收稿日期:2005-05-27基金项目:国家自然科学基金重大项目(50490272,50490274),国家自然科学基金项目(10472134)作者简介:周子龙(1979)),博士,主要从事岩土工程灾害与控制研究。

文章编号:1003-5923(2005)03-0063-03深部岩石破碎方法周子龙,李夕兵,刘希灵(中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙410083)摘 要:深部开采给岩石破碎理论与方法赋予了新的使命和内涵,探索适合深部特殊环境的岩石破碎技术对于安全、高效回收深部资源有着重要意义。

综观目前国内外各类破岩方法的基础上,针对深部岩石的特点,指出了水介质破岩在深部开采中的优势,并分析了几种水介质破岩技术的现状和应用前景。

关键词:深部;岩石破碎;水介质中图分类号:T D825 文献标识码:B1 引言据不完全统计,目前国内外开采深度超过1000m 的矿山就金属矿山而言已有100多座,并以每年8~12m 的速度向下延伸。

随着矿山进入深部开采状态,/三高一扰动0的灾害环境大大增添了开采的难度与复杂性。

如何低成本、高效、安全地回采深部资源成了深部开采的关键,也是当前国内外研究的焦点[1-4]。

矿产开采首当其冲的问题就是岩石破碎,传统破岩方式是否仍适应深部特殊环境下岩石的开采,新的破岩方法是否更适应于深部开采?一系列新问题都有待研究。

2 岩石破碎方法现状社会的进步,科技的发展,推动着破岩技术不断发展。

破岩技术经历了一个简单、低效到复杂、高效、安全的发展过程。

从传统的机械冲击、常规爆破法发展到现在的水射流法、电子束法、激光法、超声波法、微波法、等离子体法、红外线法、射弹法以及静态破碎法在内的20余种方法[5,6]。

20世纪60年代末开始,美国国家科学基金会发起了探寻高效破岩新方法的庞大研究计划,曾对电子束、激光、水射流等25种破岩方法进行对比研究。

在中等强度的岩石上进行切割实验,得出高压水射流、激光、电子束、等离子体4种典型破岩方法所消耗的能量范围分别为:250~500、1000~2000、3000~6000、50000~100000J/cm 2,意味着高压水射流法和激光法破岩最易于实现且效率最高。

当然,任何方法都有它的利弊,随着科技的进步都有可能得到工业性的应用。

传统爆破法曾与机械冲击钻孔相结合在国内外矿山得到广泛应用,但由于其不可控与环境负面影响大而越来越受到人们的批评;水射流破岩方法得到飞速发展,目前已得到普遍工业应用,其与机械刀具辅助使用也取得了良好的应用效果;激光钻井法在20世纪70年代刚提出时并不被认为是可用技术,但经过美国天然气研究所不懈的努力,终于在砂页岩中实现了137.2m/h 的钻进速度,显示了其潜在的优势;微波破岩因为微波技术的发展也被开发应用到岩石破碎中来,美国矿山局研究发现微波辅助机械凿岩可使岩石侵入率较纯机械凿岩提高约3倍;射弹破岩以其损伤简便在二次破碎方面得到了应用;无声破碎剂和等离子法更以其破碎扰动小、无噪声、无飞石等特点在一些精确破碎领域得到很好应用[6]。

3 深部岩石特性随着国内外矿山开采与油气开发的深部化,深部岩石的力学特性与工程响应正得到广大研究者的认识与研究[3,4]。

其中有如下特性:3.1 高应力、高温、高渗透水压埋藏环境根据南非典型深井开采矿山的监测结果,在地下4000m 左右,地应力水平可达100MPa 以上,水压可达20~30M Pa,地温则局部可达80e 甚至更高。

岩石性质将随应力、温度等因素的改变而改变,在深部条件下,传统岩石力学及施工技术在深部环境下部分或完全失效,在深部问题的研究上从#63#矿山压力与顶板管理 2005.l 3实验到理论都刚起步。

3.2 力学特性的复杂性高应力下岩石力学特性问题,可借鉴岩石不同围压下力学特性研究的成果。

Parter son 、Singh 、陈黄庭芳等,发现低围压下表现出脆性的岩石在高围压下会表现出延性破坏。

M alan 、Basson 、Kw on等研究发现岩石在高应力下表现出明显的流变与蠕变特性。

这些对深井巷道大变形提供了很好的解释,然而,金属矿山深部开采中的岩爆等岩石脆断行为又使我们对已有的研究结果持怀疑态度(图1),抑或深部岩石有实验室条件无法想到或实现的因素?目前仍无统一定论。

图1 深部岩石脆延转变的复杂性(a)深部岩石的蠕变大变形; (b)深部岩石的脆性岩爆3.3 扰动响应的突发性深部岩石受扰动下并不像浅部岩石一样按一定的规律渐进演化,而往往是一个突发的、无前兆的突变过程,同时伴随着强烈的能量释放。

