激光破巖技術(shù)研究進(jìn)展

鄭亞魁, 曠鳴海, 張 魁, 3, *, 汪鼎華, 聶 雄

(1. 中鐵山河工程裝備股份有限公司, 廣東 廣州 511400; 2. 湘潭大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 復(fù)雜軌道加工技術(shù)與裝備教育部工程研究中心, 湖南 湘潭 411105; 3. 湘潭大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 力學(xué)博士后流動(dòng)站, 湖南 湘潭 411105)

0 引言

自從美國(guó)科學(xué)家Maiman于1960年研制出世界第1臺(tái)紅寶石激光器后,人類便開(kāi)啟了激光技術(shù)研究與工程應(yīng)用的時(shí)代[1-2]。最初,激光技術(shù)僅應(yīng)用于小功率非金屬板材鉆孔、切割等制造業(yè)。經(jīng)過(guò)幾十年的長(zhǎng)期發(fā)展積累,隨著各類型大功率激光器的相繼問(wèn)世,激光技術(shù)被廣泛應(yīng)用于切割、焊接、清洗、鉆孔等工業(yè)領(lǐng)域,并已展示出高效、精準(zhǔn)和可控等諸多優(yōu)點(diǎn)(相比傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù))[3-4]。其中,學(xué)者們從20世紀(jì)60年代就開(kāi)始嘗試將激光技術(shù)應(yīng)用于破巖領(lǐng)域。美國(guó)麻省理工學(xué)院最早在1968年提出激光鉆井設(shè)想,并對(duì)激光破巖進(jìn)行了試驗(yàn)研究,驗(yàn)證其具有一定的應(yīng)用前景。隨后,天然氣研究所(GRI)于1997年開(kāi)展了一個(gè)為期2年的研究項(xiàng)目,首次對(duì)激光技術(shù)在石油工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)激光在鉆井領(lǐng)域的巨大前景。近20年來(lái),激光技術(shù)因發(fā)展迅速,并且具有非接觸式能量傳輸、傳熱比大和能量高度集中等突出優(yōu)勢(shì)[5-7],而被眾多學(xué)者廣泛地應(yīng)用于破巖領(lǐng)域研究?？梢?jiàn),與微波等多種技術(shù)一樣,激光技術(shù)在破巖領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用前景,有望完全替代或者輔助傳統(tǒng)爆破法、機(jī)械破巖法,實(shí)現(xiàn)高效破巖作業(yè)。例如,在鉆井領(lǐng)域,激光鉆井的速率是傳統(tǒng)鉆井的10～100倍[8]。

深刻理解激光破巖機(jī)制,并對(duì)其加以有效調(diào)控利用,是實(shí)現(xiàn)激光高效破巖的關(guān)鍵所在。激光技術(shù)之所以能夠切實(shí)提高巖石破碎效率,降低破巖成本,主要在于: 1)在激光作用下,位于誘導(dǎo)作用區(qū)域的巖石產(chǎn)生了局部熱應(yīng)力,弱化了巖石強(qiáng)度,并促進(jìn)熱裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展,顯著降低了巖石的各項(xiàng)力學(xué)性能[9-10]; 2)巖石在激光照射下會(huì)經(jīng)歷升溫、熔化、汽化和凝固過(guò)程,形成多相混合同時(shí)存在的狀態(tài),產(chǎn)生了宏觀損壞現(xiàn)象[11-12]。但遺憾的是,對(duì)激光破巖機(jī)制的理解與運(yùn)用尚未臻于完美。目前,仍有大量學(xué)者從激光功率、輻照時(shí)間和不同巖性等諸多方面對(duì)激光破巖技術(shù)及其破巖機(jī)制進(jìn)行著深入且持續(xù)的研究[13-15]。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,國(guó)家重大工程如南水北調(diào)、西部大開(kāi)發(fā)、西氣東輸?shù)却笮凸こ滔嗬^開(kāi)工,城市軌道交通、地下空間開(kāi)發(fā)和跨區(qū)域交通不斷推進(jìn),中國(guó)的地下工程修建規(guī)模和難度均位居世界前列[16-18]。深地等地下空間資源的挖掘與利用成為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)任務(wù)和戰(zhàn)略目標(biāo)[19]。面對(duì)“三高”(高硬度、高圍壓和高石英含量)等極端掘進(jìn)工況條件,傳統(tǒng)的全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱TBM)等施工法存在施工效率低、施工成本大、關(guān)鍵破巖器具損耗高等缺陷[20-21]。有鑒于激光技術(shù)在前述采礦工程與鉆井工程等領(lǐng)域所取得的良好成果,激光輔助TBM破巖有望成為新的研究熱點(diǎn)。為了向隧道掘進(jìn)和鉆井等地下工程領(lǐng)域?qū)W者提供比較全面的情報(bào)信息和合理的指導(dǎo)方向,本文首先闡述了激光與激光輔助破巖技術(shù);再?gòu)募す馄茙r技術(shù)研究方法與影響因素研究方面,對(duì)目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)激光破巖技術(shù)在鉆孔領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行歸納總結(jié); 最后對(duì)激光輔助破巖技術(shù)在隧道掘進(jìn)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用進(jìn)行概括,展望激光破巖技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。

1 激光與激光輔助破巖技術(shù)

1.1 激光

激光,即受輻照放大的光,最早是由愛(ài)因斯坦于1917年提出,其原理是通過(guò)激發(fā)電子、振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等方式,使高能級(jí)的粒子躍遷到低能級(jí)上,變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài),從而使系統(tǒng)傳播的光子被輻射放大,激發(fā)出一個(gè)高度集中的強(qiáng)光現(xiàn)象[22-23]。激光輻照最重要的特性包括空間相干性、窄光譜發(fā)射、高功率和可調(diào)控的空間模式等,使光束能夠聚焦到衍射極限的光斑尺寸,能輕易在物體局部區(qū)域產(chǎn)生高溫的熱應(yīng)力場(chǎng)作用,以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度能量傳輸[24]。目前,業(yè)界激光強(qiáng)度高達(dá)1023W/cm2[25]。

1.2 激光輔助破巖技術(shù)

