深部岩施破碎方法.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 收稿日期2005 - 05 - 27 基金项目国家自然科学基金重大项目50490272 ,50490274 ,国家自然科学基金项目10472134 作者简介周子龙1979 , 博士,主要从事岩土工程灾害与控制研究。 文章编号1003 - 5923200503 - 0063 - 03 深部岩石破碎方法 周子龙,李夕兵,刘希灵 中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙410083 摘 要深部开采给岩石破碎理论与方法赋予了新的使命和内涵,探索适合深部特殊环境的岩石破碎技 术对于安全、 高效回收深部资源有着重要意义。综观目前国内外各类破岩方法的基础上,针对深部岩石的特 点,指出了水介质破岩在深部开采中的优势,并分析了几种水介质破岩技术的现状和应用前景。 关键词深部;岩石破碎;水介质 中图分类号TD825 文献标识码B 1 引言 据不完全统计,目前国内外开采深度超过 1000 m的矿山就金属矿山而言已有100多座,并 以每年8～12 m的速度向下延伸。随着矿山进入 深部开采状态,“三高一扰动” 的灾害环境大大增添 了开采的难度与复杂性。如何低成本、 高效、 安全 地回采深部资源成了深部开采的关键,也是当前国 内外研究的焦点[1 - 4]。 矿产开采首当其冲的问题就是岩石破碎,传统 破岩方式是否仍适应深部特殊环境下岩石的开采, 新的破岩方法是否更适应于深部开采一系列新 问题都有待研究。 2 岩石破碎方法现状 社会的进步,科技的发展,推动着破岩技术不 断发展。破岩技术经历了一个简单、 低效到复杂、 高效、 安全的发展过程。从传统的机械冲击、 常规 爆破法发展到现在的水射流法、 电子束法、 激光法、 超声波法、 微波法、 等离子体法、 红外线法、 射弹法 以及静态破碎法在内的20余种方法[5 ,6]。 20世纪60年代末开始,美国国家科学基金会 发起了探寻高效破岩新方法的庞大研究计划,曾对 电子束、 激光、 水射流等25种破岩方法进行对比研 究。在中等强度的岩石上进行切割实验,得出高压 水射流、 激光、 电子束、 等离子体4种典型破岩方法 所消耗的能量范围分别为250～500、1000～2000、 3000～6000、50000～100000 J/ cm2,意味着高压水 射流法和激光法破岩最易于实现且效率最高。 当然,任何方法都有它的利弊,随着科技的进 步都有可能得到工业性的应用。传统爆破法曾与 机械冲击钻孔相结合在国内外矿山得到广泛应用, 但由于其不可控与环境负面影响大而越来越受到 人们的批评;水射流破岩方法得到飞速发展,目前 已得到普遍工业应用,其与机械刀具辅助使用也取 得了良好的应用效果;激光钻井法在20世纪70年 代刚提出时并不被认为是可用技术,但经过美国天 然气研究所不懈的努力,终于在砂页岩中实现了 137. 2m/ h的钻进速度,显示了其潜在的优势;微 波破岩因为微波技术的发展也被开发应用到岩石 破碎中来,美国矿山局研究发现微波辅助机械凿岩 可使岩石侵入率较纯机械凿岩提高约3倍;射弹破 岩以其损伤简便在二次破碎方面得到了应用;无声 破碎剂和等离子法更以其破碎扰动小、 无噪声、 无 飞石等特点在一些精确破碎领域得到很好应用[6]。 3 深部岩石特性 随着国内外矿山开采与油气开发的深部化,深 部岩石的力学特性与工程响应正得到广大研究者 的认识与研究[3 ,4]。其中有如下特性 3. 1 高应力、 高温、 高渗透水压埋藏环境 根据南非典型深井开采矿山的监测结果,在地 下4000 m左右,地应力水平可达100 MPa以上, 水压可达20～30 MPa ,地温则局部可达80℃ 甚至 更高。 