新型高效岩石破碎技术分析

周兴平

摘  要：目前国内对煤矿、油气等地下矿产资源的需求量不断上升，资源随着不断地开采，地层浅部的矿产资逐渐枯竭，地下深层矿产资源的勘探、开发将成为我国未来科学研究的重点项目。本文鉴于当前破岩现状，着重讨论一些新型的高效破岩技术，如水力破岩、激光破岩、高速粒子冲击破岩等，通过对比分析等方法从岩石特性、破岩机理和发展前景等方面进行分析总结。

关键词：岩石破碎  旋冲钻井  高速粒子  机械破岩

中图分类号：TD231.6           文献标识码：A            文章编号：1674-098X（2021）04（c）-0036-03

Analysis of New High-Efficiency Rock Crushing Technology

ZHOU Xingping

（School of Mechanical Engineering， Heilongjiang University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang Province， 150022  China）

Abstract： At present， the domestic demand for underground mineral resources such as coal mine， oil and gas is increasing， and the shallow mineral resources are gradually exhausted with the continuous exploitation. The exploration and development of deep underground mineral resources will become the key project of scientific research in the future. In view of the current situation of rock breaking， this paper focuses on the discussion of some new efficient rock breaking technologies， such as hydraulic rock breaking， laser rock breaking， high-speed particle impact rock breaking and so on. Through comparative analysis and other methods， this paper analyzes and summarizes the rock characteristics， rock breaking mechanism and development prospects.

Key Words： Rock crushing; Rotary drilling; High speed particles; Mechanical rock breaking

1  水力破岩技术

1.1 高压水力脉冲破岩技术

在早期，SELFRAG公司最先将焦点集中于高压脉冲设备的研制，并将其应用在矿产资源的挖掘、其他行业硬性物质的破碎等方面。在国内，该技术大部分一直处于实验阶段。

高压水力脉冲破岩是基于液压脉冲空化射流原理而产生的，该技术在实施中需将绝缘液体引流到被破碎岩石的表面，放电电极与被破碎岩石触碰，并通过电极施加一定的高压脉冲，此时岩石会被电击穿，从而形成等离子通道，高压脉冲波的不断冲击致使岩石等离子通道受膨胀而产生裂隙，拓展面积不断加大，最终导致岩石破碎[1]。各项实验数据及生产实践表明，该项技术具有运行稳定、破碎效率高、对周围环境无污染等优势。

1.2 高压水射流辅助破岩技术

早在19世纪中期，国外科学家率先将水射流应用在非固结矿床的开采试验上。高压水射流技术主要被用来应用在矿产、石油钻井等领域，因其可以有效的避免矿井中的瓦斯爆炸，在煤矿开采中使用率更高。该技术的基本原理主要是依靠脉冲发生器所发射的高压水射流高速冲击到钻孔中，产生的瞬间高压能够迅速的破碎岩石。岩石的破碎进程可定义为岩石内部损伤的叠加，是剪應力和主应力共同作用的效果，高压水射流在到达岩体时会产生向四周扩散的半球面波，应力波传播时经过岩体裂缝发生波的反射和衍射，并在缝隙处叠加能量，当叠加的能量达到一定值时，岩石遭到破坏[2]。

高压水射流在辅助岩石破碎时会受到多方面的影响，包括矿井深部的高压强、岩石孔隙的压力、高速射流所造成的岩体破裂等。在当前，高压水射流辅助破岩技术能够较大地提高岩石破碎的效率，具有广阔的发展前景，其应用领域也在不断加大，但射流本身具有较大的复杂性，破岩过程形式多样，不宜把控，因而在许多方面需要进一步地改进与创新。

2  机械破岩技术

2.1 旋冲钻井破岩技术

旋冲钻井破岩装置主要由冲击装置和PDC钻头组成，两者通过螺杆配合，组成轴向冲击和高转速切削叠加的岩石破碎技术。该技术基本原理是钻井液经冲击装置中的水力震荡元件形成的脉冲射流通过螺杆对PDC钻头产生周期性的轴向冲击力，在冲击载荷辅助作用下，PDC钻头旋转产生的岩石破碎程度更加显著，同时降低了周围岩体的强度，提高岩石破碎效率[3]。

该项技术的破岩效果主要依靠它的冲击装置来体现，根据冲击装置的不同划分为气动式旋冲钻井技术和液动式旋冲钻井技术。

2.2 复合冲击破岩技术

复合冲击破岩技术根本原理就是将轴向的脉动冲击与扭转冲击破岩相结合，将冲击装置所具有的流体能量转换成轴向和扭向相交替的高频冲击能量，而轴向与扭向的冲击能对钻头产生不同的效应[4]。其中，轴向冲击能使钻头轴向破碎岩石的能量不断加大，而扭向冲击可通过钻杆的旋转将能量传给底部的钻头，在此效果下较大程度地提高了钻头的岩石破碎效率。

