高温高压对微波破岩效果的影响模拟研究

为了将微波破岩技术应用于石油钻井,研究了钻井过程中高温高压对微波破岩效果的影响.根据岩石不同矿物成分的微波吸收特性,建立了某岩石的二维平面模型,模拟分析了温度、围压及二者共同作用对微波破岩效果的影响.研究发现:在微波照射参数相同的情况下,随着井下温度升高,岩石发生塑性变形的时间缩短;随着井下围压增大,岩石塑性变形时间延长;温度和围压共同作用时,围压的影响占主导作用,而温度的影响主要在高温条件下体现.研究结果表明,围压不利于微波破岩,且影响较大;温度对微波破岩有一定促进作用,但只在高温条件下作用明显.因此,应用微波进行破岩时要综合考虑温度和围压变化对破岩效果的影响,及时调整微波参数,使破岩更加经济高效.

微波破岩井下环境建模及多场耦合分析

当前微波破岩研究多为微观层面,基于理想谐振腔模型,这与实际石油钻井应用中的井下微波破岩情况有比较大的差别,已有的规律和认识很难直接指导实际应用。为此,以 Φ215.9 mm(8? in))空气微波钻井为载体,建立了微波破岩井下环境宏观模型,充分考虑井下环境因素影响,以电磁场-传热场-受力场多场耦合的方式模拟微波在岩石中的传播衰减、热量转化及对岩石的受力影响,使仿真的破岩效果更加接近真实情况。研究结果表明:在井下环境中,微波存在传播衰减和入射岩石表面时的反射损耗,造成微波能量无法全部作用于井底岩石,降低了微波的能量利用率;岩石强度弱化形式主要为受拉破坏,这种形式受到井底围压变化的影响很大;在微波钻井设计中,要充分考虑微波对岩石的作用效率及井底围压影响,适当调整微波照射参数,以实现更加经济高效的破岩。研究结果可为微波破岩技术应用于实际钻井工程提供理论依据。

基于PFC的微波辅助PDC齿破岩数值模拟

微波辅助机械破岩是近年来提出的一种破岩新方法,为探索该方法辅助PDC钻头破碎难钻地层的可行性,本文基于离散元软件PFC的黏结颗粒模型(BPM),建立了微波加热下PDC齿与岩石互作用模型,研究了不同微波照射条件对PDC齿切削破岩的影响。结果表明:在相同微波照射时间下,照射功率较低时,切削破岩模式以PDC齿的挤压刮切作用为主,随着功率的提升,岩石内部热裂纹逐渐增多,破坏模式转变为微波诱导热裂纹所主导的脆性块状破坏为主;微波损耗功率达到3.51 kW、照射90 s后,平均切削力和破岩比功分别较常规切削时降低56.77%和73.9%,微波损耗功率越大,照射时间越长,破岩效率越高;微波照射可减小切削力的波动幅度,使切削力的变化更平缓,有助于提高PDC齿的工作寿命。

石灰岩微波致裂规律研究

为探求微波激励对坚硬石灰岩力学特性与致裂效果的影响,选取徐州地区典型石灰岩进行微波处理和单轴压缩试验,并建立二相岩模型开展数值试验,分析石灰岩的损伤程度随微波激励功率、时间的变化规律。结果表明:微波激励对石灰岩力学性质的改变包括在两成分的交界面由温度应力引起细小裂缝,此外,微波功率恒定时,两成分交界面的温度增长梯度、应力增长梯度均与处理时间呈负相关;压缩破岩的最佳微波激励功率和时间为3.0 kW/m^(3)的微波处理岩石10 min;随着载荷作用点距中轴线的距离增加,各激励功率下的断裂应力曲线不断收缩,不同激励功率的效率趋于一致;3.0 kW/m^(3)作为岩石受微波激励的裂缝增长关键功率节点,对岩样不同区域裂缝增长梯度影响显著。研究结果可为坚硬石灰岩致裂工作提供参考。

