微波技術(shù)輻射巖石實(shí)驗(yàn)探討與成孔應(yīng)用研究進(jìn)展

陳登紅， 袁永強(qiáng)， 湯允迎

(1.安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院， 淮南 232001； 2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所， 合肥 230031)

在地下空間利用及資源開發(fā)過程中，利用與開采深度愈漸增加，在面對強(qiáng)度與耐磨性高的堅(jiān)硬巖石時(shí)，如何快速經(jīng)濟(jì)地破碎巖體，并保證圍巖的穩(wěn)定性，是實(shí)際工程中普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題。當(dāng)前，中外許多研究人員在油氣鉆孔領(lǐng)域提出了一些新型破巖方法，如高壓液氮射流法[1]、二氧化碳相變致裂技術(shù)[2]和高能激光照射法[3]等，而上述方法對較大尺度的硬巖破裂工程無法得到滿足，需引入一種能實(shí)現(xiàn)大尺度巖石破裂與成孔的新型輔助破巖技術(shù)。微波在工業(yè)領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用[4-7]，而巖石中的部分礦物對微波具有吸收率高、兼容性好等特點(diǎn)[8-10]，因此，微波技術(shù)的不斷優(yōu)化為地下礦石資源中的破裂與成孔技術(shù)改革提供了可能。針對中外低能微波破巖相關(guān)研究成果，現(xiàn)系統(tǒng)歸納分析微波技術(shù)輻射巖石實(shí)驗(yàn)進(jìn)展、微波對巖石裂紋擴(kuò)展的影響及微波成孔應(yīng)用研究，并指出現(xiàn)有低能微波破巖實(shí)驗(yàn)研究和未來高能微波成孔技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 微波技術(shù)輻射巖石實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

1.1 微波輻射設(shè)備

一般微波設(shè)備由單?；蚨嗄Ｎ⒉ㄇ惑w、微波發(fā)生器和磁控管組成，微波設(shè)備對腔體材料和各裝置的吸波、反波以及透波特性要求較高。要研究微波與不同類型、不同尺寸巖石之間的相互作用，首先要掌握不同微波設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)和工作運(yùn)行特征。隨著現(xiàn)代工業(yè)微波技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，室內(nèi)試驗(yàn)中低能微波設(shè)備的種類和功能逐漸多樣化。表1所示為近年來代表性的微波輻射巖石實(shí)驗(yàn)中所選擇的低能微波設(shè)備及巖石參數(shù)。在進(jìn)行微波輻射破巖實(shí)驗(yàn)前后需要用其他儀器來分析相應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，低能微波破巖實(shí)驗(yàn)前后相關(guān)儀器及實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

目前實(shí)驗(yàn)中所采用的微波設(shè)備主要由微波頻率為2.45 GHz的單?；蚨嗄ＶC振腔構(gòu)成的工業(yè)微波爐和大功率微波加熱系統(tǒng)為主，由表1可知，實(shí)驗(yàn)中所選擇的巖石巖性和尺寸各不相同，且實(shí)驗(yàn)過程中配合不同微波參數(shù)設(shè)計(jì)了多組正交方案。對于不同類型的巖石，都有一組最佳的微波參數(shù)使其破巖或熔融成孔效率達(dá)到最優(yōu)，實(shí)驗(yàn)中以更高的微波能量去破巖時(shí)巖石由固態(tài)變到熱熔和汽化狀態(tài)，并在微波設(shè)備照射過的巖石區(qū)域形成氣-液-固三相混合物，同時(shí)由于巖石物態(tài)改變，大量的微波能量被反射和散射，從而造成一定微波能量的損失，因此，微波功率、照射時(shí)間和照射距離是微波高效率低能耗破巖的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

表1 近年來代表性微波設(shè)備及巖石參數(shù)Table 1 Representative microwave equipment and rock parameters in recent years

圖1 低能微波破巖實(shí)驗(yàn)前后相關(guān)儀器及實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Relevant instruments and experimental process before and after low energy microwave rock breaking experiment

