祁培培

（鄭州商學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 451200）

0 引言

近年來(lái)，人類(lèi)社會(huì)發(fā)展對(duì)能源需求量越來(lái)越大，地層淺中部區(qū)域的資源已供不應(yīng)求，我國(guó)越來(lái)越重視對(duì)地下資源的開(kāi)發(fā)與利用，深部地層的油氣資源具有較大的開(kāi)采潛力，但復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)深度和巖石硬度為鉆探工作帶來(lái)了極大的難題。巖石破碎機(jī)理是鉆探專(zhuān)業(yè)研究的重要方向之一，是研究設(shè)計(jì)高效、長(zhǎng)壽命巖石破碎工具的理論依據(jù)，能夠?yàn)橹贫ê侠韼r石鉆探方案提供重要參考[1]。同時(shí)，巖石破碎的效率和難易程度與施工進(jìn)度息息相關(guān)，為保證施工安全有序開(kāi)展，避免不必要的工程成本支出，提高工程施工效率是十分必要的[2]。為了提高巖石破碎效率，需要對(duì)巖石機(jī)械破碎機(jī)理進(jìn)行科學(xué)有效的分析[3]。隨著微波技術(shù)在工業(yè)界與科學(xué)界不斷發(fā)展與應(yīng)用，微波萃取法具有回收率高、萃取率高的優(yōu)勢(shì)，更重要的是，微波萃取法可以同其他相關(guān)分析技術(shù)聯(lián)用，可進(jìn)行在線(xiàn)分析，能大大提高分析效率。因此該文對(duì)微波萃取法在巖石機(jī)械破碎機(jī)理中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，為巖石機(jī)械破碎機(jī)理研究領(lǐng)域的探索提供了參考依據(jù)，對(duì)提高破巖技術(shù)水平具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

該次試驗(yàn)選擇花崗巖作為試驗(yàn)材料，花崗巖為酸性巖漿巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，強(qiáng)度較高，屬于粒狀晶質(zhì)巖石，具有耐磨損、結(jié)構(gòu)致密的特點(diǎn)，所含礦物成分包括石英、斜長(zhǎng)石和黑背云母等[4]。攜巖氣體采用氮?dú)?，試?yàn)所用設(shè)備為SHPB裝置，該裝置包括主體設(shè)備、測(cè)試系統(tǒng)、能量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。主體設(shè)備中，包括撞擊桿、入射桿和透射桿等，試驗(yàn)壓桿為彈性壓桿，材質(zhì)為高強(qiáng)度合金鋼，撞擊桿長(zhǎng)度為500mm，其他桿長(zhǎng)度均為250mm，直徑40mm，彈性模量為220Gpa[5]。能量系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)和高壓儲(chǔ)氣罐組成，測(cè)試系統(tǒng)主要包括激光測(cè)速儀和超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀。試驗(yàn)在SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)下進(jìn)行，由超動(dòng)態(tài)應(yīng)變片監(jiān)測(cè)并記錄整個(gè)機(jī)械破碎沖擊過(guò)程中的應(yīng)變信號(hào)[6]。

1.2 采集與制備試樣

該文所采集的花崗巖試樣來(lái)自于某鉆探工程現(xiàn)場(chǎng)，所采集的試樣表面光滑致密，無(wú)可見(jiàn)裂縫，將取回的荒料進(jìn)行初步的粗加工，再利用取芯鉆頭將巖石制成直徑為50mm的若干個(gè)試件[7]。同時(shí)，測(cè)試樣品橫波波速和縱波波速，根據(jù)波速情況選取較為完備的試件作為試驗(yàn)樣品。該文利用微波萃取法對(duì)試樣進(jìn)行化合物的提取，進(jìn)而分析花崗巖的礦物結(jié)構(gòu)，將微波萃取爐作為微波萃取裝置，所用試劑和材料包括C6H14、CH3COCH3和Na2SO4，將C6H14和CH3COCH3按1∶1比例進(jìn)行混合，保證萃取罐內(nèi)的試樣體積相同。在萃取過(guò)程中，控制體系壓力和溫度，使待萃取化合物更好地溶解到溶劑中，實(shí)現(xiàn)萃取[8]。根據(jù)微波萃取法測(cè)定，該花崗巖試樣致密，硬度高，礦物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要成分包括石英、長(zhǎng)石等，隨溫度升高變化較小，溫度由常溫微波加熱至400℃時(shí)，試樣密度變化不大，因此為了后續(xù)計(jì)算和處理的方便，取花崗巖試樣的平均密度為2.65g/cm3。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 測(cè)定巖芯孔隙度