基于连续-离散方法的微波照射下花岗岩力学行为与破裂特征

微波辅助破岩具有绿色、低能耗等优点,是有望实现深部煤炭资源开发中硬岩地层高效掘进的技术手段,其机理引发了工程与学术界的关注。基于花岗岩组分矿物微波吸收升温差异,借助连续介质微波电磁分析及离散元力学模型,实现了微观矿物温度离散赋值,提出了微波照射下花岗岩力学性质的计算分析方法,从温度场分布、力学性质和破坏形态验证了方法的可靠性,揭示了微波照射下花岗岩破裂规律、单/三轴加载条件下的力学行为及破裂机制。计算结果表明:(1)微波照射下,试样出现2个相对低温区域和1个热点区域。在低照射功率(≤2 kW)情况下,试样内部裂纹数量极少;高照射功率(≥3 kW)下,试样内部裂纹以晶粒边界拉伸破坏为主导逐渐发育,并以热点区域为中心向四周延拓形成裂纹网络。(2)对于单轴压缩,试样峰值应力、弹性模量和损伤阈值均随照射功率增加而降低,在高照射功率(≥3 kW)下,力学参数跌落更加明显;当照射功率较高(≥3 kW)时,微波照射后初始裂纹主导了受载试样的裂纹演化,试样呈现沿初始裂纹扩展趋势并出现显著的局部破坏。(3)对于三轴压缩,随照射功率增加,初始围压对试样强度提升效果越发强烈;低照射功率(≤2 kW)下,弹性模量随围压变化不明显,高照射功率(≥3 kW)下,初始围压对弹性模量的提升格外显著;随照射功率增加,围压促进了破碎颗粒的继续承载及应力传递,试样破坏由晶间破坏主导向晶内破坏主导转变,进而引发裂纹网络充分发育,抑制了高功率(≥3 kW)照射产生的局部结构集中破坏。

微波照射下岩石的升温与破碎特性研究

为论证微波辅助破岩过程中岩石的升温破碎理论,选取玄武岩作为岩石试样,对不同微波功率和照射时间下的岩石试样进行了5组微波照射试验,获得了岩石表面的温度分布和破碎状态。利用COMSOL多物理场建模软件进行仿真模拟,研究岩石内部的电场和温度场分布,揭示岩石的破碎机制。试验结果表明,随着微波发射功率和照射时间的增加,岩石表面的温度、破碎面积、破碎点深度、裂缝数量和裂缝长度均有所增加。模拟结果表明,微波由喇叭天线传递至岩石上表面时电场强度急剧降低,岩石内部电场强度整体呈倒锥形分布;微波照射下的岩石破碎损伤主要与电场强度有关,电场强度的强弱导致不同部位能量密度分布不均匀,进而引起温度梯度变化,产生不同的热膨胀,导致破碎损伤的发生。岩石的破碎损伤演化分为3个阶段,根据岩石试样升温过程进行数学模型回归分析发现,微波发射功率对温度特性的影响更为显著,当微波照射功率为26.645 kW时,微波能在极短的时间内使岩石达到破碎损伤状态,照射效果最佳。

矿山建设中现代破岩方法综述

随着我国资源开发逐步进入深部开采阶段,深部高硬度岩(矿)石对目前地下工程中岩石破碎提出了新的挑战,各类新型破岩手段应运而生。高压水射流破岩、微波破岩以及液氮低温破岩作为三种热门新型破岩方法已被广泛研究,三种破岩方法的发展历程、工作原理以及适用场景各不相同,但是均具有广阔发展前景。在未来深部坚硬岩石地层环境中,相关研究成果以及理论方法可以为安全、高效、经济及绿色的资源开发提供一定理论基础与技术支撑。

微波加热技术对隧道开挖过程中的硬岩破碎影响研究

针对以往微波辅助破岩的不足之处,使用铜箔将页岩进行包裹,然后对处理过后的页岩进行不同时间的微波照射试验、单轴压缩试验,分析并比较微波作用下不同时间的试件裂纹、强度和弹性模量变化。结果表明,微波对岩石的劣化作用与微波照射时间呈正比,但其作用效果将会逐渐下降;在相同微波照射情况下,与未使用铜箔包裹的试件相比,使用铜箔包裹的试件并不会直接发生破坏,而会保留一定的强度;微波对岩石的劣化作用随着微波作用深度逐级递减。研究成果可为试验研究和工程中微波辅助破碎硬岩的应用提供参考作用。

基于颗粒流模型微波辅助破岩过程数值模拟

微波辅助破岩是一种新型的破岩技术,通过微波加热预先在岩石内部产生微裂纹,然后联合其它破岩手段,可以有效提高破岩效率。以吸波的方铅矿和透波的方解石组成的岩石颗粒为研究对象,采用颗粒流程序建立了细观数值模型,对微波照射下的岩石颗粒细观物理力学应进行了模拟分析,揭示了不同微波照射条件下岩石内部温度分布与演化以及微裂纹的产生与发展的规律。研究结果表明:微波照射下,方铅矿温度明显高于方解石,岩石温度呈不均匀分布,不同矿物之间存在温差;微波照射可以使岩石在时间很短及温度较低的情况下产生微裂纹;微裂纹主要由方铅矿的热膨胀引起,微裂纹以拉伸裂纹为主,极少部分为剪切裂纹。岩石内部微裂纹的分布形态主要取决于方铅矿在岩石中的分布;微波照射时,裂纹首先产生于方铅矿周围,继而向周边的方解石内扩展,相互连通后导致岩石破裂;在消耗能量相同的情况下,微波功率越高,需要微波照射时间越短,岩石内部温差越大,产生的裂纹数量越多,破岩的效率更高。