近年來，微波技術(shù)輻射巖石實(shí)驗(yàn)研究成果豐碩，但是，實(shí)驗(yàn)設(shè)備多采用相同原理的四周型微波設(shè)備為主，很少從破巖的實(shí)際工程環(huán)境出發(fā)，所采用的微波設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)在有圍壓與大尺寸范圍時(shí)對巖石所對微波發(fā)生器正面進(jìn)行微波能量垂直輸入。因此，對于微波設(shè)備進(jìn)行更深層次的探究與研制時(shí)要綜合考慮實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性、穩(wěn)定性以及實(shí)驗(yàn)過程中的高能量損耗與微波反射問題，從而為不同環(huán)境以及不同巖性和尺寸的巖石，設(shè)計(jì)并優(yōu)選出更為適合的大型高效高能微波設(shè)備。

1.2 微波輻射實(shí)驗(yàn)研究

在不同微波功率與照射時(shí)間下，Hassani 等[11]得到當(dāng)功率為5 kW時(shí)實(shí)驗(yàn)中的玄武巖試件照射20 s相比照射10 s巖石的抗拉強(qiáng)度從12 M/Pa下降到8 M/Pa。Lu等[12-13]得出當(dāng)功率為3 kW照射時(shí)間分別為5、10、15 min時(shí)該實(shí)驗(yàn)中邊長20 cm的立方巖石縱波波速，較照射前分別下降了2.2%、6.0%、8.4%。在不同微波功率或照射時(shí)間為定量時(shí)，Kingman等[14]在微波功率為15 kW的多模腔體微波設(shè)備照射下，礦石試樣僅照射1 s點(diǎn)荷載強(qiáng)度就下降了55%。高峰等[15]、朱要亮等[16]、盧高明等[17]在實(shí)驗(yàn)室利用熱電偶溫度傳感器和紅外熱成像儀等設(shè)備在實(shí)驗(yàn)研究的現(xiàn)場監(jiān)測下及在微波加熱巖石的數(shù)值研究中都發(fā)現(xiàn)，不同規(guī)格(Φ50 mm×25 cm、Φ50 mm×100 mm)、不同類型巖石(玄武巖、花崗巖等)、不同環(huán)境與加熱路徑下都出現(xiàn)巖石內(nèi)部高于表面溫度以及表面溫度呈區(qū)域性分布和巖石部分區(qū)域熔融現(xiàn)象且具有中心溫度高于側(cè)向表面的分布狀態(tài)。

可以說，改變實(shí)驗(yàn)中的微波參數(shù)對微波輻射實(shí)驗(yàn)后巖石的力學(xué)強(qiáng)度[11-14,18-19,25-27]、波速[21-23]和升溫特性[15-16,20,24]影響明顯，然而，研究的巖石尺寸全部為標(biāo)準(zhǔn)巖石試件大小，忽略了巖石破裂過程中尺寸大小對能量的減弱，且現(xiàn)有巖石礦物成分和含水率對微波破巖的影響研究對象較為單一[28-30]。因此，需要進(jìn)一步擴(kuò)充研究主體，建立針對不同區(qū)域、不同埋藏深度、不同尺寸巖石的多因素模型，在難以改變巖石原始礦物組成和地質(zhì)工程條件時(shí)，有必要結(jié)合不同尺寸巖石的破裂過程，在未來深入研究考慮高能微波能量作用過程與尺寸之間的關(guān)系。

2 1.4 kW微波功率輻射巖石實(shí)驗(yàn)探討

2.1 實(shí)驗(yàn)試樣

在前人學(xué)者實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用CY-MU1000C-L型微波馬弗爐對尺寸為Φ50 mm×100 mm的圓柱狀巖石試件進(jìn)行功率1.4 kW的微波輻射試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中所用的巖石為河北平山玄武巖和河北井陘石灰?guī)r，玄武巖試件的平均密度為3.02 g/cm3，初始平均波速為6.03 km/s，石灰?guī)r試件的平均密度為2.71 g/cm3，初始平均波速為6.13 km/s，微波輻射實(shí)驗(yàn)前對兩類巖石的粉末樣本進(jìn)行X射線衍射(XRD)測試，發(fā)現(xiàn)兩類巖石中都含有強(qiáng)吸波礦物輝石，表明河北平山玄武巖和河北井陘石灰?guī)r與微波反應(yīng)較好。