岩石性质将随应力、 温度等因素的改变而改 变,在深部条件下,传统岩石力学及施工技术在深 部环境下部分或完全失效,在深部问题的研究上从 36矿山压力与顶板管理 2005.№3 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 实验到理论都刚起步。 3. 2 力学特性的复杂性 高应力下岩石力学特性问题,可借鉴岩石不同 围压下力学特性研究的成果。Parterson、Singh、 陈黄庭芳等,发现低围压下表现出脆性的岩石在高 围压下会表现出延性破坏。Malan、Basson、Kwon 等研究发现岩石在高应力下表现出明显的流变与 蠕变特性。这些对深井巷道大变形提供了很好的 解释,然而,金属矿山深部开采中的岩爆等岩石脆 断行为又使我们对已有的研究结果持怀疑态度图 1 ,抑或深部岩石有实验室条件无法想到或实现的 因素目前仍无统一定论。 图1 深部岩石脆延转变的复杂性 a深部岩石的蠕变大变形; b深部岩石的脆性岩爆 3. 3 扰动响应的突发性 深部岩石受扰动下并不像浅部岩石一样按一 定的规律渐进演化,而往往是一个突发的、 无前兆 的突变过程,同时伴随着强烈的能量释放。 就深部常见的岩爆而言,开采扰动下可使岩体 突然失稳,引发局部岩爆,并在数小时内大范围漫 延;同时岩块弹射速度也会随工程扰动的剧烈程度 成正比加强,有时可达10 m/ s ,实验室中各类模拟 实验也证实了这一点[7]。 4 深部破岩方法 水介质主导破岩 4. 1 水介质破岩的优势 鉴于深部岩石特点,综合分析岩石破碎的各类 方法,不难发现水介质破岩方法在深井环境中有着 独特的优势 固有的高压水头 在千米深井工作面,自然 水头压力可达数十兆帕,充分利用这种水力能量, 再借助适当的增压设备,则可实现足以破岩的水 压,这方面已有不少油气行业研究者进行了相关研 究,并取得了突破性的进展。 天然的降温剂 通过工作面水介质的循环, 可带走高温原岩所释放出来的大量热量,对降低工 作面温度有着积极的作用。 柔性撞击、 减小扰动 用水介质破岩如水射 流方法破岩,岩石在液滴的冲蚀作用下产生裂纹, 出现颗粒剥离。同时水体的楔入胀裂更进一步促 进了微裂纹的萌生、 扩展,加速了破岩效率。 4. 2 超高压射流与磨料射流[8 ,9] 水介质破岩的众多优势掀起了国内外各类射 流研究的热潮,并不断提高射流破岩效率,提高射 流压力和磨料射流是两个发展前景较好的方面。 20世纪70年代,国外便开始超高压钻井破岩 的研究,主要经历了地面全增压、 地面部分增压和 井下泵增压三个发展阶段。上世纪70年代初,美 国Maurer等人率先开展了超高压射流试验,曾利 用地面增压器把泥浆压力提高到70～110 MPa ,地 面水功率高达11000 kW;而后美国瑞德公司进行 了系列研究,于70年代末在井深3000 m实现了 138 MPa的工作泵压;1985年Flow Industries公 司投资1700万美元进行超高压专项研究,将泵压 提高到245 MPa。超高压技术大大提高了破岩效 率,然而它对系统设备的承压能力的要求也相应提 高,如何低成本地获得耐高压系统材料是关键。 磨料射流技术是在克服纯水射流切割仅适用 于软质材料及超高压成本问题而发展起来的另一 个分支,在世界上第一台纯水射流切割机1971 年问世后的1982年,美国首先设计制造了磨料水 射流切割机AWJC ,可用于玻璃、 岩石等几乎所 有的材料,随后英国及意大利等国也相继制造了磨 料水射流切割机,并逐渐应用于岩石破碎中。磨料 水射流利用硬质磨料与柔性水滴结合,刚柔相济, 侵蚀、 冲击被切割件,达到切凿、 破碎的效果。 4. 3 水射流辅助机械破岩[9] 水射流技术的兴起,使水射流与机械破岩方法 46 2005.№3 矿山压力与顶板管理 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 的结合成为可能,美国能源部与Alpine装备公司 达成的水射流辅助机割技术的合作协议是这一技 术研究的开端。