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微波辅助破岩模拟实验装置研制及破岩机理探索

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微波辅助破岩模拟实验装置研制及破岩机理探索

作者：仲俊霖中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

随着我国西部战略与油田勘探开发的不断深入,井越来越深,地层越来越复杂、难钻,如二叠系、石炭系这类火山岩、凝灰岩等,迫切需要新技术来缩短深井建井周期。其中微波辅助破岩技术采用热能辅助破岩,具有无需介质实现热量传递、温度提升... 详细信息

随着我国西部战略与油田勘探开发的不断深入,井越来越深,地层越来越复杂、难钻,如二叠系、石炭系这类火山岩、凝灰岩等,迫切需要新技术来缩短深井建井周期。其中微波辅助破岩技术采用热能辅助破岩,具有无需介质实现热量传递、温度提升速度相对快、穿透性较强、操作简单、控制方便等特点,经国内外学者研究表明具有潜在的发展前景。通过对微波辅助破岩技术的研究将会有效提高难钻地层破岩效率,降低钻井成本,提高钻井效率,对提升油气产能效果具有重要作用。本文首先分析了利用微波近场和热失控两种效应产生热量用于微波辅助破岩的原理,并由此设计了微波辅助破岩模拟实验装置,通过室内实验研究其对不同材料的破岩效果。在此基础上,探索构建了微波辅助破岩理论模型,完成了数值模拟与室内实验的模型验证,并模拟了不同微波功率下温度变化情况。通过室内实验与数值模拟的对比分析可知:(1)不同岩性的岩石对微波近场能量的热失控效应阈值差异较大。实验所用微波发生装置功率不足以产生显著的辅助破岩效果。(2)随着内导体深入,微波功率的增大,局部温度提升也会越高,会使得破岩越来越容易。(3)微波初始加热时间对岩石热失控效应影响不大,微波发生功率对被加热岩石的温度和强度影响较大。(4)若微波发生功率提高,使温度升高到800℃左右,岩石强度会明显降低,破岩效率大大增加。

关键词：微波辅助破岩模拟装置实验研究数值模拟破岩机理

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基于颗粒流模型微波辅助破岩过程数值模拟

西安科技大学学报 2019年第1期39卷 112-118页

作者：秦立科徐国强甄刚西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 陕西省文物保护研究院砖石质文物保护国家文物局重点科研基地陕西西安710075 陕西省文物保护研究院文物修复部陕西西安710075

微波辅助破岩是一种新型的破岩技术,通过微波加热预先在岩石内部产生微裂纹,然后联合其它破岩手段,可以有效提高破岩效率。以吸波的方铅矿和透波的方解石组成的岩石颗粒为研究对象,采用颗粒流程序建立了细观数值模型,对微波照射下的岩... 详细信息

微波辅助破岩是一种新型的破岩技术,通过微波加热预先在岩石内部产生微裂纹,然后联合其它破岩手段,可以有效提高破岩效率。以吸波的方铅矿和透波的方解石组成的岩石颗粒为研究对象,采用颗粒流程序建立了细观数值模型,对微波照射下的岩石颗粒细观物理力学应进行了模拟分析,揭示了不同微波照射条件下岩石内部温度分布与演化以及微裂纹的产生与发展的规律。研究结果表明:微波照射下,方铅矿温度明显高于方解石,岩石温度呈不均匀分布,不同矿物之间存在温差;微波照射可以使岩石在时间很短及温度较低的情况下产生微裂纹;微裂纹主要由方铅矿的热膨胀引起,微裂纹以拉伸裂纹为主,极少部分为剪切裂纹。岩石内部微裂纹的分布形态主要取决于方铅矿在岩石中的分布;微波照射时,裂纹首先产生于方铅矿周围,继而向周边的方解石内扩展,相互连通后导致岩石破裂;在消耗能量相同的情况下,微波功率越高,需要微波照射时间越短,岩石内部温差越大,产生的裂纹数量越多,破岩的效率更高。

关键词：岩土工程微波辅助破岩颗粒流数值模拟热力耦合裂纹

微波辐射参数及冷却方式对石英型赤铁矿石损伤的试验研究

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太原理工大学学报 2024年

作者：王泽康健婷康天合朱文庆郭力宁邓杰汪家畅太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室太原理工大学安全与应急管理工程学院

为了探讨更有效的辅助开采与破碎坚硬铁矿石的方法并为工程参数优化提供理论依据，利用自行研制的单模微波发生器进行了不同微波功率、辐射时间及不同冷却方式下石英型赤铁矿石升温特性、裂隙、损伤演化规律的试验研究。结果表明：（1... 详细信息