2.2 微波輻射玄武巖

玄武巖試樣在微波輻射309 s時(shí)，能夠明顯聽到崩開破碎的試樣撞擊微波腔體的聲音，此時(shí)紅外熱探頭記錄試樣表面的溫度為201 ℃，之后立即關(guān)閉微波源，將玄武巖試樣從馬弗爐腔體中取出，破裂的試樣如圖2所示。玄武巖中的造巖礦物輝石吸收微波后，巖石溫度大幅上升并產(chǎn)生較強(qiáng)的熱膨脹作用，使巖石在內(nèi)部產(chǎn)生熱破裂，甚至使巖石崩開破碎。

圖2 玄武巖破裂狀態(tài)Fig.2 Basalt fracture state

2.3 微波輻射石灰?guī)r

將石灰?guī)r在微波馬弗爐中連續(xù)輻射14 min，期間利用微波馬弗爐側(cè)部安裝的紅外熱探頭連續(xù)記錄試樣曲面的溫度變化。圖3為石灰?guī)r溫度變化曲線及輻射后石灰?guī)r破裂狀態(tài)。從圖3可知石灰?guī)r表面溫度變化曲線在上升中出現(xiàn)三個(gè)明顯的溫度下降點(diǎn)，分別是Ⅰ點(diǎn)370 s溫度由328 ℃降為325 ℃； Ⅱ點(diǎn)570 s溫度由422 ℃降為415 ℃；Ⅲ點(diǎn)600 s溫度由427 ℃降為422 ℃。與玄武巖一樣在輻射過程中石灰?guī)r發(fā)出響聲，但因輻射時(shí)間比玄武巖長，在整個(gè)輻射石灰?guī)r實(shí)驗(yàn)過程中明顯聽到三次悶響，出現(xiàn)響聲的時(shí)間點(diǎn)與溫度下降的時(shí)間點(diǎn)完全重合。

圖3 石灰?guī)r溫度變化曲線及破裂狀態(tài)Fig.3 Limestone temperature variation curve and fracture state

結(jié)合石灰?guī)r在微波馬弗爐腔體中的初始與結(jié)束位置不同，分析溫度曲線出現(xiàn)三個(gè)下降點(diǎn)的原因?yàn)?，三次悶響都為石灰?guī)r破裂的聲音，石灰?guī)r在破裂的同時(shí)，內(nèi)部應(yīng)力集中釋放，且石灰?guī)r試件為圓柱體，在腔體內(nèi)受力后自由移動，石灰?guī)r移動后固定在側(cè)部的紅外熱探頭將會重新記錄新的監(jiān)測點(diǎn)的溫度，而由文獻(xiàn)[15-17]可知，微波輻射巖石時(shí)表面溫度呈區(qū)域性分布，因此，在每次悶響后溫度會有一定下降之后重新升高。圖3中標(biāo)出了石灰?guī)r發(fā)生三次破裂的位置及順序，并且從巖石照片的裂縫中可以清晰看到巖石內(nèi)部呈巖漿色，進(jìn)一步證明了，在微波輻射時(shí)巖石內(nèi)部高于表面溫度以及區(qū)域熔融現(xiàn)象。

3 微波輻射對巖石裂紋擴(kuò)展的研究

3.1 巖石裂紋宏微觀擴(kuò)展現(xiàn)象

研究微波對巖石裂紋擴(kuò)展的影響，就是探究巖石在微波照射作用下發(fā)生微觀構(gòu)造反應(yīng)的程度，從而揭示微波破巖的機(jī)理。研究人員在不同路徑下對試樣進(jìn)行微波輻射處理，之后采用對比試驗(yàn)方法對微波輻射實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析與研究。

