微波技术辐射岩石实验探讨与成孔应用研究进展

陈登红， 袁永强， 汤允迎

(1.安徽理工大学矿业工程学院， 淮南 232001； 2.中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所， 合肥 230031)

在地下空间利用及资源开发过程中，利用与开采深度愈渐增加，在面对强度与耐磨性高的坚硬岩石时，如何快速经济地破碎岩体，并保证围岩的稳定性，是实际工程中普遍关注的热点问题。当前，中外许多研究人员在油气钻孔领域提出了一些新型破岩方法，如高压液氮射流法[1]、二氧化碳相变致裂技术[2]和高能激光照射法[3]等，而上述方法对较大尺度的硬岩破裂工程无法得到满足，需引入一种能实现大尺度岩石破裂与成孔的新型辅助破岩技术。微波在工业领域已被广泛应用[4-7]，而岩石中的部分矿物对微波具有吸收率高、兼容性好等特点[8-10]，因此，微波技术的不断优化为地下矿石资源中的破裂与成孔技术改革提供了可能。针对中外低能微波破岩相关研究成果，现系统归纳分析微波技术辐射岩石实验进展、微波对岩石裂纹扩展的影响及微波成孔应用研究，并指出现有低能微波破岩实验研究和未来高能微波成孔技术的发展趋势。

1 微波技术辐射岩石实验进展

1.1 微波辐射设备

一般微波设备由单模或多模微波腔体、微波发生器和磁控管组成，微波设备对腔体材料和各装置的吸波、反波以及透波特性要求较高。要研究微波与不同类型、不同尺寸岩石之间的相互作用，首先要掌握不同微波设备关键参数和工作运行特征。随着现代工业微波技术的不断发展进步，室内试验中低能微波设备的种类和功能逐渐多样化。表1所示为近年来代表性的微波辐射岩石实验中所选择的低能微波设备及岩石参数。在进行微波辐射破岩实验前后需要用其他仪器来分析相应的各项参数指标，低能微波破岩实验前后相关仪器及实验流程如图1所示。

目前实验中所采用的微波设备主要由微波频率为2.45 GHz的单模或多模谐振腔构成的工业微波炉和大功率微波加热系统为主，由表1可知，实验中所选择的岩石岩性和尺寸各不相同，且实验过程中配合不同微波参数设计了多组正交方案。对于不同类型的岩石，都有一组最佳的微波参数使其破岩或熔融成孔效率达到最优，实验中以更高的微波能量去破岩时岩石由固态变到热熔和汽化状态，并在微波设备照射过的岩石区域形成气-液-固三相混合物，同时由于岩石物态改变，大量的微波能量被反射和散射，从而造成一定微波能量的损失，因此，微波功率、照射时间和照射距离是微波高效率低能耗破岩的三个关键参数。

表1 近年来代表性微波设备及岩石参数Table 1 Representative microwave equipment and rock parameters in recent years

图1 低能微波破岩实验前后相关仪器及实验流程Fig.1 Relevant instruments and experimental process before and after low energy microwave rock breaking experiment

近年来，微波技术辐射岩石实验研究成果丰硕，但是，实验设备多采用相同原理的四周型微波设备为主，很少从破岩的实际工程环境出发，所采用的微波设备难以实现在有围压与大尺寸范围时对岩石所对微波发生器正面进行微波能量垂直输入。因此，对于微波设备进行更深层次的探究与研制时要综合考虑实验的真实性、稳定性以及实验过程中的高能量损耗与微波反射问题，从而为不同环境以及不同岩性和尺寸的岩石，设计并优选出更为适合的大型高效高能微波设备。

1.2 微波辐射实验研究

在不同微波功率与照射时间下，Hassani 等[11]得到当功率为5 kW时实验中的玄武岩试件照射20 s相比照射10 s岩石的抗拉强度从12 M/Pa下降到8 M/Pa。Lu等[12-13]得出当功率为3 kW照射时间分别为5、10、15 min时该实验中边长20 cm的立方岩石纵波波速，较照射前分别下降了2.2%、6.0%、8.4%。在不同微波功率或照射时间为定量时，Kingman等[14]在微波功率为15 kW的多模腔体微波设备照射下，矿石试样仅照射1 s点荷载强度就下降了55%。高峰等[15]、朱要亮等[16]、卢高明等[17]在实验室利用热电偶温度传感器和红外热成像仪等设备在实验研究的现场监测下及在微波加热岩石的数值研究中都发现，不同规格(Φ50 mm×25 cm、Φ50 mm×100 mm)、不同类型岩石(玄武岩、花岗岩等)、不同环境与加热路径下都出现岩石内部高于表面温度以及表面温度呈区域性分布和岩石部分区域熔融现象且具有中心温度高于侧向表面的分布状态。

