趙秉成，陳 晨，房治強，高文爽

(1.吉林省區(qū)域地質礦產調查所，吉林 長春130022；2.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026)

目前，應用于礦山工程、石油鉆井、海洋資源開發(fā)、建筑、交通、港口、地質鉆探等領域的巖石破碎工作，一般由機械破碎(力學)過程、水力學過程、熱力學過程、質量交換和物理化學等過程有機組成。碎巖方法多采用機械式的破碎方式，受碎巖方式本身及相應的碎巖材料、設備的限制，進一步提高現有的巖石破碎效率，降低成本已很困難。

在近30年中，許多國家(包括中國)都在積極地研究新式的碎巖技術，如：熱熔巖技術、熱機碎巖技術、脈沖放電碎巖技術、激光碎巖技術等。這些新式碎巖技術的共同點，都在于加強碎巖過程中的熱力學過程?？紤]碎巖過程中的熱力學過程，是提高碎巖效率的一條途徑，同樣也與碎巖用途相關，如凍土層及海底勘探采取天然氣水合物樣品，就必須考慮溫度規(guī)程。本文就熱熔巖技術、熱機碎巖技術、脈沖放電碎巖技術的最新研究成果做一總結。

1 熱熔巖技術[1]

自20世紀60年代開始，美﹑俄﹑日﹑等國家紛紛投入到對熱熔法的研究中。熱熔法研究發(fā)展較慢的關鍵原因是：各國均在尋找能夠耐高溫而不會熔化，且不與熔化巖石(土)發(fā)生化學反應的熱熔器殼體材料。俄羅斯專家找到(已申報專利)一種非金屬材料，該合成材料能夠抗2800℃高溫，且在空氣中不會氧化。在熱熔理論研究方面，涉及到了熱熔器﹑熱熔體與巖土間的熱傳遞問題，分析了熱熔過程中巖石(土)的變化規(guī)律，研究了熱熔體冷卻后的性質。根據相應的研究成果，研制了不同用途的熱熔器，在礦山巷道的圍護及工程處理中作了一些試驗，取得了寶貴的經驗。

國內在熱熔法研究方面已經起步。筆者在國內作為負責人的課題組最早開始從事這方面研究，分別獲得了吉林省科技廳和中國地質大學科學深鉆國家實驗室的資助。完成的兩個項目，在熱熔裝置的結構、施工工藝、碎巖機理等方面的研究，都有新的突破和發(fā)展，被鑒定委員會評為“國際先進水平”。

2 熱機碎巖技術[2]

摩擦熱能輔助機械碎巖(簡稱熱機碎巖)是一種碎巖新工藝，是傳統(tǒng)的熱力碎巖和機械碎巖的有機結合。它擯棄了傳統(tǒng)的機械碎巖過程中切削具與巖石摩擦所產生的熱量有害的觀點，將摩擦熱能用于弱化巖石，而后用硬質合金切削具(或金剛石孕鑲塊)進行機械切削碎巖，大幅度提高了碎巖效率，意義重大，見圖1。

圖1 熱機碎巖原理示意圖

純機械碎巖過程中，鉆頭功率的非生產性的消耗達90%以上，這部分能量主要轉化成了摩擦熱能，然后由沖洗液帶走。熱機碎巖鉆具把這部分熱能引入孔底加熱巖石，降低了巖石破碎所需的能量，提高了機械鉆速。在Ⅶ～Ⅸ巖石中，熱機鉆進的機械鉆速超過常規(guī)鉆進2～3倍。因此，熱機碎巖鉆具不僅可以大幅度提高鉆進效率，而且提高了總的能量利用率，該理論和工藝的成熟應用，社會及經濟效益明顯。

國內外很多專家學者，從事過熱能改變巖石狀態(tài)的理論問題以及鉆進工藝與技術問題的研究。對于利用摩擦熱能輔助機械碎巖鉆具研究最多的。是俄羅斯全俄勘探技術研究所的Г.С.勃拉托夫教授，從1985年就開始研究該課題。吉林大學于上個世紀90年代中期，從俄羅斯引入了這項技術，并分別在吉林省科技廳和地質礦產部立項研究。

通過文獻及試驗確定了以花崗巖類為主的巖石的最佳熱破碎溫度，如表1 所示。同時，也測定了熱機碎巖鉆頭在孔底產生的溫度(600℃)，證實了熱機鉆頭產生的溫度能達到巖石的最佳熱破碎溫度，因此說明該種工藝是可行的，鉆具設計是合理的。

3 脈沖放電碎巖技術

液中放電時，放電通道周圍的液體瞬時氣化并形成氣泡，高速劇烈膨脹而爆炸，產生強烈的沖擊波，其壓強可達到100kPa以上，有的高達10GPa。沖擊波的前沿速度達10～50km/s，同時施加給不可壓縮的液體以及其中的物質，可用于破碎巖石。自從1955年Yutkin將液電效應用于工業(yè)加工以來，工程技術人員做了大量的研究工作，它現在已被用于特種加工、巖石破碎等領域[3]。利用脈沖放電技術對不同巖石鉆進得到的鉆速，不取決于巖石的軟硬程度，這和采用反射波造成巖石形成拉應力破壞有直接的關系。

表1 幾種巖石的最佳熱破碎溫度范圍

圖2為脈沖放電破碎單位體積巖石能量消耗與其他碎巖方法的比較?？梢钥闯?，脈沖放電法消耗的能量最少，隨著兩個電極之間距離的加大，消耗的能量減少，但碎巖效率也隨之降低。

圖2 脈沖放電單位體積能量消耗與其他碎巖方法的比較

4 結 語

(1)對巖石破碎巖中的熱力學過程研究，既是

碎巖技術的研究發(fā)展的需要，也是涉及礦產后續(xù)開采的要求；

(2)熱熔巖法、熱機碎巖法和脈沖放電碎巖法由于其自身的特點，可以在工程實踐中揚長避短，如熱熔巖法針對松散層，熱機碎巖法針對“打滑”地層，脈沖放電碎巖法針對硬巖等；

(3)利用拉應力對巖石的破壞是一個嶄新的課題，應給予重視。

[1] 陳 晨. 熱熔法鉆進理論及工藝研究[D].長春：吉林大學博士學位論文，2001.

[2] 吳景華. 摩擦熱-機械能聯合碎巖理論與工藝的研究與實踐[D].長春：吉林大學博士學位論文，2005.

[3] Важов В.Ф.,Журков М.Ю. Оптимизация энергии в разряде при резании горных пород электроимпульсным способом.Современные техника и технологии：Труды Ⅺ Междунар.научно-прак.конф.студентов,аспирантов и молодых ученых. Томск,2003.С.92-93.