胡國忠等[28，31]發(fā)現(xiàn)微波輻射后的煤巖體表面和內(nèi)部出現(xiàn)原生裂隙擴(kuò)展、微裂隙數(shù)量增加等現(xiàn)象，微波照射使煤巖體產(chǎn)生的裂紋弱化了之前積聚的能量。李元輝等[32]利用超景深顯微鏡觀察微觀裂紋情況，發(fā)現(xiàn)在微波照射后試樣內(nèi)部的裂紋以沿晶、穿晶斷裂為主。戴俊等[33-36]采用掃描電鏡的方式對比了花崗巖、大理巖和砂巖在微波照射后的微觀裂紋類型，得出三種不同的巖石內(nèi)部晶體斷裂形式不同的結(jié)論。取2.2節(jié)中玄武巖標(biāo)準(zhǔn)試件在1.4 kW微波功率輻射309 s后斷口處的巖樣做電鏡掃描，如圖4所示。圖4中的裂紋進(jìn)一步驗(yàn)證了上述文獻(xiàn)[28-36]所提出的斷裂結(jié)論。

圖4 玄武巖斷口SEM圖Fig.4 SEM of basalt fracture

總結(jié)得到，微波照射后巖石內(nèi)部微觀裂紋的發(fā)展意味著巖石整體材料狀態(tài)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致巖石波速、強(qiáng)度等也發(fā)生變化，并且，巖石內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展可以有效預(yù)測巖石強(qiáng)度折減規(guī)律，因此，研究微波照射下巖石裂紋擴(kuò)展規(guī)律對工程實(shí)踐具有重要意義。目前，儀器檢測是微波作用后驗(yàn)證巖石發(fā)生宏微觀變化的必要手段，雖然一些先進(jìn)的檢測分析儀器如掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、薄片分析、CT掃描等被運(yùn)用到微波照射實(shí)驗(yàn)中用以觀察破壞巖石的微觀結(jié)構(gòu)巖石，但是微波如何動態(tài)影響巖石內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)及成分，以及耦合多相態(tài)和多物理場時(shí)微波照射巖石的微、宏觀變化對應(yīng)過程等都有待繼續(xù)深入研究。

3.2 微波輻射裂紋擴(kuò)展機(jī)理

利用高功率微波持續(xù)加熱含有吸波礦物的巖石，可以使巖石在較短時(shí)間由內(nèi)向外裂開，從而減少巖石破裂所需能量。盡管現(xiàn)有微波輻射巖石實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，微波輻射可以使巖石強(qiáng)度折減，提高整體巖石破碎效率，但由于相應(yīng)微波輻射裂紋擴(kuò)展機(jī)理研究的缺乏，使微波破巖中能量節(jié)省及效率提高很難準(zhǔn)確判斷。一些學(xué)者通過數(shù)值模擬和理論計(jì)算的方法揭示了微波輻射弱化巖石的機(jī)理。在數(shù)值模擬方面是通過建立兩相礦物巖石模型，即在原本基質(zhì)中加入一種強(qiáng)微波吸收礦物基粒，朱要亮等[37]、秦立科等[38]、胡亮等[39]采用不同的數(shù)值模擬軟件以黃鐵礦、方鉛礦、方解石為研究對象，探究了微波條件下不同礦物模型溫度與內(nèi)部應(yīng)力變化及分布規(guī)律，研究結(jié)果表明，微波照射后兩種礦物之間存在熱膨脹引起并以拉伸裂紋為主的微裂紋；Peinsitt等[40]模擬試驗(yàn)表明，對于勻質(zhì)巖石材料，采用一個(gè)吸波而另一個(gè)不吸波理想化巖石模型效果不理想；李勇等[41]利用ANASYS模擬軟件對玄武巖經(jīng)微波照射后的溫度與應(yīng)力進(jìn)行了模擬；唐陽等[42]采用PFC軟件討論了施加不同微波參數(shù)下巖石力學(xué)性能的改變；Toif等[43-44]利用建立的三維模型模擬了由兩組以及三組礦物組成的巖石經(jīng)微波輻射后的溫度與應(yīng)力分布情況；Qin等[45]還研究了不同形狀礦石顆粒對微裂紋的生長分布的影響，研究結(jié)果表明，礦物形態(tài)對微裂紋生長規(guī)律無影響只對數(shù)量有一定影響；Hartlieb[46]由玄武巖數(shù)值模型得到圓柱模型的溫度內(nèi)部大于表面，從而認(rèn)為巖樣整體溫度梯度和試樣集合形狀決定微波輻射后裂紋擴(kuò)展；Ali等[47]從模型賦值應(yīng)力的角度，定義了微波輻射時(shí)數(shù)值模型內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的條件和微裂紋數(shù)量；Zheng等[48]利用微波輻射巖石后P波波速的下降，定義了巖石內(nèi)部的裂紋密度。此外，袁媛等[49]還在理論方面，推導(dǎo)了在微波輻照下均勻脆性巖石內(nèi)部初始微裂紋的臨界擴(kuò)展條件。