為了減少試驗(yàn)誤差，綜合考慮巖石表面對(duì)氮?dú)獾奈阶饔靡约暗獨(dú)鈿怏w本身的滲透能力，需要對(duì)巖石孔隙度進(jìn)行測(cè)定。在孔隙度測(cè)定前，將花崗巖試樣進(jìn)行激光作用，然后將微波裝置中烘干了20h后的試樣取出，準(zhǔn)備開(kāi)始測(cè)定。在試驗(yàn)溫度為恒溫25℃的情況下進(jìn)行測(cè)定，將孔隙度測(cè)量?jī)x安裝在非通氣區(qū)，設(shè)定試驗(yàn)氣壓條件為1atm。在確定的壓力值下進(jìn)行膨脹試樣處理，在壓力平衡后測(cè)定壓力值，求出包括通氣管道的體積。用試樣替換出夾持器中等體積的剛柱塞，重復(fù)上述步驟，得到通氣管道體積與巖芯內(nèi)孔隙體積的總和，求得最終孔隙體積結(jié)果。

2.2 機(jī)械破碎巖石過(guò)程

在破碎試驗(yàn)開(kāi)始前檢查所有試驗(yàn)設(shè)備是否正常，包括撞擊桿是否到位、壓桿潤(rùn)滑情況以及各裝置運(yùn)行狀態(tài)有無(wú)異常。設(shè)備檢驗(yàn)與調(diào)試完成后安裝試驗(yàn)試樣，為減小壓桿與巖石試樣的摩擦，在巖石試樣兩端面涂抹潤(rùn)滑劑，并對(duì)準(zhǔn)壓桿，保證壓桿間的無(wú)縫接觸。給氣缸充氣，調(diào)整氣壓值，保證預(yù)設(shè)的沖擊速度，5組氣壓值分別為0.55MPa、0.65MPa、0.75MPa、0.85MPa、0.95Mpa。由超動(dòng)態(tài)應(yīng)變片獲得的應(yīng)變信號(hào)代入SHPB的基本公式，得到巖石應(yīng)變、應(yīng)變率和動(dòng)態(tài)應(yīng)力，如公式（1）所示。

式中：λR、λP、λO分別為入射、反射和透射波的應(yīng)變信號(hào)；E0為壓桿的彈性模量；S0為彈性壓桿的橫截面積；V0為壓桿的彈性縱波速度；R1為巖石試樣的初始厚度；S1為巖石試樣的橫截面積。

根據(jù)測(cè)得的應(yīng)變信號(hào)計(jì)算入射、反射和透射波能量，如公式（2）所示。

在沖擊加載試驗(yàn)后根據(jù)上述各式計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并做好數(shù)據(jù)保存，得到巖石試樣的應(yīng)變曲線(xiàn)。

2.3 建立分形能耗模型

小破碎體的大量聚集形成了巖石的宏觀破碎體，巖石宏觀破碎體的形成過(guò)程即是能量耗散的過(guò)程。為了進(jìn)一步分析破碎體的形成過(guò)程，了解巖石破碎體的分形特性，該文在巖石機(jī)械破碎機(jī)理的研究中建立了分形能耗模型，將模型定義為巖石的能量密度，如公式（3）所示。

式中：V為碎塊總體積；B為破碎巖石所需的能量；e為表面能；D為碎塊的分形維數(shù)。

由此完成模型的建立，以該模型來(lái)描述和表征巖石破碎內(nèi)部復(fù)雜和不規(guī)則的圖形，根據(jù)裂紋和孔隙形成的破碎結(jié)果，分析巖石的微觀分形結(jié)構(gòu)以及破碎體的粒度分布的分形特征。

