術(shù)的發(fā)展愈發(fā)重要。任何一種破碎方法都有它的優(yōu)勢與不足，傳統(tǒng)破巖方法仍然有需要借鑒的地方。在破巖技術(shù)發(fā)展過程中，更多的是與傳統(tǒng)機械破巖方式結(jié)合。在未來一段時間內(nèi)，機械旋轉(zhuǎn)鉆進破巖技術(shù)以其較為完善的理論和實踐，仍將在鉆井破巖工作中起主導地位。相信隨著科學研究不斷向前，新型高效的破巖技術(shù)會摒棄傳統(tǒng)鉆井破巖技術(shù)的劣勢，集能量損耗更少，鉆井破巖效率更高，生產(chǎn)成本更低等優(yōu)勢于一體，為國家的發(fā)展做出更重要的貢獻。

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