可以说，改变实验中的微波参数对微波辐射实验后岩石的力学强度[11-14,18-19,25-27]、波速[21-23]和升温特性[15-16,20,24]影响明显，然而，研究的岩石尺寸全部为标准岩石试件大小，忽略了岩石破裂过程中尺寸大小对能量的减弱，且现有岩石矿物成分和含水率对微波破岩的影响研究对象较为单一[28-30]。因此，需要进一步扩充研究主体，建立针对不同区域、不同埋藏深度、不同尺寸岩石的多因素模型，在难以改变岩石原始矿物组成和地质工程条件时，有必要结合不同尺寸岩石的破裂过程，在未来深入研究考虑高能微波能量作用过程与尺寸之间的关系。

2 1.4 kW微波功率辐射岩石实验探讨

2.1 实验试样

在前人学者实验研究的基础上，利用CY-MU1000C-L型微波马弗炉对尺寸为Φ50 mm×100 mm的圆柱状岩石试件进行功率1.4 kW的微波辐射试验，实验中所用的岩石为河北平山玄武岩和河北井陉石灰岩，玄武岩试件的平均密度为3.02 g/cm3，初始平均波速为6.03 km/s，石灰岩试件的平均密度为2.71 g/cm3，初始平均波速为6.13 km/s，微波辐射实验前对两类岩石的粉末样本进行X射线衍射(XRD)测试，发现两类岩石中都含有强吸波矿物辉石，表明河北平山玄武岩和河北井陉石灰岩与微波反应较好。

2.2 微波辐射玄武岩

玄武岩试样在微波辐射309 s时，能够明显听到崩开破碎的试样撞击微波腔体的声音，此时红外热探头记录试样表面的温度为201 ℃，之后立即关闭微波源，将玄武岩试样从马弗炉腔体中取出，破裂的试样如图2所示。玄武岩中的造岩矿物辉石吸收微波后，岩石温度大幅上升并产生较强的热膨胀作用，使岩石在内部产生热破裂，甚至使岩石崩开破碎。

图2 玄武岩破裂状态Fig.2 Basalt fracture state

2.3 微波辐射石灰岩

将石灰岩在微波马弗炉中连续辐射14 min，期间利用微波马弗炉侧部安装的红外热探头连续记录试样曲面的温度变化。图3为石灰岩温度变化曲线及辐射后石灰岩破裂状态。从图3可知石灰岩表面温度变化曲线在上升中出现三个明显的温度下降点，分别是Ⅰ点370 s温度由328 ℃降为325 ℃； Ⅱ点570 s温度由422 ℃降为415 ℃；Ⅲ点600 s温度由427 ℃降为422 ℃。与玄武岩一样在辐射过程中石灰岩发出响声，但因辐射时间比玄武岩长，在整个辐射石灰岩实验过程中明显听到三次闷响，出现响声的时间点与温度下降的时间点完全重合。

图3 石灰岩温度变化曲线及破裂状态Fig.3 Limestone temperature variation curve and fracture state

结合石灰岩在微波马弗炉腔体中的初始与结束位置不同，分析温度曲线出现三个下降点的原因为，三次闷响都为石灰岩破裂的声音，石灰岩在破裂的同时，内部应力集中释放，且石灰岩试件为圆柱体，在腔体内受力后自由移动，石灰岩移动后固定在侧部的红外热探头将会重新记录新的监测点的温度，而由文献[15-17]可知，微波辐射岩石时表面温度呈区域性分布，因此，在每次闷响后温度会有一定下降之后重新升高。图3中标出了石灰岩发生三次破裂的位置及顺序，并且从岩石照片的裂缝中可以清晰看到岩石内部呈岩浆色，进一步证明了，在微波辐射时岩石内部高于表面温度以及区域熔融现象。

3 微波辐射对岩石裂纹扩展的研究

3.1 岩石裂纹宏微观扩展现象

研究微波对岩石裂纹扩展的影响，就是探究岩石在微波照射作用下发生微观构造反应的程度，从而揭示微波破岩的机理。研究人员在不同路径下对试样进行微波辐射处理，之后采用对比试验方法对微波辐射实验进行分析与研究。

