非常规碎岩技术的研究进展

赵秉成，陈 晨，房治强，高文爽

(1.吉林省区域地质矿产调查所，吉林 长春130022；2.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026)

目前，应用于矿山工程、石油钻井、海洋资源开发、建筑、交通、港口、地质钻探等领域的岩石破碎工作，一般由机械破碎(力学)过程、水力学过程、热力学过程、质量交换和物理化学等过程有机组成。碎岩方法多采用机械式的破碎方式，受碎岩方式本身及相应的碎岩材料、设备的限制，进一步提高现有的岩石破碎效率，降低成本已很困难。

在近30年中，许多国家(包括中国)都在积极地研究新式的碎岩技术，如：热熔岩技术、热机碎岩技术、脉冲放电碎岩技术、激光碎岩技术等。这些新式碎岩技术的共同点，都在于加强碎岩过程中的热力学过程。考虑碎岩过程中的热力学过程，是提高碎岩效率的一条途径，同样也与碎岩用途相关，如冻土层及海底勘探采取天然气水合物样品，就必须考虑温度规程。本文就热熔岩技术、热机碎岩技术、脉冲放电碎岩技术的最新研究成果做一总结。

1 热熔岩技术[1]

自20世纪60年代开始，美﹑俄﹑日﹑等国家纷纷投入到对热熔法的研究中。热熔法研究发展较慢的关键原因是：各国均在寻找能够耐高温而不会熔化，且不与熔化岩石(土)发生化学反应的热熔器壳体材料。俄罗斯专家找到(已申报专利)一种非金属材料，该合成材料能够抗2800℃高温，且在空气中不会氧化。在热熔理论研究方面，涉及到了热熔器﹑热熔体与岩土间的热传递问题，分析了热熔过程中岩石(土)的变化规律，研究了热熔体冷却后的性质。根据相应的研究成果，研制了不同用途的热熔器，在矿山巷道的围护及工程处理中作了一些试验，取得了宝贵的经验。

国内在热熔法研究方面已经起步。笔者在国内作为负责人的课题组最早开始从事这方面研究，分别获得了吉林省科技厅和中国地质大学科学深钻国家实验室的资助。完成的两个项目，在热熔装置的结构、施工工艺、碎岩机理等方面的研究，都有新的突破和发展，被鉴定委员会评为“国际先进水平”。

2 热机碎岩技术[2]

摩擦热能辅助机械碎岩(简称热机碎岩)是一种碎岩新工艺，是传统的热力碎岩和机械碎岩的有机结合。它摈弃了传统的机械碎岩过程中切削具与岩石摩擦所产生的热量有害的观点，将摩擦热能用于弱化岩石，而后用硬质合金切削具(或金刚石孕镶块)进行机械切削碎岩，大幅度提高了碎岩效率，意义重大，见图1。

图1 热机碎岩原理示意图

纯机械碎岩过程中，钻头功率的非生产性的消耗达90%以上，这部分能量主要转化成了摩擦热能，然后由冲洗液带走。热机碎岩钻具把这部分热能引入孔底加热岩石，降低了岩石破碎所需的能量，提高了机械钻速。在Ⅶ～Ⅸ岩石中，热机钻进的机械钻速超过常规钻进2～3倍。因此，热机碎岩钻具不仅可以大幅度提高钻进效率，而且提高了总的能量利用率，该理论和工艺的成熟应用，社会及经济效益明显。

国内外很多专家学者，从事过热能改变岩石状态的理论问题以及钻进工艺与技术问题的研究。对于利用摩擦热能辅助机械碎岩钻具研究最多的。是俄罗斯全俄勘探技术研究所的Г.С.勃拉托夫教授，从1985年就开始研究该课题。吉林大学于上个世纪90年代中期，从俄罗斯引入了这项技术，并分别在吉林省科技厅和地质矿产部立项研究。

通过文献及试验确定了以花岗岩类为主的岩石的最佳热破碎温度，如表1 所示。同时，也测定了热机碎岩钻头在孔底产生的温度(600℃)，证实了热机钻头产生的温度能达到岩石的最佳热破碎温度，因此说明该种工艺是可行的，钻具设计是合理的。

3 脉冲放电碎岩技术

液中放电时，放电通道周围的液体瞬时气化并形成气泡，高速剧烈膨胀而爆炸，产生强烈的冲击波，其压强可达到100kPa以上，有的高达10GPa。冲击波的前沿速度达10～50km/s，同时施加给不可压缩的液体以及其中的物质，可用于破碎岩石。自从1955年Yutkin将液电效应用于工业加工以来，工程技术人员做了大量的研究工作，它现在已被用于特种加工、岩石破碎等领域[3]。利用脉冲放电技术对不同岩石钻进得到的钻速，不取决于岩石的软硬程度，这和采用反射波造成岩石形成拉应力破坏有直接的关系。

表1 几种岩石的最佳热破碎温度范围

图2为脉冲放电破碎单位体积岩石能量消耗与其他碎岩方法的比较。可以看出，脉冲放电法消耗的能量最少，随着两个电极之间距离的加大，消耗的能量减少，但碎岩效率也随之降低。

图2 脉冲放电单位体积能量消耗与其他碎岩方法的比较

4 结 语

(1)对岩石破碎岩中的热力学过程研究，既是

碎岩技术的研究发展的需要，也是涉及矿产后续开采的要求；

(2)热熔岩法、热机碎岩法和脉冲放电碎岩法由于其自身的特点，可以在工程实践中扬长避短，如热熔岩法针对松散层，热机碎岩法针对“打滑”地层，脉冲放电碎岩法针对硬岩等；

(3)利用拉应力对岩石的破坏是一个崭新的课题，应给予重视。

[1] 陈 晨. 热熔法钻进理论及工艺研究[D].长春：吉林大学博士学位论文，2001.

[2] 吴景华. 摩擦热-机械能联合碎岩理论与工艺的研究与实践[D].长春：吉林大学博士学位论文，2005.

[3] Важов В.Ф.,Журков М.Ю. Оптимизация энергии в разряде при резании горных пород электроимпульсным способом.Современные техника и технологии：Труды Ⅺ Междунар.научно-прак.конф.студентов,аспирантов и молодых ученых. Томск,2003.С.92-93.