創(chuàng)新點

隨著資源開發(fā)向深部推進，傳統(tǒng)機械破巖技術在深部硬巖條件下面臨鉆進效率低、鉆頭磨損加劇等挑戰(zhàn)，激光輔助破巖作為一種高能量密度的無接觸破巖手段，為提升破巖效率提供了新的技術路徑。為此，團隊自主研發(fā)了激光致裂弱化硬巖試驗裝置，對典型硬質砂巖在激光照射下的表面熱響應演化過程展開研究，主要創(chuàng)新成果如下：

（1）獲得了激光照射下砂巖表面溫度場從“局部高能集聚”向“徑向梯度擴散”的時空演化規(guī)律，定量分析了砂巖表面溫升速率與溫度梯度的分區(qū)演變特征；

（2）揭示了激光作用參數(shù)與巖石動態(tài)熱物性對熱響應分區(qū)特征的影響機制，全面闡明了不同激光作用參數(shù)與熱物性參數(shù)對巖石表面熱量累積及熱響應區(qū)域演化特征的影響規(guī)律；

（3）實現(xiàn)了激光作用下砂巖溫度場的有效表征，通過引入砂巖動態(tài)熱物性參數(shù)，顯著提升了砂巖熱-固耦合模型的準確性，為深部硬巖激光輔助破巖的工藝參數(shù)優(yōu)化提供了科學依據(jù)。

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聽論文

激光作用下砂巖表面熱響應分區(qū)特征與溫度時空演化規(guī)律

作者：譚遠玲^1,2, 高明忠^1,2,3, 劉軍軍, 謝晶^1,2, 楊本高^1,2, 楊磊^1,2, 周雪敏

單位：1. 四川大學 深地工程智能建造與健康運維全國重點實驗室; 2. 四川大學 水利水電學院; 3. 深圳大學 廣東省深地科學與地熱能開發(fā)利用重點實驗室; 4. 中國電建集團 成都勘測設計研究院有限公司

引用格式：

譚遠玲，高明忠，劉軍軍，等. 激光作用下砂巖表面熱響應分區(qū)特征與溫度時空演化規(guī)律[J]. 綠色礦山，2026，4(1)：36?49.TAN Yuanling，GAO Mingzhong，LIU Junjun，et al. Thermal-response zonation and spatiotemporal evolution of surface temperature in sandstone under laser irradiation[J]. Journal of Green Mine，2026，4(1)：36?49.

摘要

淺部易開采礦產(chǎn)資源正逐漸枯竭，礦山開發(fā)向深部延伸已成為必然趨勢。傳統(tǒng)機械破巖技術在深部高圍壓硬巖條件下往往面臨著鉆進效率降低、鉆頭磨損加劇和環(huán)境污染等問題。激光破巖技術憑借其高能量密度、高作用效率以及可實現(xiàn)遠距離無接觸破巖等顯著優(yōu)勢，在深部破巖中具有廣闊的應用前景。以我國西部深埋典型硬質砂巖為研究對象，采用自主研發(fā)激光致裂弱化硬巖實驗裝置聯(lián)合有限元數(shù)值分析方法，系統(tǒng)討論了激光作用下砂巖表面熱響應的分區(qū)特征與溫度場時空演化規(guī)律。研究結果表明：激光作用下砂巖上表面溫度場呈現(xiàn)出典型高斯分布特征，砂巖表面溫度會隨激光照射時間的增加而呈整體上升且逐漸均勻趨勢；激光功率是影響巖石熱響應的重要因素，激光功率的提升會導致巖石溫升速率和溫度梯度的不斷上升；光斑直徑的增大則會導致激光束能量均布化，熱影響范圍變大，但中心區(qū)域能量聚集效應減弱；巖石熱導率的增加擴大了激光熱影響區(qū)范圍，但使得溫度水平整體呈下降趨勢；比熱容的增加和吸光率的減少使激光熱影響區(qū)范圍減小且溫度水平呈下降趨勢。研究成果系統(tǒng)揭示了激光作用下砂巖熱響應分區(qū)特征以及溫度場的演化規(guī)律，為深部硬巖激光破碎機制的定量化認識提供了可靠依據(jù)，也為深地激光破巖理論研究與激光破巖實際工程的參數(shù)選擇提供參考。