在進(jìn)行鉆井和隧道挖掘等地下工程時(shí),實(shí)質(zhì)上是利用鉆頭和滾刀等關(guān)鍵破巖工具與巖石直接接觸,使巖石受到擠壓、剪切、張拉等多種破壞機(jī)制的綜合作用,從而破碎巖石。以滾刀破巖為例,在正壓力F作用下,滾刀侵入巖石并持續(xù)回轉(zhuǎn)滾壓破壞巖石,使得巖石內(nèi)產(chǎn)生了大量損傷裂紋[26]。在這一過(guò)程中,巖石的高硬度與強(qiáng)研磨性是造成關(guān)鍵破巖器具磨損嚴(yán)重、破巖效率低的重要因素。滾刀破巖示意如圖1所示。雖然目前有不少學(xué)者嘗試通過(guò)采用高性能材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等對(duì)關(guān)鍵破巖器具進(jìn)行改進(jìn),以期在一定程度上改善刀具的磨損情況,但效果有限?？紤]到巖石是一種非均勻的脆性材料,內(nèi)部有許多缺陷,如微裂縫、孔隙、節(jié)理和裂縫等,巖體的破碎和去除主要受巖體內(nèi)部缺陷的控制[27]。因此,學(xué)者發(fā)現(xiàn)利用高壓水射流、超聲振動(dòng)、激光和微波輻照等新型破巖手段在巖石表面產(chǎn)生附加應(yīng)力或熱場(chǎng),可以增加巖石結(jié)構(gòu)缺陷,削弱巖石強(qiáng)度,從而減少破巖器具的磨損,提高巖石破碎效率,實(shí)現(xiàn)高效破巖[28-29]。

圖1 滾刀破巖示意圖

目前,激光破巖技術(shù)已經(jīng)在油氣鉆井領(lǐng)域取得大量研究成果,分為直接破巖和輔助機(jī)械器具破巖2種模式。直接破巖是利用激光直接作用于巖石,使巖石快速熔化和汽化,從而破碎巖石,并由高壓輔助氣體將巖石碎屑帶走; 激光輔助機(jī)械破巖是在使用激光照射巖石,使巖石快速升溫,并在巖石內(nèi)部產(chǎn)生大量熱裂紋的基礎(chǔ)上,搭配有滾刀、鉆頭等機(jī)械破巖器具進(jìn)行破巖,從而使得機(jī)械器具能夠快速破碎巖石。激光輔助機(jī)械器具破巖示意如圖2所示。大量的研究表明,使用激光直接破巖很難一次性完全破碎和去除巖石,而在激光輻照的基礎(chǔ)上搭配機(jī)械破巖器具進(jìn)行破巖則能大幅度提高破巖效率。

圖2 激光輔助機(jī)械器具破巖示意圖

2 激光破巖技術(shù)研究方法

為了深刻理解激光破巖機(jī)制,眾多學(xué)者利用試驗(yàn)、理論與仿真等手段對(duì)激光破巖技術(shù)進(jìn)行了大量研究,其研究成果主要集中在激光鉆孔方面。下文以激光鉆孔為例,從試驗(yàn)、理論和仿真3個(gè)方面,對(duì)激光破巖技術(shù)的研究方法進(jìn)行分析總結(jié)。

2.1 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)是最能直觀反映激光與巖石作用過(guò)程的研究方法。考慮到作為激光的發(fā)射裝置,激光器類型不同,其破巖效果與破巖機(jī)制不盡相同,因此必須選擇合適的激光器來(lái)搭建試驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行激光破巖研究。根據(jù)激光器增益介質(zhì)不同,激光器可分為氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器和固體激光器等[30-32]。目前,可應(yīng)用于破巖領(lǐng)域的激光器歸納如表1所示。激光破巖試驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。由圖3可知,用于破巖試驗(yàn)的主流激光器為光纖激光器。這是由于激光破巖是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程,會(huì)受到巖石類型、巖石沉積取向、巖石尺寸、激光輸出功率、激光照射時(shí)間等因素的影響,特別是地下工程中的惡劣環(huán)境會(huì)極大削弱破巖效果,而光纖傳輸由于其具有輸出功率高、傳輸效率好、光束質(zhì)量高和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn),可以很好地解決上述問(wèn)題。文獻(xiàn)[33-37]展示的裝置主要是通過(guò)激光鉆孔試驗(yàn),來(lái)探討激光破巖機(jī)制; 文獻(xiàn)[38]在鉆孔的基礎(chǔ)上還能進(jìn)行切槽,并且搭配有美國(guó)Flir型紅外熱像儀(測(cè)量溫度高達(dá)2 000 ℃),可以直接測(cè)量并存儲(chǔ)激光輻照過(guò)程中巖樣的表面溫度; 文獻(xiàn)[39]是利用激光輻照軟化巖石,隨后搭配劃痕測(cè)試裝置用于評(píng)估激光處理后巖石樣品的熱軟化程度; 文獻(xiàn)[40]利用不同光學(xué)透鏡組合,將來(lái)自激光器的圓形光束塑造成所需橢圓或者矩形光束,以探究光斑形狀對(duì)激光破巖機(jī)制的影響。

研究表明: 激光破巖過(guò)程分為升溫、熔化、汽化和凝固4個(gè)過(guò)程[41-43],如圖4所示?？梢钥闯? 1)當(dāng)激光剛照射到巖石表面時(shí),巖石溫度逐漸升高,受影響區(qū)域可分為輻照區(qū)、過(guò)渡區(qū)和熱影響區(qū),其破碎方式主要為熱力破碎,破碎后脫落的碎屑可由高壓輔助氣流帶出; 2)輻照區(qū)的溫度急劇上升,達(dá)到巖石的熔點(diǎn),巖石開(kāi)始熔化甚至汽化,此時(shí)巖石因?yàn)樵跇O短時(shí)間內(nèi)吸收大量能量發(fā)生相變,導(dǎo)致體積膨脹,產(chǎn)生熱爆裂現(xiàn)象,并且由于巖石原始孔隙中的密封氣體和特殊礦物成分(硅酸鹽等)的熱分解氣體逸出,使熔池中出現(xiàn)少量氣泡; 3)隨著輻照時(shí)間的增加,熔池溫度不斷升高,并且逐漸沸騰,熔池中氣泡不斷增大和破裂,熱影響區(qū)溫度進(jìn)一步升高,過(guò)渡區(qū)面積變大,熔池邊緣出現(xiàn)微裂紋; 4)激光輻照后,熔池內(nèi)的熔融物和汽化物不能及時(shí)被輔助氣體吹出帶走,會(huì)重新冷凝成光滑玻璃狀物質(zhì)(玻璃釉),玻璃釉中留有氣泡,部分氣泡會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭锥?同時(shí),微裂紋在孔洞周圍產(chǎn)生,并在熱應(yīng)力作用下迅速向外擴(kuò)展,形成復(fù)雜的裂紋網(wǎng)。