为了探讨更有效的辅助开采与破碎坚硬铁矿石的方法并为工程参数优化提供理论依据，利用自行研制的单模微波发生器进行了不同微波功率、辐射时间及不同冷却方式下石英型赤铁矿石升温特性、裂隙、损伤演化规律的试验研究。结果表明：（1）在试验条件下石英型赤铁矿石试样整体温度随微波功率及辐射时间的增加而线性规律升高。（2）试样裂隙宽度、裂隙体积占比、裂隙分布复杂度的分形维数随冷却降温幅度及降温速率的增加呈线性规律增加。（3）微波辐射功率3 kW、辐射时间3 min后的试样经自然冷却、泡水冷却、液氮冷却10 min、液氮冷却2 h后的波速分别下降了64.7%、73.9%、78.7%、83.9%，试样累计损伤因子分别为0.88、0.92、0.95、0.97。试验结果可为工程实际中选用微波辐射石英型赤铁矿石作为辅助破岩方法及参数优化提供基础理论依据。

关键词：微波辅助破岩红外热成像 CT扫描分形维数超声波测速

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微波照射路径对辅助破岩效果的影响研究

西安理工大学学报 2022年第2期38卷 245-252页

作者：陈方方王超张志强西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 西安理工大学土木建筑工程学院陕西西安710048

从能量输入大小和快慢的角度来看,微波照射功率对微波辅助破岩效果有着显著影响。本文采用功率“先低后高”和“先高后低”两种微波照射方式,基于微波照射功率和时长,设计不同的微波照射路径,以COMSOL多物理场耦合软件为分析平台,选择... 详细信息

从能量输入大小和快慢的角度来看,微波照射功率对微波辅助破岩效果有着显著影响。本文采用功率“先低后高”和“先高后低”两种微波照射方式,基于微波照射功率和时长,设计不同的微波照射路径,以COMSOL多物理场耦合软件为分析平台,选择伟晶岩试样为研究对象,研究在一定能量输入条件下,不同微波照射路径对微波辅助破岩效果的影响。研究表明:微波照射伟晶岩试样产生的塑性区面积最大的矿物是绿泥石,其次是斜长石和正长石;在伟晶岩试样中,采用“先低后高”的照射方式比“先高后低”的照射方式能产生更高的温度、应力以及更大的塑性区面积,破岩效果更好。

关键词：微波辅助破岩照射路径温度场应力场塑性区

微波处理玄武岩强度的SPH-FEM耦合算法模拟

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2022年第6期32卷 2003-2018页

作者：杨春 Ferri HASSANI 周科平高峰 Ameen TOPA 中南大学资源与安全工程学院长沙410083 Department of Mining and Materials Engineering McGill University3450 UniversityFrank Dawson Adams Bldg.MontrealQC H3A 0E8Canada 中南大学高海拔寒区采矿工程技术研究中心长沙410083 Institute of Transportation Infrastructure Universiti Teknologi PETRONASSeri IskandarPerak 32610Malaysia Department of Maritime Technology University Malaysia TerengganuKuala Terengganu 21300Malaysia

微波预处理弱化岩体强度,进而降低机械破岩过程中的钻头/刀具磨损、提升凿岩效率已经成为一项极具前景的技术。为探究数值模拟参数对岩石静强度模拟结果的影响,并为后续钻凿或岩石切割模拟确定合理的微波处理玄武岩数值力学参数,采用光... 详细信息

微波预处理弱化岩体强度,进而降低机械破岩过程中的钻头/刀具磨损、提升凿岩效率已经成为一项极具前景的技术。为探究数值模拟参数对岩石静强度模拟结果的影响,并为后续钻凿或岩石切割模拟确定合理的微波处理玄武岩数值力学参数,采用光滑粒子流体动力学与有限元耦合算法(SPH-FEM)构建岩石单轴压缩与巴西拉伸数值模型。为减小微波损伤对岩石强度测试误差的影响,采用线性莫尔-库仑理论对相同微波参数下微波处理玄武岩试样的黏聚力和内摩擦角进行标定。在单轴抗压与巴西拉伸模拟过程中开展SPH关键控制参数的敏感性分析,并根据同一组校核后的黏聚力和内摩擦角数据,在数值实验中同时捕获目标抗压强度与巴西拉伸强度,单轴抗压强度数值模拟结果与试验结果吻合较好。此外,结合数值模拟结果评估微波辐照参数对玄武岩力学行为的影响。