微波照射路径对辅助破岩效果的影响研究

从能量输入大小和快慢的角度来看,微波照射功率对微波辅助破岩效果有着显著影响。本文采用功率“先低后高”和“先高后低”两种微波照射方式,基于微波照射功率和时长,设计不同的微波照射路径,以COMSOL多物理场耦合软件为分析平台,选择伟晶岩试样为研究对象,研究在一定能量输入条件下,不同微波照射路径对微波辅助破岩效果的影响。研究表明:微波照射伟晶岩试样产生的塑性区面积最大的矿物是绿泥石,其次是斜长石和正长石;在伟晶岩试样中,采用“先低后高”的照射方式比“先高后低”的照射方式能产生更高的温度、应力以及更大的塑性区面积,破岩效果更好。

岩石介电特性及微波加热升温规律分析

微波辅助TBM破岩是一种非常有潜力的提高硬岩隧道破岩效率的新型破岩技术。为研究常温和高温条件下岩石对微波的吸收能力,采用同轴传输/反射法测试原理设计了一套变温岩石介电特性测试系统,采用该系统对隧道施工中玄武岩、砂岩和花岗岩3种常见岩石进行了实验。结果表明:该系统能够准确地测量变温条件下岩石的介电特性,工业频率对岩石介电特性参数的影响不大,温度对岩石介电特性参数有一定的影响;常温和变温条件下,3种岩石介电常数虚部ε″和损耗正切tanθ的关系均为玄武岩>砂岩>花岗岩,3种岩石微波加热的升温规律和介电特性的规律保持一致;对岩石进行介电特性测试和升温规律分析,提前预判岩石对微波的吸收能力,可选择性地对具有良好微波破岩效果的隧道实行微波辅助机械破岩。

微波辅助机械破岩试验和理论研究进展

微波辅助机械破岩是微波加热技术和机械破岩技术相结合的一种混合型破岩方法。岩石内不同矿物成分对微波能具有不同的吸收特性,各矿物不同的热膨胀产生的内应力使岩石内发生沿晶断裂和穿晶断裂,使试样产生损伤和微裂纹,这会引起岩石强度的降低。辐射功率和辐射时间是影响岩石力学特性的重要参数,一定功率的微波辐射处理后,试样的点荷载强度、单轴抗压强度和抗拉强度发生显著降低,微波功率越高,辐射时间越长,对试样强度的折减效果越明显。数值研究结果与试验研究结果基本一致,增加功率的同时降低辐射时间对试样强度折减具有更好的效果。岩石点荷载强度、单轴抗压强度和抗拉强度的降低能够显著提高机械破岩设备刀具的侵入率和刀具寿命,解决机械刀具的磨损问题。微波辅助机械破岩对钻孔、TBM掘进和实现金属矿矿岩连续开采都具有重要影响作用。

非爆破岩理论和技术发展与展望

地下资源开采及地下空间开发利用规模不断加大,促使非爆破岩技术得到了长足发展,并衍生出机械刀具破岩、水力破岩、微波破岩、热冲击破岩、膨胀破岩、联合破岩等技术。本文阐述了各类非爆破岩理论,并综述了各类非爆破岩技术的发展与应用进程。针对目前非爆破岩技术的发展瓶颈和面临的挑战,展望了非爆破岩理论与技术的发展方向。为满足深地战略重大需求,非爆破岩亟需完成理论突破、技术变革、设备升级,以实现复杂地质环境下坚硬岩石的安全、高效、经济、智能及绿色破碎。

微波技术辐射岩石实验探讨与成孔应用研究进展

微波辐射技术具有高效性、整体性以及无污染等优点,近年来已成为岩石破碎与成孔应用的热点方向。中外学者运用实验和数值模拟等手段对微波辅助破岩技术进行了广泛研究,并获得了一些有益规律。针对微波辐射岩石的现有研究成果,阐述了微波技术辐射岩石实验进展,明确了微波辐射设备的选型问题,探讨了1.4 kW微波功率条件下辐射玄武岩和石灰岩的实验现象,归纳了微波辐射岩石后裂纹的微观断裂形式及微波辐射裂纹扩展机理,总结了高能微波技术在岩石中成孔应用的进展,以期为高能微波成孔技术在设备及现场工业化应用配套设施研发、多场耦合作用机理、多因素条件评价机制和地下深部“三高一扰动”环境的适用性研究等方向推广应用提供借鉴与参考。