表1 可用于破巖領(lǐng)域的激光器[9]

圖3 激光破巖試驗(yàn)平臺(tái)

2.2 理論研究

基于對(duì)激光破巖機(jī)制的認(rèn)識(shí),學(xué)者們提出了各種理論模型來(lái)描述給定激光參數(shù)作用下巖石(見(jiàn)圖5)熱物性變化過(guò)程。激光破巖理論模型研究成果如表2所示。圖5中,激光光束輻照到巖石表面,絕大部分光能在巖石表面被吸收,然后通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量傳輸?shù)綆r石內(nèi)部,部分能量由于折射和反射而消散。由于巖石的導(dǎo)熱系數(shù)較小,激光的熱作用區(qū)域集中在光斑區(qū)域部分的巖石表面,從而可等效為半徑無(wú)窮大物體加熱模型。假定圖5中巖柱直徑為b,巖柱高為h,圓形激光束直徑為d。激光束可以采用強(qiáng)度均勻的圓形光束和高速高斯光束表示,兩者可以分別通過(guò)式(1)和(2)定義。

(1)

(2)

式中:I(r)為激光功率密度;P0為激光總功率;R為激光束半徑;r為任意一點(diǎn)到熱源中心的徑向距離。

圖4 激光破巖過(guò)程示意圖[34]

圖5 激光輻照巖石示意圖(以圓形光束為例)

基于上述基本理論,如圖6所示,Zhang等[44]采用響應(yīng)面法研究了激光鉆孔中激光功率、輻照時(shí)間和光斑直徑對(duì)巖石比能量的影響,得到巖石比能量的多元非線性回歸模型;然后,利用該模型分別交互分析各參數(shù)對(duì)巖石比能量的影響,找出影響巖石比能量的主要因素,發(fā)現(xiàn)激光功率對(duì)巖石比能量的影響最大,而輻照時(shí)間對(duì)巖石比能量的影響最小。李密等[45]根據(jù)非定常傳熱學(xué)原理分析了均勻激光光束和高斯激光光束照射砂巖時(shí)的溫度場(chǎng)分布,基于能量守恒定律建立了巖石的熔化和汽化模型,得到一定激光功率下巖石熔化和汽化的速率。Agha等[46]將激光與巖石的相互作用分為預(yù)熱、熔化和汽化3個(gè)主要階段,根據(jù)能量守恒定律建立了每個(gè)階段的控制模型,模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比,比能(SE)較高,穿孔速率(ROP)較低,這是由于在最初的假設(shè)過(guò)程中有意地削弱了熔化過(guò)程的影響。

上述理論模型都能較好地分析特定條件下激光破巖過(guò)程,這對(duì)指導(dǎo)進(jìn)一步試驗(yàn)研究具有重要意義,但由于目前尚未有準(zhǔn)確的理論模型描述黑體輻照、等離子體以及巖石流體飽和度等因素對(duì)破巖機(jī)制的影響規(guī)律,而實(shí)際的激光破巖過(guò)程是極其復(fù)雜的,因此,上述理論模型仍具有較大優(yōu)化空間。

2.3 仿真研究

數(shù)值模擬已廣泛應(yīng)用于激光破巖過(guò)程的研究。與傳統(tǒng)的試驗(yàn)相比,仿真技術(shù)可以節(jié)省時(shí)間,減少材料消耗,獲得試驗(yàn)難以或不可能測(cè)量的詳細(xì)特征信息,從而為深入研究激光破巖機(jī)制提供有效指導(dǎo)。數(shù)值模擬的可靠性取決于輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性,而合適的激光熱源模型和巖樣模型決定著所獲仿真結(jié)果是否接近實(shí)際破巖過(guò)程。激光破巖數(shù)值仿真研究成果如表3所示。由表3可知,學(xué)者們普遍采用高斯模型作為激光熱源模型,該模型能較好地反映熱源的熱學(xué)特性。

仿真模擬激光破巖所獲典型結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯? 1)學(xué)者們多采用有限元法進(jìn)行激光破巖仿真研究,該方法能較好模擬激光輻照下巖石孔洞形貌、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化等變化規(guī)律(見(jiàn)圖7(a)、7(b)、7(c)); 2)離散元法則能有效模擬激光破巖試驗(yàn)中難以觀測(cè)的巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展動(dòng)態(tài)過(guò)程,有利于分析巖石內(nèi)部裂紋產(chǎn)生機(jī)制,深入揭示激光破巖機(jī)制(見(jiàn)圖7(d)); 3)仿真可以有效模擬試驗(yàn)中激光輻照巖石后的表面損傷形貌(見(jiàn)圖7(a)); 4)高度再現(xiàn)了激光輻照過(guò)程中巖石表面溫度場(chǎng)變化,仿真所獲峰值溫度1 877 ℃與試驗(yàn)峰值溫度1 911 ℃相比,誤差僅為1.77%,并且仿真所獲溫度區(qū)間等溫線輪廓與試驗(yàn)高度吻合(見(jiàn)圖7(b))。以上特征高度再現(xiàn)了試驗(yàn)中激光輻照巖石所獲結(jié)果,更合理、準(zhǔn)確地反映了激光破巖機(jī)制。

表2 激光破巖理論模型研究成果

(a) 激光功率與輻照時(shí)間對(duì)破巖比能影響規(guī)律的三維曲面

(b) 激光功率與輻照時(shí)間對(duì)破巖比能影響規(guī)律的等高線

(c) 激光功率與光斑直徑對(duì)破巖比能影響規(guī)律的三維曲面

綜上所述,仿真技術(shù)能良好再現(xiàn)激光破巖整個(gè)過(guò)程,有助于分析輻照過(guò)程中巖石各物理變化規(guī)律,對(duì)系統(tǒng)全面地研究激光破巖機(jī)制有著重要指導(dǎo)價(jià)值。然而,由于現(xiàn)有技術(shù)限制,目前的仿真技術(shù)難以模擬試驗(yàn)中出現(xiàn)的玻璃釉現(xiàn)象,以及巖石吸收熱能后的相變過(guò)程,而這些現(xiàn)象又顯著影響著激光破巖效果。因此,在后續(xù)進(jìn)一步研究激光破巖仿真技術(shù)時(shí),應(yīng)將著重考察這些因素。

