微波技術輻射巖石實驗探討與成孔應用研究進展

陳登紅， 袁永強， 湯允迎

(1.安徽理工大學礦業工程學院， 淮南 232001； 2.中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所， 合肥 230031)

在地下空間利用及資源開發過程中，利用與開采深度愈漸增加，在面對強度與耐磨性高的堅硬巖石時，如何快速經濟地破碎巖體，并保證圍巖的穩定性，是實際工程中普遍關注的熱點問題。當前，中外許多研究人員在油氣鉆孔領域提出了一些新型破巖方法，如高壓液氮射流法[1]、二氧化碳相變致裂技術[2]和高能激光照射法[3]等，而上述方法對較大尺度的硬巖破裂工程無法得到滿足，需引入一種能實現大尺度巖石破裂與成孔的新型輔助破巖技術。微波在工業領域已被廣泛應用[4-7]，而巖石中的部分礦物對微波具有吸收率高、兼容性好等特點[8-10]，因此，微波技術的不斷優化為地下礦石資源中的破裂與成孔技術改革提供了可能。針對中外低能微波破巖相關研究成果，現系統歸納分析微波技術輻射巖石實驗進展、微波對巖石裂紋擴展的影響及微波成孔應用研究，并指出現有低能微波破巖實驗研究和未來高能微波成孔技術的發展趨勢。

1 微波技術輻射巖石實驗進展

1.1 微波輻射設備

一般微波設備由單模或多模微波腔體、微波發生器和磁控管組成，微波設備對腔體材料和各裝置的吸波、反波以及透波特性要求較高。要研究微波與不同類型、不同尺寸巖石之間的相互作用，首先要掌握不同微波設備關鍵參數和工作運行特征。隨著現代工業微波技術的不斷發展進步，室內試驗中低能微波設備的種類和功能逐漸多樣化。表1所示為近年來代表性的微波輻射巖石實驗中所選擇的低能微波設備及巖石參數。在進行微波輻射破巖實驗前后需要用其他儀器來分析相應的各項參數指標，低能微波破巖實驗前后相關儀器及實驗流程如圖1所示。

目前實驗中所采用的微波設備主要由微波頻率為2.45 GHz的單模或多模諧振腔構成的工業微波爐和大功率微波加熱系統為主，由表1可知，實驗中所選擇的巖石巖性和尺寸各不相同，且實驗過程中配合不同微波參數設計了多組正交方案。對于不同類型的巖石，都有一組最佳的微波參數使其破巖或熔融成孔效率達到最優，實驗中以更高的微波能量去破巖時巖石由固態變到熱熔和汽化狀態，并在微波設備照射過的巖石區域形成氣-液-固三相混合物，同時由于巖石物態改變，大量的微波能量被反射和散射，從而造成一定微波能量的損失，因此，微波功率、照射時間和照射距離是微波高效率低能耗破巖的三個關鍵參數。

表1 近年來代表性微波設備及巖石參數Table 1 Representative microwave equipment and rock parameters in recent years

圖1 低能微波破巖實驗前后相關儀器及實驗流程Fig.1 Relevant instruments and experimental process before and after low energy microwave rock breaking experiment

近年來，微波技術輻射巖石實驗研究成果豐碩，但是，實驗設備多采用相同原理的四周型微波設備為主，很少從破巖的實際工程環境出發，所采用的微波設備難以實現在有圍壓與大尺寸范圍時對巖石所對微波發生器正面進行微波能量垂直輸入。因此，對于微波設備進行更深層次的探究與研制時要綜合考慮實驗的真實性、穩定性以及實驗過程中的高能量損耗與微波反射問題，從而為不同環境以及不同巖性和尺寸的巖石，設計并優選出更為適合的大型高效高能微波設備。

1.2 微波輻射實驗研究

在不同微波功率與照射時間下，Hassani 等[11]得到當功率為5 kW時實驗中的玄武巖試件照射20 s相比照射10 s巖石的抗拉強度從12 M/Pa下降到8 M/Pa。Lu等[12-13]得出當功率為3 kW照射時間分別為5、10、15 min時該實驗中邊長20 cm的立方巖石縱波波速，較照射前分別下降了2.2%、6.0%、8.4%。在不同微波功率或照射時間為定量時，Kingman等[14]在微波功率為15 kW的多模腔體微波設備照射下，礦石試樣僅照射1 s點荷載強度就下降了55%。高峰等[15]、朱要亮等[16]、盧高明等[17]在實驗室利用熱電偶溫度傳感器和紅外熱成像儀等設備在實驗研究的現場監測下及在微波加熱巖石的數值研究中都發現，不同規格(Φ50 mm×25 cm、Φ50 mm×100 mm)、不同類型巖石(玄武巖、花崗巖等)、不同環境與加熱路徑下都出現巖石內部高于表面溫度以及表面溫度呈區域性分布和巖石部分區域熔融現象且具有中心溫度高于側向表面的分布狀態。

