新型高效巖石破碎技術分析

周興平

摘? 要：目前國內對煤礦、油氣等地下礦產資源的需求量不斷上升，資源隨著不斷地開采，地層淺部的礦產資逐漸枯竭，地下深層礦產資源的勘探、開發將成為我國未來科學研究的重點項目。本文鑒于當前破巖現狀，著重討論一些新型的高效破巖技術，如水力破巖、激光破巖、高速粒子沖擊破巖等，通過對比分析等方法從巖石特性、破巖機理和發展前景等方面進行分析總結。

關鍵詞：巖石破碎? 旋沖鉆井? 高速粒子? 機械破巖

中圖分類號：TD231.6 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）04（c）-0036-03

Analysis of New High-Efficiency Rock Crushing Technology

ZHOU Xingping

（School of Mechanical Engineering， Heilongjiang University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang Province， 150022? China）

Abstract： At present， the domestic demand for underground mineral resources such as coal mine， oil and gas is increasing， and the shallow mineral resources are gradually exhausted with the continuous exploitation. The exploration and development of deep underground mineral resources will become the key project of scientific research in the future. In view of the current situation of rock breaking， this paper focuses on the discussion of some new efficient rock breaking technologies， such as hydraulic rock breaking， laser rock breaking， high-speed particle impact rock breaking and so on. Through comparative analysis and other methods， this paper analyzes and summarizes the rock characteristics， rock breaking mechanism and development prospects.

Key Words： Rock crushing; Rotary drilling; High speed particles; Mechanical rock breaking

1? 水力破巖技術

1.1 高壓水力脈沖破巖技術

在早期，SELFRAG公司最先將焦點集中于高壓脈沖設備的研制，并將其應用在礦產資源的挖掘、其他行業硬性物質的破碎等方面。在國內，該技術大部分一直處于實驗階段。

高壓水力脈沖破巖是基于液壓脈沖空化射流原理而產生的，該技術在實施中需將絕緣液體引流到被破碎巖石的表面，放電電極與被破碎巖石觸碰，并通過電極施加一定的高壓脈沖，此時巖石會被電擊穿，從而形成等離子通道，高壓脈沖波的不斷沖擊致使巖石等離子通道受膨脹而產生裂隙，拓展面積不斷加大，最終導致巖石破碎[1]。各項實驗數據及生產實踐表明，該項技術具有運行穩定、破碎效率高、對周圍環境無污染等優勢。

1.2 高壓水射流輔助破巖技術

早在19世紀中期，國外科學家率先將水射流應用在非固結礦床的開采試驗上。高壓水射流技術主要被用來應用在礦產、石油鉆井等領域，因其可以有效的避免礦井中的瓦斯爆炸，在煤礦開采中使用率更高。該技術的基本原理主要是依靠脈沖發生器所發射的高壓水射流高速沖擊到鉆孔中，產生的瞬間高壓能夠迅速的破碎巖石。巖石的破碎進程可定義為巖石內部損傷的疊加，是剪應力和主應力共同作用的效果，高壓水射流在到達巖體時會產生向四周擴散的半球面波，應力波傳播時經過巖體裂縫發生波的反射和衍射，并在縫隙處疊加能量，當疊加的能量達到一定值時，巖石遭到破壞[2]。

高壓水射流在輔助巖石破碎時會受到多方面的影響，包括礦井深部的高壓強、巖石孔隙的壓力、高速射流所造成的巖體破裂等。在當前，高壓水射流輔助破巖技術能夠較大地提高巖石破碎的效率，具有廣闊的發展前景，其應用領域也在不斷加大，但射流本身具有較大的復雜性，破巖過程形式多樣，不宜把控，因而在許多方面需要進一步地改進與創新。

2? 機械破巖技術

2.1 旋沖鉆井破巖技術

旋沖鉆井破巖裝置主要由沖擊裝置和PDC鉆頭組成，兩者通過螺桿配合，組成軸向沖擊和高轉速切削疊加的巖石破碎技術。該技術基本原理是鉆井液經沖擊裝置中的水力震蕩元件形成的脈沖射流通過螺桿對PDC鉆頭產生周期性的軸向沖擊力，在沖擊載荷輔助作用下，PDC鉆頭旋轉產生的巖石破碎程度更加顯著，同時降低了周圍巖體的強度，提高巖石破碎效率[3]。