表3 激光破巖數(shù)值仿真研究成果

3 激光破巖影響因素研究

激光破巖技術(shù)的關(guān)鍵是控制激光與巖石的相互作用過(guò)程,以盡可能小的激光能量破壞最大的巖石體積。國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般采用SE(比能)和ROP(穿孔速率)作為衡量激光破巖效率的重要指標(biāo),借助試驗(yàn)(基于圖3所示試驗(yàn)平臺(tái))、理論和仿真等多種手段,研究了激光參數(shù)、巖石性質(zhì)、環(huán)境和介質(zhì)等[59-60]因素對(duì)激光破巖效率的影響規(guī)律,其研究成果系統(tǒng)總結(jié)如下。

3.1 激光參數(shù)

3.1.1 激光功率

1)激光功率小于巖石破壞閾值時(shí),大部分激光能量用于促使巖石內(nèi)部產(chǎn)生諸如熱膨脹、礦物質(zhì)融化和微裂紋等微觀變化,剩余能量?jī)H使巖石表面產(chǎn)生輕微燒蝕,此時(shí)巖石去除體積小,SE大。

2)當(dāng)激光注入的能量剛好使巖石達(dá)到其熔點(diǎn)時(shí),激光熱破碎結(jié)束,此時(shí)比能最小,破巖效率最高[9]。

3)激光功率大于巖石破壞閾值時(shí),以激光鉆孔為例,此時(shí)激光孔深度主要通過(guò)巖石蒸發(fā)而增加,鉆孔直徑則是隨著巖石的熔化而增加,故激光功率變化對(duì)孔深和孔徑尺寸都會(huì)有影響,具體表現(xiàn)在,隨著激光功率的增加,孔深先增加再趨于平穩(wěn),孔徑逐漸變大,SE先減小再增加,ROP先增加后降低[61-62]。這是由于隨著激光功率的增加,巖石破碎速度變快,破碎體積變大,但激光功率過(guò)大時(shí),巖石短時(shí)間內(nèi)熔化量陡增,難以及時(shí)被輔助氣體清除,使孔壁上迅速產(chǎn)生大量玻璃釉,該物質(zhì)會(huì)使后續(xù)輻照的激光發(fā)生反射和散射,增加激光能量損耗,阻礙激光能量進(jìn)一步向巖石內(nèi)部傳遞,從而導(dǎo)致孔深增加速率逐漸趨于平穩(wěn)。

(a) 巖石破碎形貌[40]

(b) 溫度場(chǎng)分布[40]

(c) 應(yīng)力場(chǎng)分布

(d) 裂紋擴(kuò)展特征[53]

3.1.2 輻照時(shí)間

隨著輻照時(shí)間增長(zhǎng),鉆孔深度先增加后趨于平穩(wěn),孔徑逐漸增長(zhǎng),SE先減小后增加,ROP呈下降趨勢(shì)[63-64]。具體表現(xiàn)如下: 1)在一定激光功率下,隨著輻照時(shí)間的增長(zhǎng),巖石不斷吸收能量,鉆孔深度和直徑持續(xù)增加,SE減小,ROP降低; 2)當(dāng)輻照時(shí)間超過(guò)某個(gè)閾值(巖石吸收的能量達(dá)到其熔點(diǎn)所需時(shí)間),此時(shí)巖石破壞從熱破碎變?yōu)闊崛刍?單位時(shí)間內(nèi)有效破巖量降低,再加上激光孔洞較深,孔內(nèi)巖屑與熔融物不能被有效清理,使孔壁內(nèi)玻璃釉物質(zhì)逐漸增加,大量的能量被該物質(zhì)反射與重復(fù)吸收,導(dǎo)致ROP下降,SE增加[65]。當(dāng)激光功率過(guò)高時(shí),穿孔深度幾乎不受激光輻照時(shí)間的影響。主要原因如下: 1)在高功率激光照射下,巖石在短時(shí)間內(nèi)所吸收能量超過(guò)其熔化和汽化所需值,而單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)移除的巖石有限,多余熔巖不能及時(shí)排出,迅速產(chǎn)生大量玻璃釉,阻礙激光能量傳遞; 2)激光輻照的部分能量被殘余熔融物不斷重復(fù)吸收,從而抑制了孔深的增加。

3.1.3 光斑形狀

光斑形狀相關(guān)研究報(bào)道相對(duì)較少,但其也顯著影響著破巖效果。Chen等[40]開(kāi)發(fā)了一種光學(xué)透鏡組合,并進(jìn)行了圓形激光和橢圓激光輻照砂巖的對(duì)比試驗(yàn),其研究表明,橢圓光束輻照所獲巖石表面的峰值溫度遠(yuǎn)低于圓形光束(兩者均遠(yuǎn)高于巖石顆粒熔點(diǎn)),但其具有更大等溫區(qū)域,表明橢圓光束輻照下巖石內(nèi)的能量傳遞更加迅速,使得該條件下玻璃釉物質(zhì)產(chǎn)生較少,巖石表面熔化和汽化面積變大,開(kāi)裂和熱剝落現(xiàn)象加劇。圓形與橢圓激光束照射對(duì)砂巖輻照效果比較如圖8所示。Deng等[50]建立了矩形和圓形激光光斑掃描破巖的物理模型,通過(guò)試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法分析了模型的合理性,其研究發(fā)現(xiàn),在其他條件相同下對(duì)花崗巖進(jìn)行矩形和圓形激光光斑掃描后,巖石的單軸抗壓強(qiáng)度分別降低24%和15%,抗拉強(qiáng)度分別降低20%和11%,可鉆性分別降低16%和10%,表明矩形光斑的破巖效果優(yōu)于圓形光斑; 這是由于掃描過(guò)程中,圓形光斑的激光能量相對(duì)集中,溫度較高,加熱速度較快,巖石熔化溫度較快,熔化過(guò)程中吸收了大量的熱量; 而矩形光斑的激光能量相對(duì)分散,巖石熔化量相對(duì)較少,巖石熔化吸收的能量較少,大部分熱量傳遞到巖石內(nèi)部,導(dǎo)致巖石溫度相對(duì)較高,熱影響更嚴(yán)重。