可以說，改變實驗中的微波參數對微波輻射實驗后巖石的力學強度[11-14,18-19,25-27]、波速[21-23]和升溫特性[15-16,20,24]影響明顯，然而，研究的巖石尺寸全部為標準巖石試件大小，忽略了巖石破裂過程中尺寸大小對能量的減弱，且現有巖石礦物成分和含水率對微波破巖的影響研究對象較為單一[28-30]。因此，需要進一步擴充研究主體，建立針對不同區域、不同埋藏深度、不同尺寸巖石的多因素模型，在難以改變巖石原始礦物組成和地質工程條件時，有必要結合不同尺寸巖石的破裂過程，在未來深入研究考慮高能微波能量作用過程與尺寸之間的關系。

2 1.4 kW微波功率輻射巖石實驗探討

2.1 實驗試樣

在前人學者實驗研究的基礎上，利用CY-MU1000C-L型微波馬弗爐對尺寸為Φ50 mm×100 mm的圓柱狀巖石試件進行功率1.4 kW的微波輻射試驗，實驗中所用的巖石為河北平山玄武巖和河北井陘石灰巖，玄武巖試件的平均密度為3.02 g/cm3，初始平均波速為6.03 km/s，石灰巖試件的平均密度為2.71 g/cm3，初始平均波速為6.13 km/s，微波輻射實驗前對兩類巖石的粉末樣本進行X射線衍射(XRD)測試，發現兩類巖石中都含有強吸波礦物輝石，表明河北平山玄武巖和河北井陘石灰巖與微波反應較好。

2.2 微波輻射玄武巖

玄武巖試樣在微波輻射309 s時，能夠明顯聽到崩開破碎的試樣撞擊微波腔體的聲音，此時紅外熱探頭記錄試樣表面的溫度為201 ℃，之后立即關閉微波源，將玄武巖試樣從馬弗爐腔體中取出，破裂的試樣如圖2所示。玄武巖中的造巖礦物輝石吸收微波后，巖石溫度大幅上升并產生較強的熱膨脹作用，使巖石在內部產生熱破裂，甚至使巖石崩開破碎。

圖2 玄武巖破裂狀態Fig.2 Basalt fracture state

2.3 微波輻射石灰巖

將石灰巖在微波馬弗爐中連續輻射14 min，期間利用微波馬弗爐側部安裝的紅外熱探頭連續記錄試樣曲面的溫度變化。圖3為石灰巖溫度變化曲線及輻射后石灰巖破裂狀態。從圖3可知石灰巖表面溫度變化曲線在上升中出現三個明顯的溫度下降點，分別是Ⅰ點370 s溫度由328 ℃降為325 ℃； Ⅱ點570 s溫度由422 ℃降為415 ℃；Ⅲ點600 s溫度由427 ℃降為422 ℃。與玄武巖一樣在輻射過程中石灰巖發出響聲，但因輻射時間比玄武巖長，在整個輻射石灰巖實驗過程中明顯聽到三次悶響，出現響聲的時間點與溫度下降的時間點完全重合。

圖3 石灰巖溫度變化曲線及破裂狀態Fig.3 Limestone temperature variation curve and fracture state

結合石灰巖在微波馬弗爐腔體中的初始與結束位置不同，分析溫度曲線出現三個下降點的原因為，三次悶響都為石灰巖破裂的聲音，石灰巖在破裂的同時，內部應力集中釋放，且石灰巖試件為圓柱體，在腔體內受力后自由移動，石灰巖移動后固定在側部的紅外熱探頭將會重新記錄新的監測點的溫度，而由文獻[15-17]可知，微波輻射巖石時表面溫度呈區域性分布，因此，在每次悶響后溫度會有一定下降之后重新升高。圖3中標出了石灰巖發生三次破裂的位置及順序，并且從巖石照片的裂縫中可以清晰看到巖石內部呈巖漿色，進一步證明了，在微波輻射時巖石內部高于表面溫度以及區域熔融現象。

3 微波輻射對巖石裂紋擴展的研究

3.1 巖石裂紋宏微觀擴展現象

研究微波對巖石裂紋擴展的影響，就是探究巖石在微波照射作用下發生微觀構造反應的程度，從而揭示微波破巖的機理。研究人員在不同路徑下對試樣進行微波輻射處理，之后采用對比試驗方法對微波輻射實驗進行分析與研究。