2.4 收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)構(gòu)建的分形能耗模型分析巖石的微觀分形結(jié)構(gòu)以及破碎體的粒度分布的分形特征，以此記錄撞擊桿通過(guò)激光源處的時(shí)間，監(jiān)測(cè)每次沖擊的速度，以驗(yàn)證氣源處氣壓，避免出現(xiàn)偏差。沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表1。

表1 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

由表1撞擊桿通過(guò)激光源處的時(shí)間來(lái)看，沖擊過(guò)程中未出現(xiàn)氮?dú)馄柯猬F(xiàn)象，在各沖擊氣壓條件下，沖擊加載的速度基本保持一致，證明該巖石破碎沖擊試驗(yàn)的結(jié)果是可信的。為了得到巖石沖擊破碎后粒度的分布特征，在每次沖擊后收集巖石碎塊，用不同規(guī)格尺寸的篩子進(jìn)行篩分，得到篩分試驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié)果與討論

3.1 巖石機(jī)械破碎動(dòng)力學(xué)特性

巖石在機(jī)械沖擊的動(dòng)載條件下，其內(nèi)部會(huì)不斷發(fā)生損傷和劣化，產(chǎn)生各種裂紋，最終發(fā)生破碎。在巖石機(jī)械破碎激勵(lì)的分析過(guò)程中，該文首先將試驗(yàn)過(guò)程中計(jì)算得到的巖石試樣沖擊破碎相關(guān)參數(shù)結(jié)果進(jìn)行展示，分析巖石試樣的動(dòng)力學(xué)特性，具體見(jiàn)表2。

表2 巖石試樣沖擊破碎相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表2可知，巖石試樣的動(dòng)態(tài)彈性模量在20GPa～40GPa變化，應(yīng)變率在45s-1～125s-1。根據(jù)不同沖擊速度下的沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，巖石試樣的變形特征較好。當(dāng)沖擊速度較小時(shí)，達(dá)到破碎的臨界應(yīng)力值較低，因此巖石試樣產(chǎn)生的破碎體較大。應(yīng)變率較低時(shí)，試樣被撞擊破碎后的變形較小，臨界應(yīng)力值升高，裂紋更多，因此此時(shí)巖石試樣產(chǎn)生的破碎體較小。當(dāng)沖擊速度較大，應(yīng)變率較高時(shí)，試樣被撞擊破碎后的變形較大。隨著沖擊速度的不斷提高，巖石試樣的脆性逐漸增強(qiáng)。從能量計(jì)算結(jié)果分析巖石動(dòng)態(tài)破碎能量，巖石試樣動(dòng)態(tài)破碎強(qiáng)度與應(yīng)變率間的冪指數(shù)關(guān)系較大，應(yīng)變率敏感性更強(qiáng)，沖擊速度越大，巖石吸收的能量值越高，能量密度值越大，因此只有當(dāng)機(jī)械施加載荷大于巖石的動(dòng)態(tài)破碎強(qiáng)度時(shí)，巖石才會(huì)發(fā)生有效破碎。

3.2 巖石破碎體的分形特性

為了分析巖石破碎體的分形特征，該文對(duì)巖石機(jī)械破碎后的碎塊進(jìn)行篩分，根據(jù)巖石破碎體的篩分結(jié)果，分析不同沖擊速度下巖石試樣的破碎形態(tài)以及巖石破碎時(shí)的力度分布特征。假設(shè)巖石破碎后的碎塊為近似球體顆粒，對(duì)碎塊總表面積進(jìn)行計(jì)算，如公式（4）所示。

式中：n為碎塊總數(shù)量；d（r）為粒徑小于r的碎塊累計(jì)數(shù)量和碎塊總數(shù)量的百分比；rmax和rmin分別為碎塊的粒徑的最大值和最小值。

接下來(lái)對(duì)粒徑小于ri的累積碎塊質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，如公式（5）所示。