可以看出，微波輻射后巖石裂紋的已有研究主要集中在裂紋數(shù)量、分布規(guī)律、分布形態(tài)方面。而研究時(shí)沒有考慮天然巖石中存在的初始裂紋對新生裂紋擴(kuò)展發(fā)育的影響，因此，深入探究微波輻射導(dǎo)致的巖石裂紋擴(kuò)展發(fā)育機(jī)制時(shí)，需建立均勻與非均勻的巖石模型，研究包括原始裂紋、熱斷裂、損傷在內(nèi)的裂紋擴(kuò)展所需的微波能量臨界條件，為微波破巖技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

4 微波成孔應(yīng)用研究

機(jī)械破巖中傳統(tǒng)鉆頭盡管能夠滿足大部分的巖土工程施工要求，但在面對堅(jiān)硬巖層時(shí)，由于鉆頭磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致成本和周期增加，并且其在工作過程中會產(chǎn)生較大噪音及產(chǎn)生粉塵堆積等問題從而不利于環(huán)境保護(hù)。經(jīng)過上文分析，微波照射巖石后巖石的部分區(qū)域產(chǎn)生高溫最后成為熔融狀態(tài)或者直接被汽化，因此，可以將微波應(yīng)用到鉆孔技術(shù)中，使其成為高效快速可控且不產(chǎn)生粉塵與噪音污染的新型巖石成孔技術(shù)，如圖5所示。

近年來隨著高功率微波源技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)生產(chǎn)出功率數(shù)百千瓦甚至兆瓦量級的電真空管，轉(zhuǎn)換效率可超50%，因此利用高功率微波能量熔穿巖石逐漸具備了技術(shù)條件，同時(shí)微波可以利用波導(dǎo)管進(jìn)行高效傳輸[50-55]。Jerby等[56-57]開展了C波段高功率微波在混凝土、陶瓷、玻璃等多種材質(zhì)上的鉆孔實(shí)驗(yàn)，并且最后在混凝土表面利用研制的機(jī)械輔助微波鉆孔設(shè)備成功實(shí)現(xiàn)了深26 mm、直徑12 mm的鉆孔。美國麻省理工學(xué)院(MIT)等離子體科學(xué)和聚變中心相關(guān)專家于2008年率先啟動了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，并且，在2014年其利用28 GHz/10 kW實(shí)驗(yàn)平臺開展了較為完整的毫米波鉆探實(shí)驗(yàn)[58]。圖6所示為MIT利用微波能在玄武巖上把原有直徑12.7 mm的孔熔化擴(kuò)大至50 mm的情況[58]。

圖5 微波成孔技術(shù)原理示意圖[6]Fig.5 Schematic diagram of microwave drilling technology[6]

圖6 利用微波能熔化擴(kuò)大孔徑情況[58]Fig.6 Using microwave energy to melt and enlarge aperture[58]

中國科學(xué)院等離子物理研究所湯允迎課題組成功研制了國內(nèi)首套兆瓦級高功率毫米波穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[59-60]，并在此基礎(chǔ)上搭建了高功率長脈沖微波成孔測試平臺，研究高功率微波成孔機(jī)理。圖7所示為高功率毫米波測試平臺。