胡國忠等[28，31]發現微波輻射后的煤巖體表面和內部出現原生裂隙擴展、微裂隙數量增加等現象，微波照射使煤巖體產生的裂紋弱化了之前積聚的能量。李元輝等[32]利用超景深顯微鏡觀察微觀裂紋情況，發現在微波照射后試樣內部的裂紋以沿晶、穿晶斷裂為主。戴俊等[33-36]采用掃描電鏡的方式對比了花崗巖、大理巖和砂巖在微波照射后的微觀裂紋類型，得出三種不同的巖石內部晶體斷裂形式不同的結論。取2.2節中玄武巖標準試件在1.4 kW微波功率輻射309 s后斷口處的巖樣做電鏡掃描，如圖4所示。圖4中的裂紋進一步驗證了上述文獻[28-36]所提出的斷裂結論。

圖4 玄武巖斷口SEM圖Fig.4 SEM of basalt fracture

總結得到，微波照射后巖石內部微觀裂紋的發展意味著巖石整體材料狀態發生改變，從而導致巖石波速、強度等也發生變化，并且，巖石內部的裂紋擴展可以有效預測巖石強度折減規律，因此，研究微波照射下巖石裂紋擴展規律對工程實踐具有重要意義。目前，儀器檢測是微波作用后驗證巖石發生宏微觀變化的必要手段，雖然一些先進的檢測分析儀器如掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、薄片分析、CT掃描等被運用到微波照射實驗中用以觀察破壞巖石的微觀結構巖石，但是微波如何動態影響巖石內部的微觀結構及成分，以及耦合多相態和多物理場時微波照射巖石的微、宏觀變化對應過程等都有待繼續深入研究。

3.2 微波輻射裂紋擴展機理

利用高功率微波持續加熱含有吸波礦物的巖石，可以使巖石在較短時間由內向外裂開，從而減少巖石破裂所需能量。盡管現有微波輻射巖石實驗研究結果表明，微波輻射可以使巖石強度折減，提高整體巖石破碎效率，但由于相應微波輻射裂紋擴展機理研究的缺乏，使微波破巖中能量節省及效率提高很難準確判斷。一些學者通過數值模擬和理論計算的方法揭示了微波輻射弱化巖石的機理。在數值模擬方面是通過建立兩相礦物巖石模型，即在原本基質中加入一種強微波吸收礦物基粒，朱要亮等[37]、秦立科等[38]、胡亮等[39]采用不同的數值模擬軟件以黃鐵礦、方鉛礦、方解石為研究對象，探究了微波條件下不同礦物模型溫度與內部應力變化及分布規律，研究結果表明，微波照射后兩種礦物之間存在熱膨脹引起并以拉伸裂紋為主的微裂紋；Peinsitt等[40]模擬試驗表明，對于勻質巖石材料，采用一個吸波而另一個不吸波理想化巖石模型效果不理想；李勇等[41]利用ANASYS模擬軟件對玄武巖經微波照射后的溫度與應力進行了模擬；唐陽等[42]采用PFC軟件討論了施加不同微波參數下巖石力學性能的改變；Toif等[43-44]利用建立的三維模型模擬了由兩組以及三組礦物組成的巖石經微波輻射后的溫度與應力分布情況；Qin等[45]還研究了不同形狀礦石顆粒對微裂紋的生長分布的影響，研究結果表明，礦物形態對微裂紋生長規律無影響只對數量有一定影響；Hartlieb[46]由玄武巖數值模型得到圓柱模型的溫度內部大于表面，從而認為巖樣整體溫度梯度和試樣集合形狀決定微波輻射后裂紋擴展；Ali等[47]從模型賦值應力的角度，定義了微波輻射時數值模型內部裂紋產生的條件和微裂紋數量；Zheng等[48]利用微波輻射巖石后P波波速的下降，定義了巖石內部的裂紋密度。此外，袁媛等[49]還在理論方面，推導了在微波輻照下均勻脆性巖石內部初始微裂紋的臨界擴展條件。

可以看出，微波輻射后巖石裂紋的已有研究主要集中在裂紋數量、分布規律、分布形態方面。而研究時沒有考慮天然巖石中存在的初始裂紋對新生裂紋擴展發育的影響，因此，深入探究微波輻射導致的巖石裂紋擴展發育機制時，需建立均勻與非均勻的巖石模型，研究包括原始裂紋、熱斷裂、損傷在內的裂紋擴展所需的微波能量臨界條件，為微波破巖技術在工程實踐中的應用提供理論依據。

4 微波成孔應用研究

機械破巖中傳統鉆頭盡管能夠滿足大部分的巖土工程施工要求，但在面對堅硬巖層時，由于鉆頭磨損嚴重，導致成本和周期增加，并且其在工作過程中會產生較大噪音及產生粉塵堆積等問題從而不利于環境保護。經過上文分析，微波照射巖石后巖石的部分區域產生高溫最后成為熔融狀態或者直接被汽化，因此，可以將微波應用到鉆孔技術中，使其成為高效快速可控且不產生粉塵與噪音污染的新型巖石成孔技術，如圖5所示。