引言

隨著全球能源開發(fā)逐步向深部及復雜地質環(huán)境拓展，深部開采環(huán)境普遍呈現(xiàn)出高地應力、高地溫、高滲透壓等典型特征，在此類環(huán)境中，巖體原生裂隙逐漸閉合，裂紋萌生與擴展過程受到明顯抑制，導致巖石破壞機理由以劈裂破壞為主向磨削與壓碎破壞轉變，進而導致巖體對外部能量輸入的響應效率顯著降低，這也就使得傳統(tǒng)機械破巖技術在高圍壓硬巖條件下的適應性顯著下降，表現(xiàn)為鉆進效率降低、鉆頭磨損加劇以及能耗水平持續(xù)升高等問題。與此同時，高圍壓條件下機械破巖過程中的應力集中與摩擦作用進一步加劇，使刀具與巖體之間的接觸磨損占主導地位，進而引發(fā)粉塵、振動和熱積累等不利效應，這些問題在深部環(huán)境中相互耦合，制約了深地資源的高效開發(fā)。相比之下，激光破巖技術通過高能量密度激光束在巖體局部區(qū)域實現(xiàn)瞬態(tài)升溫與熱致?lián)p傷，其作用過程不依賴機械載荷和裂紋張開，對高圍壓環(huán)境具有較強適應性，同時激光能量輸入具有高度可控和空間作用精確等特點，有利于實現(xiàn)對巖體的定向弱化與局部破壞，在復雜深部工況下展現(xiàn)出更高的工程可控性與應用潛力，被認為是實現(xiàn)深地資源高效開采與極端環(huán)境鉆進的重要潛在途徑。

激光破巖的基本原理在于：高能激光束照射巖石表面后，其能量被吸收并迅速轉化為熱能，引起巖石局部溫度急劇升高。由于巖石內部溫度場分布不均以及熱應力的產(chǎn)生與積累，微裂紋逐步萌生并擴展，最終導致巖石結構失穩(wěn)與破碎。激光與巖石的相互作用過程極為復雜，涉及熱傳導、熱裂解、礦物相變以及熱–力耦合損傷等多種物理機制，許多學者在此方面開展了一些有價值的研究。LAX等將激光在固體中吸收引起的溫升的空間分布簡化為一維積分，并對其進行了數(shù)值計算,得到了最大溫升的表函數(shù)形式的閉合表達式。吳曉東等研究發(fā)現(xiàn)，巖心經(jīng)過高溫熱處理后,其滲透率、孔隙度等參數(shù)會發(fā)生較大的變化且這些變化存在一定的溫度界限，不同類型的巖心具有不同的溫度界限。易先中等結合傳熱學原理，構建了激光破巖的基礎物理模型，對巖石受激光輻射后溫度場的數(shù)學描述及其分布規(guī)律進行了研究。根據(jù)能量守恒定律，建立了熱傳導的基本方程，建立了激光打孔過程中溫度場的一般數(shù)學模型?？络娴雀鶕?jù)彈性力學基本理論，建立了激光破巖的溫度應力模型，得出激光與巖石作用時巖石內部裂縫形成的初始區(qū)域。張英聰?shù)壤肕atlab軟件數(shù)值模擬了連續(xù)激光輻照材料的溫升過程，表明材料的各向異性將導致溫度場的非對稱溫升，材料表面溫升隨激光功率和輻照時間的增大而增大。WANG等進行了連續(xù)波光纖激光在不同輻照功率下對石灰?guī)r的改性比能、力學性質和溫度場的實驗研究，發(fā)現(xiàn)隨著激光功率從600 W增加到1 000 W，比能量從17 kJ/cm非線性下降到11 kJ/cm，穿孔率從0.2 mm/s增加到0.65 mm/s。CHEN等對圓形激光和橢圓激光輻照砂巖進行了對比實驗，發(fā)現(xiàn)橢圓光束對巖石的照射具有較高的溫度和溫度梯度，并在此基礎上建立了橢圓激光輻照巖石的熱力學耦合模型。