岩石破碎技术发展趋势

介绍了当今发展中的岩石破碎新方法、原理、水射流、微波等新技术的使用状况以及劈岩机在矿山得到进一步的发展情况。

微波照射下岩石损伤细观模拟分析

为了研究微波照射下岩石内部的损伤过程,以岩石颗粒为研究对象,岩石颗粒由吸波的黄铁矿和透波的方解石所组成,大小为1 mm×1 mm,采用有限差分法对微波照射下岩石颗粒的屈服分布及演化进行计算分析,计算考虑了微波照射时间和黄铁矿晶体大小的影响。研究结果表明:在微波照射下,岩石颗粒既有拉伸屈服也有剪切屈服,在照射过程中,岩石颗粒的屈服面积不超过总面积的5%,但随着照射时间的增长,可在岩石颗粒内部形成贯通的发散状屈服带,这将大幅的降低岩石颗粒的强度;在相同条件下,黄铁矿晶体的大小决定了岩石颗粒的屈服类型,晶体小以剪切屈服为主,晶体大的以拉伸屈服为主,晶体大的颗粒更易形成贯通的沿晶屈服带。

三角形矿物尖锐程度对微波照射岩石效果的影响

微波照射岩石损伤的过程十分复杂,岩石内部矿物形状的尖锐程度差异会对微波照射岩石的损伤效果产生影响,本文以岩石中广泛存在的三角形矿物为研究对象,针对5种含不同尖锐程度三角形矿物的试样,采用COMSOL多物理场仿真分析软件,建立二维二元介质矿物模型,对微波照射后矿物试样的电磁场、温度场、应力场及塑性区发展过程进行分析研究。结果表明,试样的电磁场不随三角形矿物尖锐程度的改变而发生显著的变化,但其中心最高温度和温度梯度峰值随尖锐程度的降低而增大;随微波照射时间增加,越尖锐的三角形矿物试样第一主应力峰值越大,且第一主应力因形状尖锐程度不同而导致的差异逐渐增大;越尖锐的矿物试样塑性区发展面积越大,其形态特征差异随照射时间的增加愈加明显;微波照射尖锐程度较高的三角形矿物对岩石损伤的效果更好。

微波照射引起岩石裂纹开裂数值模拟研究

随着现代社会交通的发展,微波辅助机械开挖岩体隧道备受人们的关注。为研究微波照射引起岩石裂纹开裂情况,采用PFC2D进行数值模拟,结果表明,微波照射岩石裂纹首先发生在两种矿物交界处,不同矿物颗粒岩石晶体发生破裂所需微波能量不同,形状越不规则的颗粒越容易形成裂纹。

微波照射下矿物升温特性与岩石弱化效果研究综述

随着经济的快速发展,工程领域面对坚硬岩石的情况越来越多,传统机械开挖方式的效率和经济性难以保障,而微波辅助破岩具有较好的工程应用前景。岩石是由不同矿物组成的,不同矿物对微波的敏感程度不同,其敏感程度与矿物的族类、晶型和铁元素含量有关。当岩石处于微波场中时,不同敏感性矿物间的差异性膨胀能够在矿物边界和内部产生热应力,从而有效弱化岩石。影响岩石弱化效果的主要因素可分为微波条件和岩石条件两大类。一般而言,岩石强度随着微波功率与照射时间的增加而降低;相同能量条件下,高功率短时间的微波照射能够产生更好的弱化效果。岩石所含矿物的微波敏感性越高,敏感矿物的颗粒尺寸越大,及含量适当时,微波照射岩石的弱化效果越好;含水状态的岩石受到微波照射后,能够比干燥状态产生更大的损伤。微波的热效应有时还会使岩石中的矿物发生较大的物理或化学变化,进而对其升温特性及弱化效果产生影响。面照射试验表明微波能使大尺寸岩样在照射区域产生放射状裂纹,从而有效降低岩石强度,提高破岩效率。

微波照射下火成岩升温特性和升温预测模型研究

微波辅助破岩可有效降低刀具磨损,提高破岩效率,具有广阔的发展前景。文章选取了10种火成岩进行微波加热试验,发现岩石的升温速率主要与岩石所含矿物的种类、含量,及岩石中的Fe元素含量有关。岩石所含矿物越敏感、含量越多,岩石中的Fe元素含量越大时,其升温速率越高。整体而言,火成岩中基性岩的升温速率最高、中性岩次之、酸性岩最低,该现象与火成岩的矿物和元素组成规律有关。在试验研究的基础上,文章提出了岩石升温预测模型。该模型除考虑了矿物种类和含量的影响外,还考虑了与升温有关的比例修正系数和结构修正系数。在升温预测模型中,敏感矿物升温的比例修正系数大于1,且随含量的增加而降低,最终趋向于1;非敏感矿物升温的比例修正系数小于1,且随含量的增加而增加,最终也趋向于1。同等条件下,块体的升温速率是粉末的2~3倍,且基性岩升温的结构修正系数大于中性岩和酸性岩。