胡国忠等[28，31]发现微波辐射后的煤岩体表面和内部出现原生裂隙扩展、微裂隙数量增加等现象，微波照射使煤岩体产生的裂纹弱化了之前积聚的能量。李元辉等[32]利用超景深显微镜观察微观裂纹情况，发现在微波照射后试样内部的裂纹以沿晶、穿晶断裂为主。戴俊等[33-36]采用扫描电镜的方式对比了花岗岩、大理岩和砂岩在微波照射后的微观裂纹类型，得出三种不同的岩石内部晶体断裂形式不同的结论。取2.2节中玄武岩标准试件在1.4 kW微波功率辐射309 s后断口处的岩样做电镜扫描，如图4所示。图4中的裂纹进一步验证了上述文献[28-36]所提出的断裂结论。

图4 玄武岩断口SEM图Fig.4 SEM of basalt fracture

总结得到，微波照射后岩石内部微观裂纹的发展意味着岩石整体材料状态发生改变，从而导致岩石波速、强度等也发生变化，并且，岩石内部的裂纹扩展可以有效预测岩石强度折减规律，因此，研究微波照射下岩石裂纹扩展规律对工程实践具有重要意义。目前，仪器检测是微波作用后验证岩石发生宏微观变化的必要手段，虽然一些先进的检测分析仪器如扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、薄片分析、CT扫描等被运用到微波照射实验中用以观察破坏岩石的微观结构岩石，但是微波如何动态影响岩石内部的微观结构及成分，以及耦合多相态和多物理场时微波照射岩石的微、宏观变化对应过程等都有待继续深入研究。

3.2 微波辐射裂纹扩展机理

利用高功率微波持续加热含有吸波矿物的岩石，可以使岩石在较短时间由内向外裂开，从而减少岩石破裂所需能量。尽管现有微波辐射岩石实验研究结果表明，微波辐射可以使岩石强度折减，提高整体岩石破碎效率，但由于相应微波辐射裂纹扩展机理研究的缺乏，使微波破岩中能量节省及效率提高很难准确判断。一些学者通过数值模拟和理论计算的方法揭示了微波辐射弱化岩石的机理。在数值模拟方面是通过建立两相矿物岩石模型，即在原本基质中加入一种强微波吸收矿物基粒，朱要亮等[37]、秦立科等[38]、胡亮等[39]采用不同的数值模拟软件以黄铁矿、方铅矿、方解石为研究对象，探究了微波条件下不同矿物模型温度与内部应力变化及分布规律，研究结果表明，微波照射后两种矿物之间存在热膨胀引起并以拉伸裂纹为主的微裂纹；Peinsitt等[40]模拟试验表明，对于匀质岩石材料，采用一个吸波而另一个不吸波理想化岩石模型效果不理想；李勇等[41]利用ANASYS模拟软件对玄武岩经微波照射后的温度与应力进行了模拟；唐阳等[42]采用PFC软件讨论了施加不同微波参数下岩石力学性能的改变；Toif等[43-44]利用建立的三维模型模拟了由两组以及三组矿物组成的岩石经微波辐射后的温度与应力分布情况；Qin等[45]还研究了不同形状矿石颗粒对微裂纹的生长分布的影响，研究结果表明，矿物形态对微裂纹生长规律无影响只对数量有一定影响；Hartlieb[46]由玄武岩数值模型得到圆柱模型的温度内部大于表面，从而认为岩样整体温度梯度和试样集合形状决定微波辐射后裂纹扩展；Ali等[47]从模型赋值应力的角度，定义了微波辐射时数值模型内部裂纹产生的条件和微裂纹数量；Zheng等[48]利用微波辐射岩石后P波波速的下降，定义了岩石内部的裂纹密度。此外，袁媛等[49]还在理论方面，推导了在微波辐照下均匀脆性岩石内部初始微裂纹的临界扩展条件。

可以看出，微波辐射后岩石裂纹的已有研究主要集中在裂纹数量、分布规律、分布形态方面。而研究时没有考虑天然岩石中存在的初始裂纹对新生裂纹扩展发育的影响，因此，深入探究微波辐射导致的岩石裂纹扩展发育机制时，需建立均匀与非均匀的岩石模型，研究包括原始裂纹、热断裂、损伤在内的裂纹扩展所需的微波能量临界条件，为微波破岩技术在工程实践中的应用提供理论依据。

4 微波成孔应用研究

机械破岩中传统钻头尽管能够满足大部分的岩土工程施工要求，但在面对坚硬岩层时，由于钻头磨损严重，导致成本和周期增加，并且其在工作过程中会产生较大噪音及产生粉尘堆积等问题从而不利于环境保护。经过上文分析，微波照射岩石后岩石的部分区域产生高温最后成为熔融状态或者直接被汽化，因此，可以将微波应用到钻孔技术中，使其成为高效快速可控且不产生粉尘与噪音污染的新型岩石成孔技术，如图5所示。