近年來隨著高功率微波源技術的發展，目前已經生產出功率數百千瓦甚至兆瓦量級的電真空管，轉換效率可超50%，因此利用高功率微波能量熔穿巖石逐漸具備了技術條件，同時微波可以利用波導管進行高效傳輸[50-55]。Jerby等[56-57]開展了C波段高功率微波在混凝土、陶瓷、玻璃等多種材質上的鉆孔實驗，并且最后在混凝土表面利用研制的機械輔助微波鉆孔設備成功實現了深26 mm、直徑12 mm的鉆孔。美國麻省理工學院(MIT)等離子體科學和聚變中心相關專家于2008年率先啟動了相關實驗研究，并且，在2014年其利用28 GHz/10 kW實驗平臺開展了較為完整的毫米波鉆探實驗[58]。圖6所示為MIT利用微波能在玄武巖上把原有直徑12.7 mm的孔熔化擴大至50 mm的情況[58]。

圖5 微波成孔技術原理示意圖[6]Fig.5 Schematic diagram of microwave drilling technology[6]

圖6 利用微波能熔化擴大孔徑情況[58]Fig.6 Using microwave energy to melt and enlarge aperture[58]

中國科學院等離子物理研究所湯允迎課題組成功研制了國內首套兆瓦級高功率毫米波穩態實驗系統[59-60]，并在此基礎上搭建了高功率長脈沖微波成孔測試平臺，研究高功率微波成孔機理。圖7所示為高功率毫米波測試平臺。

圖7 高功率毫米波測試平臺[59-60]Fig.7 High power millimeter wave test platform[59-60]

綜上所述，目前對高能微波成孔的研究已取得了一些有益的成果，但針對不同性質與不同深部圍壓下的巖石材料，需要確定具體的高功率微波參數，使微波作用后產生的最高溫度能熔融直至汽化巖石，從而避免過度微波輸入造成能量浪費。目前，高能微波在現場測試及發射導波末端器件的降溫保護技術，還處于摸索探尋階段。因此，如何突破高能微波破巖/成孔的核心基礎科學問題，形成高能微波破巖甚至高效成孔適用性的系統研究，是實現該技術在深部巷硐堅硬巖層成孔應用的關鍵前提。隨著研究的深入，該方法有望成為將來解決堅硬巖石條件下機械破巖/成孔施工困難的有效手段之一。

5 研究展望

微波破巖在微波參數和巖石物理特性等多因素條件影響下，基于微波變換的電磁場和巖石相變傳熱的溫度場，巖石的物理力學性能在宏觀和微觀兩方面進行改變，從而產生破碎、熔融等破巖過程。與傳統破巖工藝相比，微波破巖的優點有很多，一方面提高微波能量可在極短時間內致裂與熔融巖石，可適用于高強度的堅硬巖石；另一方面其設備在破巖過程中不需其他機械構件和器材，且工序簡單，可節約破巖成本和節省破巖時間；最后相比機械鉆頭在硬巖磨損后的更換頻率，微波設備的使用壽命更長。盡管如此，目前微波破巖技術仍然處于理論探究和實驗室探索階段，在實驗條件下研究的巖石尺寸和微波參數偏小，與工程實際高圍壓破巖存在一定不符，微波配套設備及高能轉換技術仍在成型與發展階段。

展望未來，為了繼續探究微波破巖與成孔機理，提高效率、優化方法，仍需進一步開展以下深入研究工作。

(1)微波設備的改進，不采用發射裝置固定的內部四周輻射設備，而以實際應用以及轉變靈活的垂直發射輻射裝置為主。

(2)改選深部工程中實際賦存的巖石，目前多數微波破巖實驗所選的巖石為地表花崗巖玄武巖等，少有試驗涉及地下工程施工中的深部硬巖，因此，未來可以研究微波對于深部帶圍壓條件下硬巖的損傷與熱熔規律。

(3)地下深部隧道和煤礦巖巷掘進時會出現瓦斯涌出現象，所以，需要考慮微波對含瓦斯硬巖的破巖效果及是否存在安全威脅隱患問題。

(4)微波輻射大尺寸巖石熔融后流態場成分及周圍物質改變及組成。

(5)現有研究以靜力學為主，未來可以進行各種巖石微波輻射中動態力學性能方面的研究。

(6)在保證微波傳輸效率的前提下，創建高能高頻的脈沖微波破巖技術的現場配套設施以便實現高能微波成孔的工業化應用。