关键词：微波照射微波辅助破岩岩石力学光滑粒子流体动力学(SPH) 参数敏感性分析

基于连续-离散方法的微波照射下花岗岩力学行为与破裂特征

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煤炭学报 2023年第2期48卷 693-713页

作者：高亚楠王云龙张垚蔚立元邵晓爽张广凯中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116

微波辅助破岩具有绿色、低能耗等优点,是有望实现深部煤炭资源开发中硬岩地层高效掘进的技术手段,其机理引发了工程与学术界的关注。基于花岗岩组分矿物微波吸收升温差异,借助连续介质微波电磁分析及离散元力学模型,实现了微观矿物温度... 详细信息

微波辅助破岩具有绿色、低能耗等优点,是有望实现深部煤炭资源开发中硬岩地层高效掘进的技术手段,其机理引发了工程与学术界的关注。基于花岗岩组分矿物微波吸收升温差异,借助连续介质微波电磁分析及离散元力学模型,实现了微观矿物温度离散赋值,提出了微波照射下花岗岩力学性质的计算分析方法,从温度场分布、力学性质和破坏形态验证了方法的可靠性,揭示了微波照射下花岗岩破裂规律、单/三轴加载条件下的力学行为及破裂机制。计算结果表明:(1)微波照射下,试样出现2个相对低温区域和1个热点区域。在低照射功率(≤2 kW)情况下,试样内部裂纹数量极少;高照射功率(≥3 kW)下,试样内部裂纹以晶粒边界拉伸破坏为主导逐渐发育,并以热点区域为中心向四周延拓形成裂纹网络。(2)对于单轴压缩,试样峰值应力、弹性模量和损伤阈值均随照射功率增加而降低,在高照射功率(≥3 kW)下,力学参数跌落更加明显;当照射功率较高(≥3 kW)时,微波照射后初始裂纹主导了受载试样的裂纹演化,试样呈现沿初始裂纹扩展趋势并出现显著的局部破坏。(3)对于三轴压缩,随照射功率增加,初始围压对试样强度提升效果越发强烈;低照射功率(≤2 kW)下,弹性模量随围压变化不明显,高照射功率(≥3 kW)下,初始围压对弹性模量的提升格外显著;随照射功率增加,围压促进了破碎颗粒的继续承载及应力传递,试样破坏由晶间破坏主导向晶内破坏主导转变,进而引发裂纹网络充分发育,抑制了高功率(≥3 kW)照射产生的局部结构集中破坏。

关键词：微波辅助破岩连续-离散方法热破裂力学行为破裂特征

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微波照射下岩石的升温与破碎特性研究

隧道建设（中英文） 2023年第8期43卷 1348-1359页

作者：刘超尹卢高明周建军姚华彦姜礼杰范文超盾构及掘进技术国家重点实验室河南郑州450001 中铁隧道局集团有限公司广东广州511458 合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230000 中铁工程装备集团有限公司河南郑州450016

为论证微波辅助破岩过程中岩石的升温破碎理论,选取玄武岩作为岩石试样,对不同微波功率和照射时间下的岩石试样进行了5组微波照射试验,获得了岩石表面的温度分布和破碎状态。利用COMSOL多物理场建模软件进行仿真模拟,研究岩石内部的电... 详细信息

为论证微波辅助破岩过程中岩石的升温破碎理论,选取玄武岩作为岩石试样,对不同微波功率和照射时间下的岩石试样进行了5组微波照射试验,获得了岩石表面的温度分布和破碎状态。利用COMSOL多物理场建模软件进行仿真模拟,研究岩石内部的电场和温度场分布,揭示岩石的破碎机制。试验结果表明,随着微波发射功率和照射时间的增加,岩石表面的温度、破碎面积、破碎点深度、裂缝数量和裂缝长度均有所增加。模拟结果表明,微波由喇叭天线传递至岩石上表面时电场强度急剧降低,岩石内部电场强度整体呈倒锥形分布;微波照射下的岩石破碎损伤主要与电场强度有关,电场强度的强弱导致不同部位能量密度分布不均匀,进而引起温度梯度变化,产生不同的热膨胀,导致破碎损伤的发生。岩石的破碎损伤演化分为3个阶段,根据岩石试样升温过程进行数学模型回归分析发现,微波发射功率对温度特性的影响更为显著,当微波照射功率为26.645 kW时,微波能在极短的时间内使岩石达到破碎损伤状态,照射效果最佳。

