岩石热破碎是近年来各国在非机械破碎岩石研究中的一个重要方面。
早在几千年以前,我国古代就掌握了用火烧水浇的破碎岩石技术。明代陆容所著的《菽园杂记》以及后来的《明史·河渠》中,均有报道,当时用来开采坚硬的铜矿石和开凿运河的坚硬岩层。
在17世纪前,即使在发明了用火药爆破岩石之后,对于坚固岩石由于手工凿岩的效率很低,直到19世纪上半叶以前,热破碎还是被当作对付坚固岩石的有效措施。只是在机械凿岩兴起后,才被淘汰。
近代的岩石热破碎,主要是利用了现代的加热手段,代替古代用木柴来烧的办法,因而能够迅速地造成岩石剧烈的冷热不均,从而达到高速破碎的效果。有时,还利用集中的高热,使岩石弱化、熔化或气化(如热熔钻、热能-机械能辅助碎岩等)。现代的加热源有火箭喷气机、等离子焰、高频电流、微波照射、红外线照射、激光照射,以及高热化学反应等,凡是能够产生热的各种办法,无不用来作为破碎岩石的尝试。但是直到今天,真正能用于工业生产的却为数不多,究其原因是加热装置比较复杂,不适用于野外工作条件,工作时噪音比较大,有的难于采取岩矿心,有的成本高,等等。
图1-6-9 线膨胀系数与温度变化曲线
一、高温下岩石的物理力学性质
岩石的热破碎,不仅和岩石的力学性质有关,还和它的热学性质有关,如导热系数、比热、热膨胀系数以及晶体的相变等。因此,必须研究岩石的物理力学性质,以便有效地发挥热破碎作用。
1.线膨胀系数
由于岩石是一种不均质各向异性体,线膨胀系数不是常数,而是随温度而变化的量。日本学者厨川测得4种岩石线膨胀系数和温度变化数据,绘成的a-T曲线如图1-6-9所示。石灰岩的变化平缓;砂岩、安山岩和花岗岩的线膨胀系数变化较大,且有极大值,极大值与室温下的a值可相差24~120倍。可见,在热应力计算中,把a当作常数来选取是不符合实际的。
2.温度对弹性模数的影响
温度对各类岩石弹性模数的影响不尽相同。SiO2类岩石,弹性模数随温度增加而逐渐减小,例如温度由20℃升到600℃,弹性模数减小20%~30%;对于无水碳酸类岩石,在温度小于800℃的条件下,弹性模数基本上是常数。
表1-6-1引入几种岩石弹性模数随温度升高而变化的数值。分析表中数据看出:岩石的弹性模数随温度升高而逐渐减小,但减小的规律是不相同的。
表1-6-1 在各种温度条件下的岩石弹性模数E
3.温度对岩石强度的影响
试验表明,大多数岩石的强度经过加热后下降,加热温度越高,下降的幅度越大;冷却的速度越快,强度下降的亦越多。有一些岩石如砂岩、辉长岩、无烟煤等温度升高,强度反而上升,见图1-6-10所示。
4.导热系数λ的影响
热破碎的难易与岩石的导热性能密切相关。导热性能好的岩石,不容易产生梯度大的热应力,即很难产生片落形式的破坏。
表1-6-2列出了几种岩石在常温下测得的导热系数值。由表可看出:不同岩石的导热系数相差是很大的。
导热系数的大小还与温度、岩石构造(层理)、矿物成分、孔隙度、含水率等因素有关。导热系数与温度的关系见图1-6-11所示。图中从20℃加热到200℃这段区间内,导热系数随温度升高而减小的最快;过了200 ℃以后,导热系数减小的缓慢,其中有的岩石,如花岗岩的导热系数几乎不受温度升高的影响;冷却时,导热系数随温度的下降近似直线的增长。
5.温度对比热的影响
比热是计算岩石吸热量的重要指标。当温度变化时,比热也发生变化。图1-6-12为比热随温度而变化的试验曲线,该曲线是对4种岩石从50℃加热到600℃条件下得到的。从4条曲线变化规律看出,斑岩比热对温度升高敏感,石英岩和石灰岩次之,而花岗岩几乎不受温度升高的影响,它的比热可看作常数。
图1-6-10 温度对岩石强度的影响
表1-6-2 常温下测得的岩石导热系数
图1-6-11 加热温度对导热系数的影响
图1-6-12 比热与温度关系
6.石英的相变
石英是组成岩石的重要矿物,占地壳总重量的11%。因此,在破碎岩石中经常遇到含有石英的岩石。石英有α,β等多种晶相结构。β-石英属于三方晶系,稳定温度为573℃;α-石英属于六方晶系,稳定温度为573~870 ℃。
石英受热作用到一定温度时发生相变。如β-石英加热到573 ℃,热能很快(约2~8s)引起硅(Si)和氧(O2)的重新排列而成α-石英,同时引起体积膨胀(石英冷却降温时发生体积收缩)。表1-6-3列出了石英相变多个阶段的温度和体积膨胀的百分数。