在不断研制和改进各类PDC钻头 的同时,充分利用水射流技术的发展成果,使破岩 方法在继承中得到发展,实验与工程应用都表明这 种结合是有效的,并表明水射流辅助机械破岩,刀 具寿命可提高2～3倍,可减少粉尘量80 以上, 同时对于减少火花和降低刀头温度十分有利。 4. 4 激光辅助水射流破岩[10] 激光是60年代迅速发展起来的一项新兴技 术,在工业、 国防等领域日益得到应用。1997年 初,B. Richerzhagch博士领导的小组开展了一项 激光与水射流同时切割的实验研究,同时瑞士 Prejet Rreoison技术公司得到了这一新的加工技 术,从此激光辅助水射流切割工艺得到不断改进和 完善,并被引进到硬岩破碎中来。破岩过程中,激 光脉冲可在数ms时间里使几μm厚的岩层汽化, 产生的膨胀气体掺和水射流液滴冲击岩面,产生瞬 时高压,通过控制激光脉冲的交变频率,则可实现 每秒达上千次的拉压交变载荷,使岩石强度大幅下 降,大大增强水射流破岩效率。 5 结语 岩石破碎作为资源开采的重要部分,直接影响 着开采效率与采矿方法选择等一系列问题。深部 灾害环境又对岩石破碎方法提出了新的要求,在目 前大力开展深部岩体力学基础研究的同时进行岩 石破碎方法研究,寻找适合深部特殊环境的破岩方 法,不仅对认识深部岩石力学特性有积极作用,且 对高效、 安全回收深部资源有着重要意义。 参考文献 [1] 古德生.金属矿床深部开采中的科学问题[A].科学前沿与 未来[C].北京中国环境科学出版社,2002. 192 - 201. [2] 钱七虎.深部岩体工程响应的特征科学现象及 “深部” 的界定 [J ].东华理工学院学报,2004 ,271 1 - 5. [3] 何满潮.深部岩体力学研究进展[R].长沙中南大学资源与 安全工程学院,2004. [4] 李夕兵,古德生.深井坚硬矿岩开采中高应力的灾害控制与 碎裂诱变[A].科学前沿与未来[C].北京中国环境科学出 版社,2002. 101 - 108. [5] 吴立,张时忠,林峰.现代破岩方法综述[J ].探矿工程, 2000 ,2 49 - 51. [6] 张科专.静态破碎技术在开挖坚硬岩石中的应用[J ].爆破, 2003 ,204 96 - 97. [7] 左宇军.动静组合加载下岩石破坏特性的研究[D].长沙中 南大学,2004. [8] 王瑞和,倪红坚,周卫东.破岩钻井方法及高压水射流破岩机 理研究[J ].石油钻探技术,2003 , 315 7 - 10. [9] 廖华林,李根生,熊伟.超高压水射流辅助破岩钻孔研究进展 [J ].岩石力学与工程学报,2002 ,21增2 2583 - 2587. [10] 熊继有,钱声华,严仁俊,等.钻井高效破岩新进展[J ].天 然气工业,2004 ,244 27 - 29. 上接第67页 图2 典型测试曲线 a 16通道数据采集仪输出图; b 劈裂测试图 岩体抗劈裂试验资料。长江科学院于2004年11 月～2005年2月间承担了该工程的地应力和岩体 抗劈裂测试。重新设计的水压劈裂测试设备已在 此工程中运用,取得了较好的效益。典型水压致裂 和劈裂测试曲线见图2。 4 结论 1该水压劈裂法设备硬件、 测试数据记录与 传感元件的性能与精度达到国内外地应力测试技 术规范的要求; 2该系统在国外水电工程的地应力测试实 践中得到了检验,并能满足水压劈裂等测试要求, 且得到国际同行专家的认可。 3水压劈裂测试的压力与流量数据的数字 式采集系统,达到实时跟踪和监控测试过程的目 标,形成易于处理的数据文件与测试曲线。 参考文献 [1] 刘允芳,罗超文,刘元坤,等.岩体地应力与工程建设[ M]. 武汉湖北科学技术出版社,2000. 56矿山压力与顶板管理 2005.№3