(b) 橢圓激光照射后的形貌

(c) 圓形和橢圓激光輻照砂巖后所獲數(shù)據(jù)對(duì)比

脈沖寬度和重復(fù)頻率是脈沖激光的重要參數(shù)。脈沖寬度是指激光功率維持在一定值所持續(xù)的時(shí)間,重復(fù)頻率是指1 s內(nèi)脈沖出現(xiàn)的次數(shù)。在其他參數(shù)相同的情況下,隨著脈沖寬度與重復(fù)頻率的增長(zhǎng),激光孔深度先增大后減小,直徑逐漸增大,SE先減小后增大,ROP先增大后降低,其中脈沖寬度的影響效果比重復(fù)頻率更顯著[66-67]。脈沖寬度的增加會(huì)提高單位時(shí)間內(nèi)注入巖石的能量,促進(jìn)巖石內(nèi)部裂紋的生產(chǎn),增大ROP,減小SE,提高破巖效率; 激光重復(fù)頻率的增加會(huì)增加熱應(yīng)力的循環(huán)頻率,增加斷裂強(qiáng)度,使破巖的有效能量增多,從而降低SE,提高破巖效率[68]。但過(guò)高的激光脈沖和重復(fù)頻率會(huì)使注入巖石的能量過(guò)多,將增大巖石熔化概率,從而使SE增大,降低破巖效率[69]。

3.2 巖石性質(zhì)

由于具有不同巖性的巖石試樣在激光照射下產(chǎn)生的破壞行為是不同的,進(jìn)而破巖效率也千差萬(wàn)別,因此應(yīng)針對(duì)巖石性質(zhì),合理選擇破巖工法和破巖參數(shù)。影響激光破巖效率的巖石性質(zhì)主要包括如下方面。

3.2.1 熱導(dǎo)率

作為巖石在地下工程研究中的主要物理特性之一,熱導(dǎo)率體現(xiàn)了巖石導(dǎo)熱能力的大小[70-71]。而熱導(dǎo)率數(shù)值與巖石石英的含量和孔隙率的大小有關(guān),石英含量越多,孔隙率越小,巖石熱傳導(dǎo)率越大。巖石熱導(dǎo)率越高,巖石傳播熱量的速度就越快,巖石內(nèi)部溫度分布也更加均勻,局部發(fā)生熱堆積可能性減少,從而降低因能量分布不均勻而導(dǎo)致的局部巖體熔化,使破碎巖石時(shí)比能下降,提高破巖效率[72]。在熱傳導(dǎo)較高的巖石中使用激光,可使巖石中積累的結(jié)晶水與巖石內(nèi)的礦物物質(zhì)一起蒸發(fā),使巖石膨脹,從而發(fā)生斷裂。而巖石的熱導(dǎo)率普遍較低,激光照射在巖石表面的能量很容易超過(guò)巖石本身的導(dǎo)熱能力,使巖石局部升溫過(guò)快,造成巖體內(nèi)礦物質(zhì)分解、巖石熔化、汽化以及間隙生成等二次效應(yīng),導(dǎo)致部分激光能量被損耗浪費(fèi),SE顯著增大[9]。

3.2.2 礦物質(zhì)成分

由于巖石是非均質(zhì)天然產(chǎn)物,不同類型的巖石,其體內(nèi)礦物質(zhì)成分不同,即便是同類巖石其礦物質(zhì)含量也會(huì)有所差異。巖石所含不同礦物質(zhì)成分在熔點(diǎn)上的差異,決定了激光破巖性能,具體表現(xiàn)如下: 1)以石英巖為例,其內(nèi)部富含石英成分。在相同激光束輻照下,隨著石英含量的增加,巖石熔化溫度會(huì)升高,巖石破壞程度降低,巖石熔化和蒸發(fā)消耗能量變多,激光破巖時(shí)SE增多。2)以砂巖和頁(yè)巖為例,大部分都含有帶水的黏土礦物。在激光輻照下,一方面,黏土礦物中的水分在高溫下受熱汽化,汽化產(chǎn)生的水蒸氣使巖石膨脹,產(chǎn)生裂紋,隨著能量的持續(xù)注入,裂紋不斷擴(kuò)展延伸,最終達(dá)到破碎巖石的效果;另一方面,在較低的溫度下,黏土?xí)l(fā)生坍塌和尺寸縮減,從而得到較深的激光孔徑[73-74]。3)以花崗巖為例,其在激光作用下的破碎行為與砂巖和頁(yè)巖相似[75]。不同的是,在相同激光參數(shù)下,花崗巖與頁(yè)巖會(huì)出現(xiàn)剝落現(xiàn)象,而砂巖一般只會(huì)出現(xiàn)熔化現(xiàn)象,這是由于砂巖主要由石英和長(zhǎng)石組成,含有多種礦物質(zhì),如硅、鈣、黏土、氧化鐵等,在激光照射過(guò)程中,高功率密度的激光束被吸收,導(dǎo)致砂巖熔化,凝固后產(chǎn)生玻璃釉層,容易造成熔化、汽化等二次效應(yīng),能量浪費(fèi)更多[10]。4)以石灰?guī)r為例,其內(nèi)部主要成分是CaCO3。當(dāng)石灰?guī)r與激光相互作用時(shí),其體內(nèi)CaCO3就會(huì)發(fā)生熱解離,產(chǎn)生CO2氣體,使巖石膨脹破裂,再加上石灰?guī)r導(dǎo)熱系數(shù)低,巖體內(nèi)溫度分布不均,一般以較小的碎片分解。

杭州市富陽(yáng)區(qū)國(guó)土資源行政復(fù)議訴訟情況分析與對(duì)策（王雙鋼） ...................................................................1-49

3.3 工作環(huán)境與方式

不同于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,工程鉆井等地下工程所處地層的地質(zhì)條件復(fù)雜多變(例如存在含油巖層、含水巖層、熱巖層等),不同的工作環(huán)境以及破巖過(guò)程中巖屑的清掃方式會(huì)對(duì)激光破巖機(jī)制和效率造成極大影響。歸納總結(jié)包括如下方面。