表1-6-3 石英相变转化温度与体积变化
石英相变引起体积变化特性,易引起热涨应力。因此,凡是含有石英的岩石容易在573 ℃左右的温度作用下,产生剥离破碎。
7.温度对岩石电阻率的影响
在利用电热方法破岩中,岩石电阻率是个重要物理参数。
影响岩石电阻率的因素甚多,如:矿物成分(含金属成分愈多电阻率愈小)、湿度、孔隙度、层理、温度等。
温度对岩石电阻率有两方面的影响:一方面是因温度升高使岩石内分子热运动加剧,碰撞次数增多,阻力增加,导致电阻率增大;另一方面,温度的升高使岩石内带电质数目增加,提高岩石导电性能,导致电阻率降低。通常,大多数岩石的后一方面作用大于前一方面的作用。所以,大多数岩石的电阻率随温度升高而有显著的下降。
二、岩石的热破碎理论
与破岩直接相关的是热能产生的热应力。在一维条件下,温度由T0升到Ts时,热应力与温度增减值成正比例关系,即:
碎岩工程学
式中:σh为热应力,kg/cm2;K为无因次常数;E为弹性模数,kg/cm2;α为热膨胀系数,℃-1,其值随温度而变化。
与热应力有关的岩石热破碎理论有:热拉应力破碎理论;热剪应力破碎理论。此外,还存在岩石相变、分解和熔融的破坏作用。
1.热拉应力破碎理论
从岩石抗拉强度弱这一特点出发,许多研究热破碎的学者认为:热拉应力是造成岩石破碎的主要原因。
当热源作用于岩石时,岩石内的热应力值超过岩石抗拉强度,岩石即形成分离新表面而脱离岩体。按断裂力学观点来解释,应该是物体内部存在的微裂纹尖端受热应力影响产生极大的拉应力,这个拉应力值超过岩石的抗拉强度时,微裂纹即扩展导致岩石碎裂。
按此理论,在已知热源的条件下,可确定岩石破碎的范围,或者在岩石选定条件下,也可反求为达到破碎所需的热量和温度。
2.热剪应力破碎理论
有人提出用两个邻近等温面差产生剪应力的数值,作为判断物体破坏的标准,即当两个相邻等温面产生的剪应力超过材料最大剪应力时,材料发生热破碎。于是把这种理论推广到岩石热破碎。还提出了两个相邻等温层剪应力的计算公式。
3.岩石相变、分解和熔融的破坏作用
热应力破碎是指岩石在没有相分解和熔融状态下的破碎。但有些岩石,如含石英的花岗岩,由于温度变化产生相变(如前所说),使体积急剧膨胀,引起强度大幅度下降,产生龟裂和剪切性破碎;又如构成石灰岩的方解石,它在500℃左右发生分解,石灰岩温度大幅度下降。对于这类岩石,就不能按拉应力理论来判断破碎发生的位置和范围。
三、热能发生装置
热能发生装置较多,能提供热源的方式除了火钻的超声速火焰射流外,还有激光、等离子体、电子束、微波等方式。
1.火钻
在古代就知道用火烧法来破碎岩石。20世纪初,曾用氧气枪来钻孔。
1938年,火钻首次在美国开始试验。1947年以前,主要是熔化法,随后改进为温差应力剥落法已成为实用方法。它主要用在露天矿爆破钻孔的扩底作业。工业上则用以切割石材和混凝土,焚烧垃圾等。
目前,火钻已有专用移动式钻机,其主要部件有:工作机构(喷射燃烧器)、升降机构、回转机构、供给系统、移动机构、底盘、桅杆、操作台和固定机构。此外有风扇、氧气车、水车、油车等附属设备。
图1-6-13 火钻喷射燃烧器的工作原理示意图
喷射燃烧器(图1-6-13)类似液体喷射发动机。它的燃烧室尺寸小,发出的单位体积热量大;用数个(常用三个)喷嘴,受压入的燃油或汽油(0.7~1.0MPa)和输入氧气(0.9~1.2MPa)的动力冲击,使燃油在燃烧室混合、雾化并燃烧,再由喷嘴喷射出去。喷射气体流速可达超音速,火焰气流温度约3000℃,从而对岩石直接产生热应力和机械破碎作用。喷射燃烧器采用水(0.4~0.55MPa)来冷却燃烧器壁,喷水形成的蒸汽则将岩碴(直径≥0.83mm者约占一半)排除。也可用7个大气压的压缩空气代替氧气,此时焰流温度约2000℃。
燃烧器与孔底经常保持18~20cm的间距,其最佳转数为10~20r/min。
火钻还可增加水射流辅助作用,水射流从火钻侧面引入井底,岩屑靠水射流往上返。
2.激光破碎岩石
激光是一种自1960年开始极快的发展的新兴技术。进入70年代,投入到碎岩试验。在切割岩石、掘进巷道、钻孔时曾采用激光做联合碎岩的试验,并取得了良好结果。美国专家预计,它将会在采矿工业中成为实用技术。