就深部常见的岩爆而言,开采扰动下可使岩体突然失稳,引发局部岩爆,并在数小时内大范围漫延;同时岩块弹射速度也会随工程扰动的剧烈程度成正比加强,有时可达10m/s,实验室中各类模拟实验也证实了这一点[7]。

4 深部破岩方法)水介质主导破岩4.1 水介质破岩的优势鉴于深部岩石特点,综合分析岩石破碎的各类方法,不难发现水介质破岩方法在深井环境中有着独特的优势:固有的高压水头)在千米深井工作面,自然水头压力可达数十兆帕,充分利用这种水力能量,再借助适当的增压设备,则可实现足以破岩的水压,这方面已有不少油气行业研究者进行了相关研究,并取得了突破性的进展。

天然的降温剂)通过工作面水介质的循环,可带走高温原岩所释放出来的大量热量,对降低工作面温度有着积极的作用。

柔性撞击、减小扰动)用水介质破岩如水射流方法破岩,岩石在液滴的冲蚀作用下产生裂纹,出现颗粒剥离。

同时水体的楔入胀裂更进一步促进了微裂纹的萌生、扩展,加速了破岩效率。

4.2 超高压射流与磨料射流[8,9]水介质破岩的众多优势掀起了国内外各类射流研究的热潮,并不断提高射流破岩效率,提高射流压力和磨料射流是两个发展前景较好的方面。

20世纪70年代,国外便开始超高压钻井破岩的研究,主要经历了地面全增压、地面部分增压和井下泵增压三个发展阶段。

上世纪70年代初,美国M aurer 等人率先开展了超高压射流试验,曾利用地面增压器把泥浆压力提高到70~110MPa,地面水功率高达11000kW;而后美国瑞德公司进行了系列研究,于70年代末在井深3000m 实现了138M Pa 的工作泵压;1985年Flow Industries 公司投资1700万美元进行超高压专项研究,将泵压提高到245M Pa 。

超高压技术大大提高了破岩效率,然而它对系统设备的承压能力的要求也相应提高,如何低成本地获得耐高压系统材料是关键。

磨料射流技术是在克服纯水射流切割仅适用于软质材料及超高压成本问题而发展起来的另一个分支,在世界上第一台纯水射流切割机(1971年)问世后的1982年,美国首先设计制造了磨料水射流切割机(AWJC),可用于玻璃、岩石等几乎所有的材料,随后英国及意大利等国也相继制造了磨料水射流切割机,并逐渐应用于岩石破碎中。

磨料水射流利用硬质磨料与柔性水滴结合,刚柔相济,侵蚀、冲击被切割件,达到切凿、破碎的效果。

4.3 水射流辅助机械破岩[9]水射流技术的兴起,使水射流与机械破岩方法#64# 2005.l 3 矿山压力与顶板管理的结合成为可能,美国能源部与Alpine 装备公司达成的水射流辅助机割技术的合作协议是这一技术研究的开端。

在不断研制和改进各类PDC 钻头的同时,充分利用水射流技术的发展成果,使破岩方法在继承中得到发展,实验与工程应用都表明这种结合是有效的,并表明水射流辅助机械破岩,刀具寿命可提高2~3倍,可减少粉尘量80%以上,同时对于减少火花和降低刀头温度十分有利。

4.4 激光辅助水射流破岩[10]激光是60年代迅速发展起来的一项新兴技术,在工业、国防等领域日益得到应用。

1997年初,B.Richer zhag ch 博士领导的小组开展了一项激光与水射流同时切割的实验研究,同时瑞士Prejet Rreoiso n 技术公司得到了这一新的加工技术,从此激光辅助水射流切割工艺得到不断改进和完善,并被引进到硬岩破碎中来。

破岩过程中,激光脉冲可在数m s 时间里使几L m 厚的岩层汽化,产生的膨胀气体掺和水射流液滴冲击岩面,产生瞬时高压,通过控制激光脉冲的交变频率,则可实现每秒达上千次的拉压交变载荷,使岩石强度大幅下降,大大增强水射流破岩效率。

5 结语岩石破碎作为资源开采的重要部分,直接影响着开采效率与采矿方法选择等一系列问题。

深部灾害环境又对岩石破碎方法提出了新的要求,在目前大力开展深部岩体力学基础研究的同时进行岩石破碎方法研究,寻找适合深部特殊环境的破岩方法,不仅对认识深部岩石力学特性有积极作用,且对高效、安全回收深部资源有着重要意义。

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长江科学院于2004年11月~2005年2月间承担了该工程的地应力和岩体抗劈裂测试。

重新设计的水压劈裂测试设备已在此工程中运用,取得了较好的效益。

典型水压致裂和劈裂测试曲线见图2。

4 结论(1)该水压劈裂法设备硬件、测试数据记录与传感元件的性能与精度达到国内外地应力测试技术规范的要求;(2)该系统在国外水电工程的地应力测试实践中得到了检验,并能满足水压劈裂等测试要求,且得到国际同行专家的认可。

(3)水压劈裂测试的压力与流量数据的数字式采集系统,达到实时跟踪和监控测试过程的目标,形成易于处理的数据文件与测试曲线。