复合冲击破岩技术与常规旋转冲击破岩相比，岩石破碎程度更大，岩石碎块更多。随着冲击装置工作频率增加，岩石破碎效率相应提高。

3  高速粒子冲击破岩

粒子冲击破岩是一个连续不间断的进程，当高速粒子冲击到岩石外表后，首先会在冲击区域面内有缺陷的表面产生赫兹裂纹，紧随着粒子的不断冲击下，其岩石表面接触应力不断增加，同时在高压力作用下裂纹逐渐延伸，从而达到岩石破碎的效果[5]。对于给定很短的时间周期与很小的接触面积导致了巨大的接触应力，这种接触应力比常规钻头施加的压力要大得多。全断面隧道掘进机是目前铁道、水电交通矿山市政等硬岩隧洞施工中普遍应用的工程机械，主要是利用旋转刀盘上的滚刀挤压破岩实现隧道掘进的目的，其主要克服的是岩石的抗压强度，工程实践表明在岩石的单轴抗压强度在100MPa左右时，掘进机破岩效率相对尚可，但随着岩石强度的增加，破岩效率逐渐下降，滚刀异常磨损和更换频率增加，导致工期延长和施工成本的增加[6]。且在遇到地质不均或复杂地层时，掘进机主轴承和机械刀具都易发生损坏[7]。

与常规钻井破岩技术相比，高速粒子冲击破岩技术具备很强的破岩优势，大大地减少了能量的损耗，其破岩速度提高了2～4倍，可显著提高具有较高硬质、耐研磨性强的工作环境的机械钻速。该技术大幅度提高了经济效益，是深矿、硬地层井下破岩的新技术，具有较好的发展前景。但在地层深处高温、高围压的环境下对粒子射流冲击破岩产生较大的影响，很多地方仍然存在不足，需进一步对该技术进行研究与改进。

4  其他破岩方法

4.1 CO2液-气相变膨胀破岩技术

相变的定义为，当物质在外部条件如温度、磁场、压力等连续的变换之下，从一种相转变成另一种相。液态的CO2在外部条件下能够从液态转换成气态，发生液-气相变的现象，致使液态CO2体积发生膨胀，通过外部条件控制释放能量的大小、相变转换的时机，其瞬间膨胀所爆发的机械能做功，以此达到破碎岩石的需求。

该技术的基本原理是通过压力泵将液态的CO2压缩后输送到岩石破碎装置的膨胀管内，通过激活器的作用， 液态CO2在短时间相变，产生大量高压CO2气体，管内压强超过破裂片预设临界值，其破裂片破裂，高压气体从喷射孔向周围岩石孔壁喷出，形成冲击载荷[8]。与此同时，高压CO2气体会向岩石裂隙内渗入，使原有的裂隙进一步扩大，随着高压气体的不断膨胀，达到岩石破碎的目标。

对于该技术的发展，CO2液-气相变膨胀破岩技术应用比较普遍，但对其液-气相变机理的研究、钻井孔内应力场转化属性研究等存在一定的不足，市场上CO2液-气相变膨胀做功装置质量参差不齐，以成熟的技术手段应用到各类破碎行业中还需一定的时间，各方应客观的看待此项技术，鉴于不断实验的基础上应用到实践中，共同致力于该技术的完善与发展。

4.2 激光破岩技术

激光破岩技术作用机理是在钻井底部，通过发射激光钻头将激光束直接照射在岩石的外表，是一种非接觸式的破碎岩石方法。当激光束照射在岩石表面时，岩石会根据激光的强弱等级爆炸成碎片、熔融为液态，甚至高能激光会将岩石蒸发为气态，而岩石其他区域也因激光能量的传递发生不同空间范围内的温度差，加大岩石内部微观裂隙的形成及间隙的扩大，从而增大岩石破碎程度[8]。

激光破岩技术与传统炸药破岩技术相比具有安全而又低耗的特性，在石油钻采、隧道岩石破碎等方面得到相当高的关注，但在实际应用中，激光的远距离传输仍是一个相当大的局限性，井下岩石破碎产生的矿物分解、岩石碎块的重融等都会引起激光束能量的损耗。相信随着激光相关技术的不断进步，激光破岩技术定能真正走向大众舞台，大幅提高岩石破碎效率，降低企业生产成本。

4.3 高压液氮射流辅助破岩技术

在常压下，液氮温度为-196℃，在钻井破岩过程中，伴随采掘深度不断加深，在矿井下的空气及巷道周围岩体的温度不断升高，当两者接触过程中温差大，液氮会对岩石迸发剧烈的冷冲击作用，从而有效地降低岩体的抗拉、抗压强度。当岩石的温度越高，岩石经冷冲击后力学性能的弱化水平越强。在此基础上，岩石产生裂缝并迅速扩展，辅助以射流冲击从而达到岩石破碎的作用[9]。

高压液氮射流技术联合了液氮低温冷冲击与高速射流冲击的双重作用，可明显降低岩石的碎裂难度，大幅提升岩石的破碎效果[10]。液氮射流在提高深部硬地层的渗透率方面有着广阔的应用前景，尤其是深部干热岩地热井[11-13]。与此同时，氮气是惰性气体，使用无污染，制冷迅速，在其他制冷领域也有着较好的发展前景[14-15]。在实际钻井过程中，随钻井深度的一直加深，液氮的储存、输送都面临着一定的难题，该技术需进一步改进。

5  结语

当下，国内外对能源的需求不断增加，新型高效的钻井破岩技术的发展愈发重要。任何一种破碎方法都有它的优势与不足，传统破岩方法仍然有需要借鉴的地方。在破岩技术发展过程中，更多的是与传统机械破岩方式结合。在未来一段时间内，机械旋转钻进破岩技术以其较为完善的理论和实践，仍将在钻井破岩工作中起主导地位。相信随着科学研究不断向前，新型高效的破岩技术会摒弃传统钻井破岩技术的劣势，集能量损耗更少，钻井破岩效率更高，生产成本更低等优势于一体，为国家的发展做出更重要的贡献。

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