激光是在气(液、固)体激光器中,激活物质受到外力作用后大部分原子上升到激发状态,并自发辐射的一部分光子逸散;轴向光子引起受激发射,并通过两端面反射镜的反射而使光子共振、受激辐射、增强(放大),此激光束则是从部分反射镜端辐射出来,它是具有极高的频率(1014s-1)与极短的波长(10-2~10-5cm)的高能光束。
激光束具有相干性好、指向性好(近于平行光)、单色性好、亮度高、聚光性好等优越性能。光束密度可达109W/mm2,受这样高的能量密度的光照射时,物质在极短时间内(μs或ms)于很小范围内可产生数百万摄氏度的高温,从而被熔化和蒸发。目前,应用在破碎岩石方面的激光束功率近于20~40kW。现在正在研究200~300 kW的激光器。
激光碎岩主要是使岩石受热后微裂隙扩张与增多;相变化引起晶粒分离;气体与水的空穴扩张以及整体化学变化所造成的。因此,激光可用于直接碎岩与辅助碎岩(热弱化与切割钻孔周边)。
在国外,已将激光辅助碎岩用于联合掘进机。当工作时,首先由激光器发射的激光束在坑道掌子面上制造小眼和裂纹,然后凿岩机把大块岩石凿下来,从而大幅度地提高掘进速度。有人作过试验:把激光与盘形滚刀联合破岩,若以0.254cm/s的速度横移600W的聚焦激光,能使滚刀碎岩速度提高3.5倍。有资料报道:1kW激光,能以1.8~2.4m/h的速度钻进烟煤;以3.7~4.6m/h的速度钻进亚烟煤。在硬花岗岩中,需使用5~17kW的激光,例如,用14.5kW的切槽激光将使直径为0.3m的爆破孔钻具,在石英岩中钻进速度增加2倍(即从10m/h增加至30m/h)。
图1-6-14 等离子体喷枪示意图
激光破碎岩石的优点是:能量密度高,易使任何岩石形成窄而深的熔化切口;可在水中作业;激光的聚焦和传输比较容易。
激光碎岩存在的问题是:激光器的总效率比较低;输出功率较小;大功率激光器容积较大;激光束及其反射波对人体无益;激光器在孔底的工作条件不佳。
3.等离子体破碎岩石
大约在20世纪60年代中期,以等离子体切割金属的技术被引入到岩石破碎中,并用于二次破碎大块岩石。它在钻孔、切削、掘进中试验的效果较好。
等离子体(物质的第四状态)是一种超高温(数千至数万度)电离气射流。若在等离子枪(如图1-6-14所示)的金属阴、阳极之间加上常规的直流电压,便可通过高频电火花或碳粒短路激发,而产生电弧。由于两极间通有气体介质,故高电子撞击被加热的电子介质分子或原子,并使之电离。这种连锁反应(电子雪崩)便不断地打击出两次、三次电子,形成气体部分导电(击穿),并从电场或磁场接受能量而伴随着很强的光和热(由于热的作用也促进气体进一步电离),于是在两电极隙间产生了电弧柱(同于电焊电弧)。电弧柱中电离的气体,其正负带电粒子所带电荷,数量相等而符号相反,所以称为等离子体。这种等离子体通过冷却水冷却的喷嘴后,以等于或大于声速的速度喷出而形成等离子射流。喷出后复合为气体,并迅速释放能量放出大量的热,使温度可达数千至数万摄氏度。利用这个高温可获得很高的融熔岩石的效果,例如,在坚硬的花岗岩、花岗闪长岩、砂岩、石英岩中进行穿孔(钻孔直径为φ75~φ135mm)时,穿孔速度可达到2.7~4m/h。美国已研究用等离子焰于硬岩隧道钻进工程中。
4.电子束破碎岩石
利用特别的电子加速器产生高能电子来进行破碎岩石,是近20 年间发展起来的新技术。曾进行了切割、钻孔试验,说明颇有发展前景。
产生电子束的装置是一电子枪(图1-6-15),它是一个阴极发生器。电极E1和E2间的电场使电子由阴极出发作加速运动,阴极内部有电热线圈,造成其热离子源。因电子自身会产生电场,而电场的电力线向外发散,故用电子透镜使之约束并聚焦。
图1-6-15 电子枪原理图
电子束穿过岩石时,由于介质原子的电离和激发,将电子束能量(10~200keV)传输给岩石,其功率密度可达106W/cm2,故可放出大量的热,使岩石升温或熔化(或汽化)。热熔面将以3 m/s 的速度向前传播。聚焦电子束的优点是功率密度仅次于与等离子体;能量转换率达75%,高于激光和等离子体;比功约为200~3000J/cm2,不算太高。
1976年,美国还提出用脉冲电子束(≥1MV),产生脉冲热应力使岩石形成张裂剥落的构想。
此外,还有微波破碎岩石(利用微波照射岩石,使岩石发热产生热破坏);高频电流钻(利用高频电流加热岩石);电感应钻(用高频磁场加热和剥落磁性岩石);电弧钻(使用10 000-30 000℉的电弧产生的高温熔化破碎岩石)等。