近年来随着高功率微波源技术的发展，目前已经生产出功率数百千瓦甚至兆瓦量级的电真空管，转换效率可超50%，因此利用高功率微波能量熔穿岩石逐渐具备了技术条件，同时微波可以利用波导管进行高效传输[50-55]。Jerby等[56-57]开展了C波段高功率微波在混凝土、陶瓷、玻璃等多种材质上的钻孔实验，并且最后在混凝土表面利用研制的机械辅助微波钻孔设备成功实现了深26 mm、直径12 mm的钻孔。美国麻省理工学院(MIT)等离子体科学和聚变中心相关专家于2008年率先启动了相关实验研究，并且，在2014年其利用28 GHz/10 kW实验平台开展了较为完整的毫米波钻探实验[58]。图6所示为MIT利用微波能在玄武岩上把原有直径12.7 mm的孔熔化扩大至50 mm的情况[58]。

图5 微波成孔技术原理示意图[6]Fig.5 Schematic diagram of microwave drilling technology[6]

图6 利用微波能熔化扩大孔径情况[58]Fig.6 Using microwave energy to melt and enlarge aperture[58]

中国科学院等离子物理研究所汤允迎课题组成功研制了国内首套兆瓦级高功率毫米波稳态实验系统[59-60]，并在此基础上搭建了高功率长脉冲微波成孔测试平台，研究高功率微波成孔机理。图7所示为高功率毫米波测试平台。

图7 高功率毫米波测试平台[59-60]Fig.7 High power millimeter wave test platform[59-60]

综上所述，目前对高能微波成孔的研究已取得了一些有益的成果，但针对不同性质与不同深部围压下的岩石材料，需要确定具体的高功率微波参数，使微波作用后产生的最高温度能熔融直至汽化岩石，从而避免过度微波输入造成能量浪费。目前，高能微波在现场测试及发射导波末端器件的降温保护技术，还处于摸索探寻阶段。因此，如何突破高能微波破岩/成孔的核心基础科学问题，形成高能微波破岩甚至高效成孔适用性的系统研究，是实现该技术在深部巷硐坚硬岩层成孔应用的关键前提。随着研究的深入，该方法有望成为将来解决坚硬岩石条件下机械破岩/成孔施工困难的有效手段之一。

5 研究展望

微波破岩在微波参数和岩石物理特性等多因素条件影响下，基于微波变换的电磁场和岩石相变传热的温度场，岩石的物理力学性能在宏观和微观两方面进行改变，从而产生破碎、熔融等破岩过程。与传统破岩工艺相比，微波破岩的优点有很多，一方面提高微波能量可在极短时间内致裂与熔融岩石，可适用于高强度的坚硬岩石；另一方面其设备在破岩过程中不需其他机械构件和器材，且工序简单，可节约破岩成本和节省破岩时间；最后相比机械钻头在硬岩磨损后的更换频率，微波设备的使用寿命更长。尽管如此，目前微波破岩技术仍然处于理论探究和实验室探索阶段，在实验条件下研究的岩石尺寸和微波参数偏小，与工程实际高围压破岩存在一定不符，微波配套设备及高能转换技术仍在成型与发展阶段。

展望未来，为了继续探究微波破岩与成孔机理，提高效率、优化方法，仍需进一步开展以下深入研究工作。

(1)微波设备的改进，不采用发射装置固定的内部四周辐射设备，而以实际应用以及转变灵活的垂直发射辐射装置为主。

(2)改选深部工程中实际赋存的岩石，目前多数微波破岩实验所选的岩石为地表花岗岩玄武岩等，少有试验涉及地下工程施工中的深部硬岩，因此，未来可以研究微波对于深部带围压条件下硬岩的损伤与热熔规律。

(3)地下深部隧道和煤矿岩巷掘进时会出现瓦斯涌出现象，所以，需要考虑微波对含瓦斯硬岩的破岩效果及是否存在安全威胁隐患问题。

(4)微波辐射大尺寸岩石熔融后流态场成分及周围物质改变及组成。

(5)现有研究以静力学为主，未来可以进行各种岩石微波辐射中动态力学性能方面的研究。

(6)在保证微波传输效率的前提下，创建高能高频的脉冲微波破岩技术的现场配套设施以便实现高能微波成孔的工业化应用。