綜合現(xiàn)有研究可以得出，激光照射所形成的高溫區(qū)域不僅顯著改變巖石的熱學與力學特性，還會誘發(fā)熱應力并促進微裂紋擴展，這也是實現(xiàn)激光致裂與破巖的基礎。激光加載參數(shù)、巖石自身的熱物性特征對溫度場的形成機制與演化行為均具有重要影響。然而，目前對于激光參數(shù)與巖石熱物性參數(shù)是如何影響砂巖溫度場演化的研究仍有待完善。因此，擬以我國西部深埋典型硬質砂巖為研究對象，采用激光致裂弱化硬巖實驗裝置聯(lián)合有限元數(shù)值分析方法，從砂巖試樣不同區(qū)域溫度、溫升速率及溫度梯度3個方面出發(fā)，綜合分析激光參數(shù)(照射時間、激光功率、光斑直徑)和巖石熱物性(熱導率、比熱容、吸光率)對砂巖熱響應分區(qū)特征及溫度時空演化特征的具體影響，為揭示激光–巖石相互作用機理、優(yōu)化激光破巖參數(shù)及提升破巖效率提供依據(jù)與參考。

部分圖片

圖1 砂巖試樣

圖2 室內激光照射砂巖實驗裝置及砂巖溫度監(jiān)測

圖3 砂巖傳熱關鍵參數(shù)測定結果^[23]

圖4 砂巖熱固耦合模型示意

圖5 仿真結果與實驗結果對比

圖6 砂巖試樣上表面分區(qū)示意

圖7 試樣表面溫度隨照射時間的演化規(guī)律

圖8 砂巖表面溫度變異系數(shù)

圖9 激光照射下砂巖表面熱響應分區(qū)特征

圖10 不同激光功率下砂巖試樣表面溫度特征

圖11 不同光斑直徑下砂巖試樣表面溫度特征

圖12 不同熱導率下砂巖熱固耦合模型溫度分布

圖13 熱導率對溫度分布的影響

圖14 不同比熱容下砂巖熱固耦合模型溫度分布

圖15 比熱容對溫度分布的影響

圖16 不同吸光率下砂巖熱固耦合模型溫度分布

圖17 吸光率對溫度分布的影響

第一作者

譚遠玲，四川大學水利水電學院碩士研究生，主要從事高能輔助破巖理論與實驗測試的相關研究。

通訊作者

高明忠，教授，博士生導師，國家自然科學基金委青年科學基金項目(A類)獲得者。

近年來主持國家自然科學基金青年科學基金A/B類、聯(lián)合集成、重點基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目、國家重大儀器研制項目課題等16項。發(fā)表SCI/EI檢索論文180余篇，授權/申請發(fā)明專利120余項，研究成果獲得教育部技術發(fā)明一等獎(第1)、何梁何利青年創(chuàng)新獎、中國煤炭工業(yè)科學技術特等獎(第1)、中國巖石力學與工程學會技術發(fā)明特等獎(第1)等省部級獎勵10余項。

團隊簡介

團隊主要從事深部原位巖石力學、高能輔助破巖理論與煤炭安全綠色開采等方面研究工作。

長期聚焦國家“三深”戰(zhàn)略，深耕深部資源安全高效科學開采的理論技術與裝備研發(fā)，構建了深部采動巖體原位應?-結構捕捉?法與重構技術，研制了深部煤層原位保壓保瓦斯取芯技術與裝備，形成了深部耦合致災區(qū)域原位識別原理與控制技術。

編輯丨李莎

審核丨常明然

煤炭科學研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業(yè)最大最權威的期刊集群。

期刊簡介

為深入貫徹習近平生態(tài)文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設領域高端學術交流平臺，2023年5月，經(jīng)國家新聞出版署批準，由中國煤炭科工集團主管、煤炭科學研究總院有限公司主辦的中文科技期刊——《綠色礦山》（Journal of Green Mine）應運而生?！毒G色礦山》為季刊，國內統(tǒng)一連續(xù)出版物號為：CN10-1912/TD，ISSN號：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負責策劃、出版、發(fā)行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環(huán)境保護、低碳技術及節(jié)能減排、數(shù)字礦業(yè)、綠色低碳經(jīng)濟政策與評價等。

期刊主頁

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投稿網(wǎng)址

https://lsks.cbpt.cnki.net/EditorAN/index.aspx?t=1

聯(lián)系：常明然

電話： 010-87986452

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