式中：ri為某種粒度尺寸；ρ為巖石體積密度。

則粒徑小于ri的累積碎塊質(zhì)量占碎塊體總質(zhì)量的百分比如公式（6）所示。

式中：M ?為碎塊的總質(zhì)量。

為了直觀地對(duì)破碎體的破碎程度進(jìn)行表征，需要對(duì)破碎體的平均粒度進(jìn)行定義，如公式（7）所示。

式中：σ為不同尺寸力度的碎塊所占百分比。

根據(jù)上述各公式，對(duì)不同篩孔直徑的累積質(zhì)量百分含量進(jìn)行計(jì)算，得到的具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)圖1的篩分結(jié)果，建立雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，獲取巖石破碎體的分形維數(shù)，如公式（8）所示。

圖1 巖石沖擊破碎后的碎塊篩分結(jié)果

式中：（3-kf）為坐標(biāo)系下回歸直線(xiàn)的斜率；ri為粒徑；Di為粒徑小于ri的破碎體累積質(zhì)量占破碎體總質(zhì)量的百分比。

在該坐標(biāo)下得到的回歸直線(xiàn)相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，巖石碎塊粒度分布的相關(guān)性較高，證明巖石試樣在機(jī)械沖擊載荷作用下破碎后的碎塊具有良好的分形特性，由公式（8）計(jì)算得到的試樣1～試樣5的分形維數(shù)分別為1.6995、1.7008、1.7586、2.0756和2.2654。分形維數(shù)越大，說(shuō)明巖石破碎程度越高，可見(jiàn)在相同沖擊速度下，不同試樣的破碎程度存在差異，試樣1產(chǎn)生了較小程度的破碎，試樣5產(chǎn)生了較大程度的破碎。

3.3 巖石斷口形貌分析

運(yùn)用掃描電鏡對(duì)巖石試樣及碎塊進(jìn)行SEM電鏡圖像處理。由于電鏡需要導(dǎo)電進(jìn)行掃描，因此將巖石破碎塊進(jìn)行了噴碳處理，進(jìn)而觀察巖石樣塊的斷裂形貌。巖石試樣礦物顆粒斷口微觀形貌和試樣中部斷口的形貌如圖2所示。

圖2 巖石試樣斷口形貌

從圖2（a）的花崗巖試樣的礦物顆粒斷口微觀形貌可以看出，礦物顆粒的斷裂面上出現(xiàn)了層狀結(jié)構(gòu)的斷口。分析該巖石的破碎行為，由于巖石內(nèi)部存在廣泛發(fā)育的層狀結(jié)構(gòu)面，因此在受到機(jī)械沖擊時(shí)，裂紋容易在層間起裂。同時(shí)由于巖石的脆性和非均質(zhì)性，層里間較為薄弱，裂紋容易在擴(kuò)展中改變方向。圖2（b）中的試樣中部斷口形貌為河流狀花樣，根據(jù)河流狀花樣的流向可以判斷該位置發(fā)生的是脆性斷裂，且斷裂方向?yàn)閺挠蚁轮磷笊蠑嗔?。該文根?jù)對(duì)巖石機(jī)械破碎動(dòng)力學(xué)特性、巖石破碎體的分形特性和巖石斷口形貌分析，完成了巖石機(jī)械破碎機(jī)理研究。

4 結(jié)語(yǔ)

該文在巖石機(jī)械破碎機(jī)理的研究中引入了微波萃取法，進(jìn)而更好地對(duì)該巖性的巖石進(jìn)行機(jī)械破碎試驗(yàn)研究，深度了解了巖石機(jī)械破碎的機(jī)理，取得了一定的研究成果。但該文尚有很多不足，如在整個(gè)機(jī)理研究分析中，對(duì)信息化技術(shù)應(yīng)用較少，未充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線(xiàn)分析。在今后的研究中，該文還將嘗試不同的機(jī)械破碎方案，分析巖石破碎過(guò)程中呈現(xiàn)出的不同特征，并以更可視化的方式展現(xiàn)巖石破碎機(jī)理，得到更豐富的機(jī)理研究結(jié)果。