該項技術的破巖效果主要依靠它的沖擊裝置來體現，根據沖擊裝置的不同劃分為氣動式旋沖鉆井技術和液動式旋沖鉆井技術。

2.2 復合沖擊破巖技術

復合沖擊破巖技術根本原理就是將軸向的脈動沖擊與扭轉沖擊破巖相結合，將沖擊裝置所具有的流體能量轉換成軸向和扭向相交替的高頻沖擊能量，而軸向與扭向的沖擊能對鉆頭產生不同的效應[4]。其中，軸向沖擊能使鉆頭軸向破碎巖石的能量不斷加大，而扭向沖擊可通過鉆桿的旋轉將能量傳給底部的鉆頭，在此效果下較大程度地提高了鉆頭的巖石破碎效率。

復合沖擊破巖技術與常規旋轉沖擊破巖相比，巖石破碎程度更大，巖石碎塊更多。隨著沖擊裝置工作頻率增加，巖石破碎效率相應提高。

3? 高速粒子沖擊破巖

粒子沖擊破巖是一個連續不間斷的進程，當高速粒子沖擊到巖石外表后，首先會在沖擊區域面內有缺陷的表面產生赫茲裂紋，緊隨著粒子的不斷沖擊下，其巖石表面接觸應力不斷增加，同時在高壓力作用下裂紋逐漸延伸，從而達到巖石破碎的效果[5]。對于給定很短的時間周期與很小的接觸面積導致了巨大的接觸應力，這種接觸應力比常規鉆頭施加的壓力要大得多。全斷面隧道掘進機是目前鐵道、水電交通礦山市政等硬巖隧洞施工中普遍應用的工程機械，主要是利用旋轉刀盤上的滾刀擠壓破巖實現隧道掘進的目的，其主要克服的是巖石的抗壓強度，工程實踐表明在巖石的單軸抗壓強度在100MPa左右時，掘進機破巖效率相對尚可，但隨著巖石強度的增加，破巖效率逐漸下降，滾刀異常磨損和更換頻率增加，導致工期延長和施工成本的增加[6]。且在遇到地質不均或復雜地層時，掘進機主軸承和機械刀具都易發生損壞[7]。

與常規鉆井破巖技術相比，高速粒子沖擊破巖技術具備很強的破巖優勢，大大地減少了能量的損耗，其破巖速度提高了2～4倍，可顯著提高具有較高硬質、耐研磨性強的工作環境的機械鉆速。該技術大幅度提高了經濟效益，是深礦、硬地層井下破巖的新技術，具有較好的發展前景。但在地層深處高溫、高圍壓的環境下對粒子射流沖擊破巖產生較大的影響，很多地方仍然存在不足，需進一步對該技術進行研究與改進。

4? 其他破巖方法

4.1 CO2液-氣相變膨脹破巖技術

相變的定義為，當物質在外部條件如溫度、磁場、壓力等連續的變換之下，從一種相轉變成另一種相。液態的CO2在外部條件下能夠從液態轉換成氣態，發生液-氣相變的現象，致使液態CO2體積發生膨脹，通過外部條件控制釋放能量的大小、相變轉換的時機，其瞬間膨脹所爆發的機械能做功，以此達到破碎巖石的需求。

該技術的基本原理是通過壓力泵將液態的CO2壓縮后輸送到巖石破碎裝置的膨脹管內，通過激活器的作用， 液態CO2在短時間相變，產生大量高壓CO2氣體，管內壓強超過破裂片預設臨界值，其破裂片破裂，高壓氣體從噴射孔向周圍巖石孔壁噴出，形成沖擊載荷[8]。與此同時，高壓CO2氣體會向巖石裂隙內滲入，使原有的裂隙進一步擴大，隨著高壓氣體的不斷膨脹，達到巖石破碎的目標。

對于該技術的發展，CO2液-氣相變膨脹破巖技術應用比較普遍，但對其液-氣相變機理的研究、鉆井孔內應力場轉化屬性研究等存在一定的不足，市場上CO2液-氣相變膨脹做功裝置質量參差不齊，以成熟的技術手段應用到各類破碎行業中還需一定的時間，各方應客觀的看待此項技術，鑒于不斷實驗的基礎上應用到實踐中，共同致力于該技術的完善與發展。

4.2 激光破巖技術

激光破巖技術作用機理是在鉆井底部，通過發射激光鉆頭將激光束直接照射在巖石的外表，是一種非接觸式的破碎巖石方法。當激光束照射在巖石表面時，巖石會根據激光的強弱等級爆炸成碎片、熔融為液態，甚至高能激光會將巖石蒸發為氣態，而巖石其他區域也因激光能量的傳遞發生不同空間范圍內的溫度差，加大巖石內部微觀裂隙的形成及間隙的擴大，從而增大巖石破碎程度[8]。