关键词：微波辅助破岩温度特性电场强度 COMSOL 破碎特性

微波照射岩石的改性实验及截齿截割数值模拟研究

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微波照射岩石的改性实验及截齿截割数值模拟研究

作者：何银东中南大学

学位级别：硕士

爆破法由于其灵活性高、技术成熟等优点在矿山破岩中仍占主导地位,但其安全性差、工序周期复杂、环境负面影响大等缺点促使了非爆破岩手段的迅速发展。为了克服金属硬岩矿山机械掘进刀具磨损严重、掘进效率较低的缺点,微波辅助机械破岩... 详细信息

爆破法由于其灵活性高、技术成熟等优点在矿山破岩中仍占主导地位,但其安全性差、工序周期复杂、环境负面影响大等缺点促使了非爆破岩手段的迅速发展。为了克服金属硬岩矿山机械掘进刀具磨损严重、掘进效率较低的缺点,微波辅助机械破岩以其安全、经济、高效等优点得到众多学者、工程师的青睐。经过大量的理论与实验研究,微波照射能够明显损伤岩石,造成岩石强度降低,在岩石破碎领域具有非常广泛的应用前景。而岩石矿物介电特性是影响微波处理效果的主要因素,大量微波弱敏感矿物的存在将会制约微波辅助机械破岩的进一步发展。本文围绕“如何提高岩石的微波吸收能力”这一问题开展了岩石的改性实验,同时揭示了微波损伤岩石机理,随后基于能量演化的视角对微波处理后硬岩的力学特性进行了分析并建立截齿截割岩体模型,通过模拟的手段对微波损伤岩体的截齿截割性能展开研究,具体研究内容及结论如下:(1)开展了微波辅助吸波试剂改善岩石的微波吸收能力实验,借助温度传感器和手持式热像仪监测了岩石在微波照射下的内外升温情况,结果表明微波辅助吸波试剂在一定程度上加快了岩石的升温速率,并且增大了岩石内外温度差值。(2)采用声波测试仪、核磁共振设备等从细观层面表征岩石的损伤程度,进行了单轴压缩实验从宏观层面观察岩石的破坏形式与强度劣化特征。结果表明钛酸钡悬浮液、水均可作为一种良好的微波辅助吸波试剂,降低了岩石P波波速、增加了岩石孔隙度、降低了岩石的强度,其中钛酸钡悬浮液在促进岩石微波吸收能力上效果更好。(3)开展了不同微波照射时间下花岗岩的单轴压缩实验,基于能量守恒理论,对微波损伤后花岗岩试样的能量演变规律、力学特性、脆性指标进行了分析。结果表明微波照射后花岗岩试样的能量转化能力下降,弱化了花岗岩的脆性特征,表现出塑性和延展性的增强。(4)通过Rhino软件及PFC软件建立了截齿截割岩石模型,基于不同微波照射下花岗岩的应力应变曲线对模型进行细观参数标定,开展了不同截齿截割角度下的线性截割试验。结果表明,微波预处理岩体可以大大改善截齿的受力情况,且截齿在截割过程中存在最优截割角度。图64副,表25个,参考文献144篇

关键词：微波辅助破岩强介电材料损伤力学应变能颗粒流模拟镐形截齿

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微波加热路径对硬岩破碎效果影响试验研究

岩石力学与工程学报 2017年第6期36卷 1460-1468页

作者：李元辉卢高明冯夏庭张希巍东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室辽宁沈阳110819

不同的微波加热方式会对岩石产生不同的加热效果,功率和时间是影响破岩效果的2个重要参数。对立方体和标准圆柱形玄武岩试样进行了3种加热路径下的微波辐射试验,并对辐射前后的试样进行P波波速和单轴压缩强度测试。结果表明,当试样内产... 详细信息

不同的微波加热方式会对岩石产生不同的加热效果,功率和时间是影响破岩效果的2个重要参数。对立方体和标准圆柱形玄武岩试样进行了3种加热路径下的微波辐射试验,并对辐射前后的试样进行P波波速和单轴压缩强度测试。结果表明,当试样内产生的热应力先超过岩石的强度极限时,试样就会崩开破坏;当试样温度先达到岩石熔点时,试样以熔化为主。采用高功率微波连续加热岩石,试样在较短时间、较低温度就发生崩开破坏,试样在崩开前波速和单轴压缩强度发生了显著降低,且功率越高,试样崩开的时间越短,波速和强度折减的越快。因此,采用高功率微波连续辐射岩石,借助于其产生的热应力使岩石崩开破碎的特点,可显著降低岩石破碎时的能量消耗,这对于微波单独应用于开采中的破碎工艺及辅助机械破岩掘进等具有重要意义。

关键词：岩石力学微波辅助破岩加热路径硬岩热应力强度折减