3.3.1 巖層所處飽和類型

巖石為多孔隙物質(zhì),因此在其賦存環(huán)境下填充有油、水和氣等流體介質(zhì)[76]。巖層所處的不同飽和類型對(duì)激光破巖效率產(chǎn)生了顯著影響。Kariminezhad等[62]利用CO2激光分別照射干燥和濕潤(rùn)的混凝土,發(fā)現(xiàn)水分使激光破巖主要去除機(jī)制從蒸發(fā)變?yōu)榱焉?激光照射在水飽和混凝土上時(shí),水吸收能量變成水蒸氣,使巖石膨脹破碎,水的存在使得ROP顯著增長(zhǎng),SE降低,從而促進(jìn)激光破巖效果。激光破碎干燥混凝土與水飽和度為15%混凝土所需比能如圖9所示。Ahmadi[63, 77]、Rad[78]和Dini[58]等利用CO2激光和Nd:YAG激光照射干燥、水飽和以及油飽和的花崗巖和石灰石等,發(fā)現(xiàn)在激光輻照時(shí),加熱液體比氣體所需能量更多,而由于水和油的汽化點(diǎn)和比熱容差異很大,水的汽化需要更多時(shí)間與能量,使激光破碎水飽和巖石所需比能最高,油飽和巖石次之,干燥巖石最低。激光破碎不同飽和液體巖石所需比能如圖10所示。對(duì)比圖9與圖10可知,學(xué)者們?cè)谘芯苛黧w對(duì)激光破巖影響時(shí)所獲結(jié)論有所差異,這主要是由于他們?cè)囼?yàn)條件不一樣,如激光器類型,激光參數(shù)、巖石種類等選擇不一樣。激光破巖是極其復(fù)雜的過(guò)程,考慮流體之后又將流體熱力學(xué)等融入其中,使這一過(guò)程變得更加復(fù)雜。不同的激光器配合不同的飽和流體巖石會(huì)得到不一樣的效果,業(yè)界關(guān)于流體對(duì)激光破巖效果的研究還比較淺顯,目前尚未得出統(tǒng)一的影響機(jī)制,還需進(jìn)一步深入研究。

圖9 激光破碎干燥混凝土與水飽和度為15%混凝土所需比能[62]

3.3.2 巖層圍壓

現(xiàn)有激光破巖研究大都是在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行的,但想要將其運(yùn)用于工程實(shí)際,就必須考慮地下巖石所處壓力條件的影響。當(dāng)巖石處于較大壓力條件下時(shí),其孔隙率、力學(xué)性能等會(huì)發(fā)生改變,這會(huì)影響激光破巖時(shí)的ROP和SE,從而影響激光破巖效果。Erfan等[79]研究了溫度、液壓和圍壓對(duì)激光鉆孔R(shí)OP和SE影響,指出隨著溫度、液壓和圍壓的升高,巖石ROP降低,SE升高,這是由于隨著圍壓的升高,巖石內(nèi)部顆粒會(huì)被壓緊,顆粒間的接觸變強(qiáng),熱應(yīng)力減小,巖石強(qiáng)度提高,從而需要更多的能量才能使其破碎。Gahan等[80]設(shè)計(jì)了一種精密三軸試驗(yàn)裝置,并對(duì)砂巖、石灰?guī)r進(jìn)行了不同圍壓、軸壓和孔隙壓力組合下的激光測(cè)試,研究發(fā)現(xiàn)比能隨著圍壓和軸向壓力的增大而減小,這是由于在圍壓和軸向壓力作用下,巖石內(nèi)部顆粒接觸更緊密,巖石熱導(dǎo)率變大,熱量擴(kuò)散變快,巖石內(nèi)部礦物質(zhì)等熔化變困難,從而降低巖石比能,提高破巖效率。不難發(fā)現(xiàn),由于激光參數(shù)和試驗(yàn)條件的不同,學(xué)者們得到的研究結(jié)果有所差異,但都證實(shí)了圍壓對(duì)激光破巖效率有顯著的影響。

(a) 花崗巖

(b) 砂巖

3.3.3 巖屑清掃

激光破巖過(guò)程中是否有輔助氣體吹掃巖屑,以及輔助氣體吹掃方式和流速等對(duì)破巖效果有顯著影響。激光照射巖石時(shí),巖石表面吸收能量產(chǎn)生熱裂紋、熔化以及汽化等現(xiàn)象,形成激光孔洞。如果孔內(nèi)巖屑和熔融物沒(méi)有及時(shí)被輔助氣體吹掃清除,沉積在孔底,就會(huì)阻礙激光能量進(jìn)一步傳遞,同時(shí)會(huì)對(duì)激光能量造成二次吸收,使激光能量損耗變大,有效破巖能量減少,破巖效率降低。Wang等[81]系統(tǒng)地分析了同軸輔助氣體和縱向磁場(chǎng)輔助對(duì)毫秒激光打孔過(guò)程、打孔效率和打孔質(zhì)量的影響,研究發(fā)現(xiàn)在激光鉆盲孔和通孔過(guò)程中,同軸輔助氣體和縱向磁場(chǎng)都有效地提高了鉆孔效率,但同軸輔助氣體對(duì)鉆孔效率的提升效果更顯著; 當(dāng)采用同軸氬氣氣流配合縱向磁場(chǎng)輔助鉆孔時(shí),主要靠輔助氣體吹掃清除巖屑和熔融物,縱向磁場(chǎng)進(jìn)一步對(duì)等離子體進(jìn)行垂直擠壓和水平拉伸,有效提高了激光打孔效率和質(zhì)量。

4 激光輔助隧道挖掘研究

通過(guò)前述有關(guān)激光破巖方面的文獻(xiàn)調(diào)研可知,激光破巖有速度快、效率高和安全性高等優(yōu)勢(shì),在地下工程領(lǐng)域極具潛力。然而,考慮到TBM掘進(jìn)領(lǐng)域工況載荷與地質(zhì)條件的特殊性,加之對(duì)激光破巖研究手段的欠缺,對(duì)破巖機(jī)制認(rèn)識(shí)的不足,將激光破巖技術(shù)耦合應(yīng)用到隧道挖掘,仍存在諸多有待解決的研究難題。目前,已有學(xué)者針對(duì)激光輔助TBM滾刀破巖進(jìn)行了前瞻性研究,現(xiàn)歸納總結(jié)如下。

