高功率激光水平辐照花岗岩致裂成孔特性及成孔能效评价

针对当前硬岩隧道钻爆法施工钻孔速度慢、钻头损耗大的工程难题,使用高功率激光水平辐照硬岩快速成孔替代传统PDC钻头钻孔,开展高功率激光水平辐照花岗岩成孔的可行性试验,分析高功率激光水平辐照花岗岩的致裂成孔特性;通过单轴压缩试验、扫描电子显微镜(SEM-EDS)和X射线衍射仪(XRD)衍射试验分析激光作用前后岩石的力学性能和微观物相演变;综合对比激光射孔与PDC钻头钻孔的破岩速度和比能。研究结果表明:岩石表面在激光持续辐照后形成“类爆炸坑”,产生的熔融物在重力作用下堆积在孔底,吸收了孔底处大部分的激光能量,抑制了孔底岩石的热裂反应;岩石的纵向破坏受重力影响导致上下孔壁熔融物分布不均匀,随着激光持续辐照,岩孔中心将不断向下偏离光斑入射点;经功率为4.5 kW的激光水平辐照10 s后,岩样的单轴抗压强度从63.31 MPa降低至42.36 MPa,其原因是钠长石分解引起岩样中黑云母的质量分数增加;功率为4.5 kW激光射孔的破岩速度较PDC钻头钻孔的破岩速度提高95.03%,比能增加15.3%,证明了高功率激光水平辐照硬岩成孔的有效性。