激光照射岩石温度及热裂特性变化研究

摘要

传统机械破岩成本高、效率低，导致地下工程建设、深部油气开采、核废料处置等面临硬岩高效致裂难题，亟待新型破岩技术满足当前需求。高能激光束照射岩石会在岩石内部产生极高的温度和温度梯度，熔化岩石的同时还会通过热应力致裂岩石，激光破岩是当下最易实现且效率最高的方法。温度演变是激光热裂岩石的关键因素，本文结合物理实验、理论分析和数值计算等手段，研究了不同照射参数下岩石温度场和热裂特性变化规律，为激光热裂高强度岩石提供一定的基础支持。 （1）用连续式光纤激光照射岩样，采用控制变量法分别研究激光功率、照射时间、照射距离、激光频率、照射角度、辅助气体对石灰岩岩样温度场、峰值应力、破岩比能（SE）、钻进速度（ROP）、热裂效能（MSE）等的影响规律。结果表明：激光照射岩样表面温度满足高斯分布，中心温度高、边缘温度低；激光功率越大、频率越高、照射角度越小，岩样表面的温度越高，SE及MSE越低，ROP越高，破岩效果越显著；照射时间越长，岩样表面温度越高，但二次效应使得SE及MSE变大，ROP变小；照射距离越大，岩样表面非直接照射区域温度越高，但是相变区热流密度值降低，故照射距离较小时，岩样破坏明显，SE及MSE较小，ROP较大；使用氧气时岩石剥落的体积最大，MSE最小，破岩效果最好； （2）相同照射参数下，砂岩、石灰岩、花岗岩表面温度变化类似，花岗岩的表面温度最高、砂岩次之、石灰岩最低；砂岩的钻孔深度及直径最大，SE值最低、ROP值最高；砂岩未出现剥落，花岗岩的剥落体积较小，石灰岩剥落体积最大。研究了不同含水率岩样的热裂效果，发现干燥岩样裂纹最多，孔径及孔深均最大，SE及MSE值最小、ROP值最高；饱和含水岩样的破岩效果最差。水下岩石激光热裂实验表明，随着水层厚度增加，照射区域岩样表面温度明显降低，孔深及孔径减小，SE升高，ROP降低，说明水中破岩比空气中的效果差； （3）建立激光照射岩石三维非稳态传热方程，给定相应的初始条件和边界条件，通过ANSYS进行数值计算。首先对数值试验进行了验证，随着照射时间增加，相同位置温度升高、热影响区、钻孔直径及深度均变大，与试验结果基本一致；中高功率激光照射岩石数值试验表明，随着激光功率增加，岩样温度升高，钻孔直径及深度逐渐变大，6kW功率连续照射5s得到的钻孔尺寸大于1kW功率连续照射20s的情况，说明中高功率激光照射破岩效果越显著。

目录

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致谢

变量注释表

1绪论

1.1研究背景

1.2.1照射参数对试样表面温度场影响规律

1.2.2激光作用于不同特性岩石的表面温度场演变规律

1.2.3激光辅助破岩理论及数值模拟

1.3.1主要研究内容

1.3.2技术路线

2不同照射参数下岩石温度场及热裂特性变化规律

2.1实验设备及实验材料

2.1.1实验设备简介

2.1.2实验材料

2.2不同照射参数下温度场演变

2.2.1激光功率

2.2.2照射时间

2.2.3照射距离

2.2.4激光频率

2.2.5照射角度

2.2.6辅助气体

2.3.1宏观形貌

2.3.2微观变化

2.3.3力学性能变化

2.3.4比能（SE）及钻进速度（ROP）

2.3.5热裂效能（MSE）

2.4小结

3激光照射不同岩石温度及热裂特性变化规律

3.1照射参数

3.2激光照射不同类型岩石

3.2.1表面温度变化规律

3.2.2岩石热裂特性变化

3.3激光照射不同含水率岩石

3.3.1表面温度变化规律

3.3.2岩石热裂特性变化

3.4激光照射水下岩石

3.4.1表面温度变化规律

3.4.2岩石热裂特性变化

3.5小结

4激光破岩温度场数值模拟分析

4.1ANSYS概述

4.2激光照射岩石理论模型

4.2.1基本分析

4.2.2数学模型

4.3.1模拟流程

4.3.2网格设置

4.4验证算例

4.4.1表面温度场

4.4.2内部温度场

4.4.3钻孔尺寸

4.5.1温度场

4.5.2钻孔尺寸

4.6小结

5总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

作者简历

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