圖7 高功率毫米波測試平臺[59-60]Fig.7 High power millimeter wave test platform[59-60]

綜上所述，目前對高能微波成孔的研究已取得了一些有益的成果，但針對不同性質(zhì)與不同深部圍壓下的巖石材料，需要確定具體的高功率微波參數(shù)，使微波作用后產(chǎn)生的最高溫度能熔融直至汽化巖石，從而避免過度微波輸入造成能量浪費(fèi)。目前，高能微波在現(xiàn)場測試及發(fā)射導(dǎo)波末端器件的降溫保護(hù)技術(shù)，還處于摸索探尋階段。因此，如何突破高能微波破巖/成孔的核心基礎(chǔ)科學(xué)問題，形成高能微波破巖甚至高效成孔適用性的系統(tǒng)研究，是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在深部巷硐堅(jiān)硬巖層成孔應(yīng)用的關(guān)鍵前提。隨著研究的深入，該方法有望成為將來解決堅(jiān)硬巖石條件下機(jī)械破巖/成孔施工困難的有效手段之一。

5 研究展望

微波破巖在微波參數(shù)和巖石物理特性等多因素條件影響下，基于微波變換的電磁場和巖石相變傳熱的溫度場，巖石的物理力學(xué)性能在宏觀和微觀兩方面進(jìn)行改變，從而產(chǎn)生破碎、熔融等破巖過程。與傳統(tǒng)破巖工藝相比，微波破巖的優(yōu)點(diǎn)有很多，一方面提高微波能量可在極短時(shí)間內(nèi)致裂與熔融巖石，可適用于高強(qiáng)度的堅(jiān)硬巖石；另一方面其設(shè)備在破巖過程中不需其他機(jī)械構(gòu)件和器材，且工序簡單，可節(jié)約破巖成本和節(jié)省破巖時(shí)間；最后相比機(jī)械鉆頭在硬巖磨損后的更換頻率，微波設(shè)備的使用壽命更長。盡管如此，目前微波破巖技術(shù)仍然處于理論探究和實(shí)驗(yàn)室探索階段，在實(shí)驗(yàn)條件下研究的巖石尺寸和微波參數(shù)偏小，與工程實(shí)際高圍壓破巖存在一定不符，微波配套設(shè)備及高能轉(zhuǎn)換技術(shù)仍在成型與發(fā)展階段。

展望未來，為了繼續(xù)探究微波破巖與成孔機(jī)理，提高效率、優(yōu)化方法，仍需進(jìn)一步開展以下深入研究工作。

(1)微波設(shè)備的改進(jìn)，不采用發(fā)射裝置固定的內(nèi)部四周輻射設(shè)備，而以實(shí)際應(yīng)用以及轉(zhuǎn)變靈活的垂直發(fā)射輻射裝置為主。

(2)改選深部工程中實(shí)際賦存的巖石，目前多數(shù)微波破巖實(shí)驗(yàn)所選的巖石為地表花崗巖玄武巖等，少有試驗(yàn)涉及地下工程施工中的深部硬巖，因此，未來可以研究微波對于深部帶圍壓條件下硬巖的損傷與熱熔規(guī)律。

(3)地下深部隧道和煤礦巖巷掘進(jìn)時(shí)會出現(xiàn)瓦斯涌出現(xiàn)象，所以，需要考慮微波對含瓦斯硬巖的破巖效果及是否存在安全威脅隱患問題。

(4)微波輻射大尺寸巖石熔融后流態(tài)場成分及周圍物質(zhì)改變及組成。

(5)現(xiàn)有研究以靜力學(xué)為主，未來可以進(jìn)行各種巖石微波輻射中動態(tài)力學(xué)性能方面的研究。

(6)在保證微波傳輸效率的前提下，創(chuàng)建高能高頻的脈沖微波破巖技術(shù)的現(xiàn)場配套設(shè)施以便實(shí)現(xiàn)高能微波成孔的工業(yè)化應(yīng)用。