傳統(tǒng)機械破巖成本高、效率低,導致地下工程建設、深部油氣開采、核廢料處置等面臨硬巖高效致裂難題,亟待新型破巖技術滿足當前需求。高能激光束照射巖石會在巖石內部產(chǎn)生極高的溫度和溫度梯度,熔化巖石的同時還會通過熱應力致裂巖石,激光破巖是當下最易實現(xiàn)且效率最高的方法。溫度演變是激光熱裂巖石的關鍵因素,本文結合物理實驗、理論分析和數(shù)值計算等手段,研究了不同照射參數(shù)下巖石溫度場和熱裂特性變化規(guī)律,為激光熱裂高強度巖石提供一定的基礎支持。(1)用連續(xù)式光纖激光照射巖樣,采用控制變量法分別研究激光功率、照射時間、照射距離、激光頻率、照射角度、輔助氣體對石灰?guī)r巖樣溫度場、峰值應力、破巖比能(SE)、鉆進速度(ROP)、熱裂效能(MSE)等的影響規(guī)律。結果表明:激光照射巖樣表面溫度滿足高斯分布,中心溫度高、邊緣溫度低;激光功率越大、頻率越高、照射角度越小,巖樣表面的溫度越高,SE及MSE越低,ROP越高,破巖效果越顯著;照射時間越長,巖樣表面溫度越高,但二次效應使得SE及MSE變大,ROP變小;照射距離越大,巖樣表面非直接照射區(qū)域溫度越高,但是相變區(qū)熱流密度值降低,故照射距離較小時,巖樣破壞明顯,SE及MSE較小,ROP較大;使用氧氣時巖石剝落的體積最大,MSE最小,破巖效果最好;(2)相同照射參數(shù)下,砂巖、石灰?guī)r、花崗巖表面溫度變化類似,花崗巖的表面溫度最高、砂巖次之、石灰?guī)r最低;砂巖的鉆孔深度及直徑最大,SE值最低、ROP值最高;砂巖未出現(xiàn)剝落,花崗巖的剝落體積較小,石灰?guī)r剝落體積最大。研究了不同含水率巖樣的熱裂效果,發(fā)現(xiàn)干燥巖樣裂紋最多,孔徑及孔深均最大,SE及MSE值最小、ROP值最高;飽和含水巖樣的破巖效果最差。水下巖石激光熱裂實驗表明,隨著水層厚度增加,照射區(qū)域巖樣表面溫度明顯降低,孔深及孔徑減小,SE升高,ROP降低,說明水中破巖比空氣中的效果差;(3)建立激光照射巖石三維非穩(wěn)態(tài)傳熱方程,給定相應的初始條件和邊界條件,通過ANSYS進行數(shù)值計算。首先對數(shù)值試驗進行了驗證,隨著照射時間增加,相同位置溫度升高、熱影響區(qū)、鉆孔直徑及深度均變大,與試驗結果基本一致;中高功率激光照射巖石數(shù)值試驗表明,隨著激光功率增加,巖樣溫度升高,鉆孔直徑及深度逐漸變大,6kW功率連續(xù)照射5s得到的鉆孔尺寸大于1kW功率連續(xù)照射20s的情況,說明中高功率激光照射破巖效果越顯著。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TU45

【參考文獻】

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本文編號：2821792