激光破巖技術與傳統炸藥破巖技術相比具有安全而又低耗的特性，在石油鉆采、隧道巖石破碎等方面得到相當高的關注，但在實際應用中，激光的遠距離傳輸仍是一個相當大的局限性，井下巖石破碎產生的礦物分解、巖石碎塊的重融等都會引起激光束能量的損耗。相信隨著激光相關技術的不斷進步，激光破巖技術定能真正走向大眾舞臺，大幅提高巖石破碎效率，降低企業生產成本。

4.3 高壓液氮射流輔助破巖技術

在常壓下，液氮溫度為-196℃，在鉆井破巖過程中，伴隨采掘深度不斷加深，在礦井下的空氣及巷道周圍巖體的溫度不斷升高，當兩者接觸過程中溫差大，液氮會對巖石迸發劇烈的冷沖擊作用，從而有效地降低巖體的抗拉、抗壓強度。當巖石的溫度越高，巖石經冷沖擊后力學性能的弱化水平越強。在此基礎上，巖石產生裂縫并迅速擴展，輔助以射流沖擊從而達到巖石破碎的作用[9]。

高壓液氮射流技術聯合了液氮低溫冷沖擊與高速射流沖擊的雙重作用，可明顯降低巖石的碎裂難度，大幅提升巖石的破碎效果[10]。液氮射流在提高深部硬地層的滲透率方面有著廣闊的應用前景，尤其是深部干熱巖地熱井[11-13]。與此同時，氮氣是惰性氣體，使用無污染，制冷迅速，在其他制冷領域也有著較好的發展前景[14-15]。在實際鉆井過程中，隨鉆井深度的一直加深，液氮的儲存、輸送都面臨著一定的難題，該技術需進一步改進。

5? 結語

當下，國內外對能源的需求不斷增加，新型高效的鉆井破巖技術的發展愈發重要。任何一種破碎方法都有它的優勢與不足，傳統破巖方法仍然有需要借鑒的地方。在破巖技術發展過程中，更多的是與傳統機械破巖方式結合。在未來一段時間內，機械旋轉鉆進破巖技術以其較為完善的理論和實踐，仍將在鉆井破巖工作中起主導地位。相信隨著科學研究不斷向前，新型高效的破巖技術會摒棄傳統鉆井破巖技術的劣勢，集能量損耗更少，鉆井破巖效率更高，生產成本更低等優勢于一體，為國家的發展做出更重要的貢獻。

參考文獻

[1] 鮑先凱.高壓電脈沖水壓壓裂煤體機理及實驗研究[D].太原：太原理工大學，2018.

[2] 薛永志.高壓水射流沖擊下煤巖損傷誘導機制及分布特性研究[D].重慶：重慶大學，2018.

[3] 于洋，劉士銀.高速旋沖鉆井技術優化及在順北區塊的試驗[J].石油機械，2020，48（10）：24-29，38.

[4] 金雪萌，黃宇淵，袁鐘濤，等.高效破巖新方法研究進展及其應用前景分析[J].石油化工應用，2019， 38（5）：1-6.

[5] 任福深，方天成，程曉澤，等.粒子射流沖擊下破巖應力分析與破巖區域[J].石油學報，2018，39（9）：1070-1080.

[6] 夏軍，陶良云，李必紅，等.二氧化碳液-氣相變膨脹破巖技術及應用[J].工程爆破，2018，24（3）：50-54.

[7] 羅熙.激光輔助破巖鉆井技術研究[D].青島：中國石油大學（華東），2017.

[8] 黃中偉，位江巍，李根生，等.液氮凍結對巖石抗拉及抗壓強度影響試驗研究[J].巖土力學，2016， 37（3）：694-700，834.

[9] 黃中偉，武曉光，李冉，等.高壓液氮射流提高深井鉆速機理[J].石油勘探與開發，2019，46（4）：768-775.

[10] 黨永.厚煤層綜放工作面過斷層帶注漿加固技術研究[J].中國礦山工程，2021，50（1）：39-41.

[11] 周劍，馬剛，周偉，等.基于FDEM的巖石顆粒破碎后碎片形狀的統計分析[J].浙江大學學報：工學版，2021，55（2）：348-357.

[12] 史紅邈.近斷層巷道開挖穩定性分析與支護技術[J].煤礦安全，2021，52（1）：114-121.

[13] 杜俊培.斷裂破碎帶大斷面煤巷支護技術研究[J].煤炭與化工，2020，43（12）：1-5，8.

[14] 趙向明.井底車場松軟破碎圍巖巷道注漿加固技術研究與應用[J].山東煤炭科技，2020（7）：23-25.

[15] 王成龍.破碎巖體鉆注一體超前支護技術在某金礦的應用[J].中國礦山工程，2020，49（3）：31-34.