4.1 試驗(yàn)研究

最早關(guān)于激光輔助TBM掘進(jìn)的研究可追溯到1970年,當(dāng)時(shí)聯(lián)合飛機(jī)公司啟動(dòng)了一個(gè)名為“熱輔助隧道掘進(jìn)”的項(xiàng)目,以期提高TBM在硬巖地層的掘進(jìn)效率。該團(tuán)隊(duì)對(duì)激光輻照后的巖石進(jìn)行線切割試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明激光熱輔助TBM掘進(jìn)在理論技術(shù)上是可行的。Foro Energy申請(qǐng)了一項(xiàng)高功率激光輔助隧道掘進(jìn)設(shè)備的專利,主要介紹如何將激光系統(tǒng)耦合進(jìn)掘進(jìn)設(shè)備以及其使用方法[82]。為了驗(yàn)證高能激光技術(shù)輔助TBM破巖的可行性,張魁等[83]以孔孔距(相鄰激光孔之間的距離)和刀孔距(滾刀與激光孔排之間的間距)為變量,開(kāi)展了一系列激光輔助滾刀壓頭侵巖試驗(yàn)。激光輔助滾刀壓頭作用下巖石試樣表面宏觀破碎過(guò)程如圖11所示。激光輔助滾刀壓頭侵巖所獲巖石表面形貌如圖12所示。結(jié)合圖11與圖12可知: 1)在滾刀作用下,巖石發(fā)生擠壓破碎,形成巖粉,巖粉受周圍未破碎巖樣約束擠壓成密實(shí)核,當(dāng)密實(shí)核衍生發(fā)育成熟后,因產(chǎn)生裂紋而發(fā)生潰散,繼而發(fā)生巖爆,巖粉從刀刃側(cè)噴射而出,花崗巖表面出現(xiàn)明顯破碎現(xiàn)象; 2)尤其是在預(yù)制有激光孔洞一側(cè),巖石損傷區(qū)域明顯擴(kuò)張,并且激光孔洞幾乎都發(fā)生嚴(yán)重坍塌破壞,這表明預(yù)制激光孔洞能有效促進(jìn)花崗巖試樣的破碎。巖石破碎比耗能隨刀孔距變化如圖13所示?？梢钥闯?除孔孔距為5 mm、刀孔距為3 mm這組試驗(yàn)外,其余試驗(yàn)組所獲巖石破碎比能耗都在300 J/g上下波動(dòng),明顯低于對(duì)照組的866 J/g(未預(yù)制激光孔)。顯然,激光輔助滾刀破巖能有效降低破巖比能耗,從而提高破巖效率。

(a) 第873幀

(b) 第903幀

(c) 第936幀

(d) 第966幀

圖12 激光輔助滾刀壓頭侵巖所獲巖石表面形貌[83]

圖13 巖石破碎比耗能隨刀孔距變化圖[83]

4.2 仿真研究

考慮到目前缺乏能系統(tǒng)全面地研究激光輔助TBM破巖的試驗(yàn)平臺(tái),并且現(xiàn)有TBM試驗(yàn)平臺(tái)切割載荷和尺寸較大,試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力,成本高昂,一些學(xué)者嘗試?yán)脭?shù)值仿真技術(shù)模擬激光輔助滾刀破巖這一過(guò)程,進(jìn)行前瞻性研究。Rui等[35]通過(guò)四維晶格彈簧模型(4D-LSM)建立了激光破巖數(shù)值模型,使用耦合非連續(xù)變形分析(DDA)實(shí)現(xiàn)了模擬激光輔助TBM滾刀切削巖石這一過(guò)程,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)思了激光輔助TBM掘進(jìn)概念圖(其仿真計(jì)算模型見(jiàn)圖14,掘進(jìn)概念見(jiàn)圖15)。與普通的隧道掘進(jìn)機(jī)相比,此裝置最大的區(qū)別是在機(jī)槍內(nèi)增加了激光發(fā)射器,用于產(chǎn)生與切割軌跡垂直的激光損傷,由切割軌跡與激光損傷組成的計(jì)算區(qū)域被劃分為尺寸為50 mm×100 mm的矩形區(qū)域(見(jiàn)圖15(b)),刀具從矩形區(qū)域的左側(cè)沿中線切割,激光引起的損傷位于矩形區(qū)域的右側(cè),其切割距離為0～50 mm,切割角度為90°,可用于預(yù)測(cè)TBM圓形工作面計(jì)算區(qū)域內(nèi)激光功率、輻照時(shí)間和光束半徑與破巖效率和刀具磨損之間的關(guān)系。其研究結(jié)果表明,所建仿真模型能較好模擬激光輔助滾刀破巖全過(guò)程,激光損傷的引入可以明顯降低巖石各項(xiàng)力學(xué)性能,提高TBM隧道掘進(jìn)的可靠性和工作效率。

Zhang等[84]提出了一種“2步式”激光輔助滾刀破巖仿真建模構(gòu)想(流程圖見(jiàn)圖16),該構(gòu)想將激光輔助滾刀破巖分為2個(gè)主要步驟: 1)進(jìn)行激光破巖仿真,獲得巖石破損形貌; 2)在第1步所獲巖石破碎結(jié)果的基礎(chǔ)上,搭建給定刀孔距的滾刀破巖模型,從而完成激光輔助滾刀破巖過(guò)程。不同刀孔距下仿真模擬結(jié)果如圖17所示。可以看出: 1)在滾刀破巖過(guò)程中,巖石在滾刀的作用下不斷破碎,并且其破碎區(qū)延伸至激光孔,致使激光孔遭到破壞,從而提升破巖量; 2)刀孔距為4 mm時(shí)效果最好(見(jiàn)圖17(b)),明顯可見(jiàn)位于預(yù)制有激光孔的A側(cè)巖石損傷大于位于B側(cè)的巖石損傷。該方法間接地模擬了激光輔助滾刀破巖全過(guò)程,有效地呈現(xiàn)了塊狀巖石單元從母巖模型中剝離的現(xiàn)象,顯示了有限元法在模擬巖石破裂瞬態(tài)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)。

