激光照射岩石温度及热裂特性变化研究

发布时间：2020-09-18 14:48

　　传统机械破岩成本高、效率低,导致地下工程建设、深部油气开采、核废料处置等面临硬岩高效致裂难题,亟待新型破岩技术满足当前需求。高能激光束照射岩石会在岩石内部产生极高的温度和温度梯度,熔化岩石的同时还会通过热应力致裂岩石,激光破岩是当下最易实现且效率最高的方法。温度演变是激光热裂岩石的关键因素,本文结合物理实验、理论分析和数值计算等手段,研究了不同照射参数下岩石温度场和热裂特性变化规律,为激光热裂高强度岩石提供一定的基础支持。(1)用连续式光纤激光照射岩样,采用控制变量法分别研究激光功率、照射时间、照射距离、激光频率、照射角度、辅助气体对石灰岩岩样温度场、峰值应力、破岩比能(SE)、钻进速度(ROP)、热裂效能(MSE)等的影响规律。结果表明:激光照射岩样表面温度满足高斯分布,中心温度高、边缘温度低;激光功率越大、频率越高、照射角度越小,岩样表面的温度越高,SE及MSE越低,ROP越高,破岩效果越显著;照射时间越长,岩样表面温度越高,但二次效应使得SE及MSE变大,ROP变小;照射距离越大,岩样表面非直接照射区域温度越高,但是相变区热流密度值降低,故照射距离较小时,岩样破坏明显,SE及MSE较小,ROP较大;使用氧气时岩石剥落的体积最大,MSE最小,破岩效果最好;(2)相同照射参数下,砂岩、石灰岩、花岗岩表面温度变化类似,花岗岩的表面温度最高、砂岩次之、石灰岩最低;砂岩的钻孔深度及直径最大,SE值最低、ROP值最高;砂岩未出现剥落,花岗岩的剥落体积较小,石灰岩剥落体积最大。研究了不同含水率岩样的热裂效果,发现干燥岩样裂纹最多,孔径及孔深均最大,SE及MSE值最小、ROP值最高;饱和含水岩样的破岩效果最差。水下岩石激光热裂实验表明,随着水层厚度增加,照射区域岩样表面温度明显降低,孔深及孔径减小,SE升高,ROP降低,说明水中破岩比空气中的效果差;(3)建立激光照射岩石三维非稳态传热方程,给定相应的初始条件和边界条件,通过ANSYS进行数值计算。首先对数值试验进行了验证,随着照射时间增加,相同位置温度升高、热影响区、钻孔直径及深度均变大,与试验结果基本一致;中高功率激光照射岩石数值试验表明,随着激光功率增加,岩样温度升高,钻孔直径及深度逐渐变大,6kW功率连续照射5s得到的钻孔尺寸大于1kW功率连续照射20s的情况,说明中高功率激光照射破岩效果越显著。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU45

【参考文献】