4.3 激光輔助滾刀破巖機(jī)制分析

基于對(duì)滾刀/激光破巖機(jī)制的深刻認(rèn)識(shí),歸納出如圖18所示激光輔助滾刀破巖機(jī)制。相較于傳統(tǒng)滾刀破巖方式,當(dāng)TBM處于該破巖模式下時(shí),刀盤(pán)會(huì)借助激光發(fā)射器預(yù)先照射并切割位于相鄰滾刀之間的巖體,預(yù)期會(huì)產(chǎn)生如下效果: 1)利用激光在巖體上形成裂隙孔洞,從而破壞巖石完整性,削弱巖石強(qiáng)度; 2)使?jié)L刀與激光之間出現(xiàn)一個(gè)耦合破碎區(qū),從而促進(jìn)熱裂紋與側(cè)向裂紋的交匯,提高滾刀破巖效率。綜上所述,當(dāng)TBM處于激光輔助滾刀破巖模式下時(shí),通過(guò)發(fā)揮熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力的耦合效應(yīng),有望顯著降低破巖比能耗,提高TBM破巖效率,同時(shí)降低刀巖相互作用的劇烈程度。

(a) 仿真示意圖

(b) 仿真模型

(a) 3D視圖

(b) TBM盤(pán)形工作面

圖16 2步式激光輔助滾刀破巖建模流程圖[84]

(a) 3.5 mm

Fig. 17 Simulated results under different cutter-hole spacing[84]

圖18 激光耦合滾刀破巖示意圖

5 結(jié)論與展望

激光輔助破巖是一種新型高效的破巖技術(shù),有望徹底改變機(jī)械破巖工具易磨損問(wèn)題,在油氣鉆井和隧道挖掘等地下工程中具有廣闊前景。本文結(jié)合近年來(lái)激光破巖技術(shù)研究成果,首先概括了激光破巖技術(shù)的主要研究方法; 其次,系統(tǒng)地總結(jié)歸納了影響激光破巖效果的主要因素; 最后基于前述研究成果,討論了激光輔助破巖在隧道掘進(jìn)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

5.1 結(jié)論

1)激光破巖是一個(gè)多學(xué)科、多物理場(chǎng)耦合的難題,匯集了光學(xué)、傳熱、巖土工程、損傷力學(xué)和其他相關(guān)學(xué)科,打破了傳統(tǒng)破巖理念,可以極大地提高破巖效率。

2)目前,激光破巖技術(shù)的研究手段主要為試驗(yàn)、理論和仿真方法。其中,試驗(yàn)方法可以直觀地反映激光與巖石相互作用過(guò)程,為仿真和理論提供有效的物性參數(shù); 理論與仿真方法則可以節(jié)省時(shí)間,減少材料消耗,獲得試驗(yàn)難以或不可能測(cè)量的詳細(xì)特征信息; 三者結(jié)合才能更好地揭示激光破巖機(jī)制,確定激光破巖過(guò)程中溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)、流體動(dòng)力場(chǎng)和破巖能耗之間的關(guān)系。

3)玻璃釉物質(zhì)是影響激光破巖效果的顯著因素,尤其是在高功率下,巖石輻照表面會(huì)產(chǎn)生大量玻璃釉,該物質(zhì)不僅會(huì)抑制激光能量進(jìn)一步向深部巖石傳遞,而且會(huì)阻礙破巖器具機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋與激光輻照熱裂紋耦合,從而影響破巖效果,而目前有關(guān)玻璃釉形成過(guò)程的報(bào)道較少。后續(xù)應(yīng)深入研究玻璃釉主要由巖石內(nèi)部哪種物質(zhì)產(chǎn)生,以及玻璃釉的基本組成成分,從而在不削弱巖石損傷效果的前提下,有效減少該物質(zhì)的生成。

4)現(xiàn)階段有關(guān)激光輔助TBM滾刀破巖的研究主要是先利用激光輻照巖石,然后對(duì)輻照后的巖石進(jìn)行滾刀切割試驗(yàn),從而間接研究激光輔助滾刀破巖過(guò)程。這種方法在一定程度上可以揭示激光輔助滾刀破巖機(jī)制,但其與實(shí)際工況存在差異。在實(shí)際工程中,激光照射與滾刀破巖應(yīng)是同步進(jìn)行的。

5.2 展望

1)針對(duì)不同巖性,確定專用激光。由于不同的巖石其內(nèi)部成分與自身性能差異較大,在激光的作用下表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律,因此,應(yīng)確定巖石性能與激光器類型、激光輻照參數(shù)和輔助氣體吹掃方式等因素之間的關(guān)系,定量分析破碎不同巖石所需激光能量,合理設(shè)計(jì)最優(yōu)的激光破巖參數(shù)組合。

2)激光輔助破巖過(guò)程中的溫度效應(yīng)研究。激光輔助破巖過(guò)程中溫度可高達(dá)幾千℃,雖然可通過(guò)高壓輔助氣體進(jìn)行降溫和清掃破碎巖屑,但仍需系統(tǒng)、全面地研究高溫巖屑對(duì)刀具、刀盤(pán)和TBM整體工作環(huán)境的影響機(jī)制,以防高溫對(duì)滾刀等關(guān)鍵器具的性能產(chǎn)生不利影響。

3)軟硬件研究手段進(jìn)一步完善。在接下來(lái)的研究中應(yīng)在保證激光傳輸安全、有效的前提下,開(kāi)發(fā)一種能用于長(zhǎng)距離傳輸,以及滿足地下作業(yè)空間狹窄、惡劣工作環(huán)境的激光裝置,并能將其合理地耦合到TBM工作界面,從而實(shí)現(xiàn)激光輔助滾刀破巖完整過(guò)程研究。此外,還需開(kāi)發(fā)一種專用的仿真軟件,可以完整地模擬激光輔助滾刀破巖真實(shí)過(guò)程,而不是將其分為2個(gè)部分進(jìn)行研究。

后續(xù)工作應(yīng)綜合考慮激光地下工作環(huán)境,合理將激光系統(tǒng)耦合入機(jī)械破巖系統(tǒng),解決激光輔助破巖過(guò)程中降溫、排屑和安全等問(wèn)題,突破激光破巖技術(shù)核心難題,形成完善的激光破巖地下作業(yè)系統(tǒng)。