5：A文章编号：100（-7849（目前无论在地质钻探中，还是在石油钻井中，大多数情况下都采用机械方法破碎岩石，即在轴压和扭矩（剪切力）作用下破碎岩石，该法碎岩效率不高，钻头寿命较短，因此许多国家都在研究新的钻进方法111.热力钻进是新的钻探方法之一。美国政府的作。在热力钻进过程中主要使用2种碎岩方法：熔化碎岩方法和剥离碎岩方法。俄罗斯和美国对熔化碎石方法已经进行了实验室研究并用于工程实践，取得了明显的技术经济效益；但对剥离碎岩方法，国内外研究却很少，因此研究这种剥离碎岩方法具有重要理论意义和实用。

　　1不同温度条件下的岩石破碎原理和过程1.1辉长闪长岩的破碎机理辉长闪长岩的组成（U）为：拉长石25，安山石35，辉石33，石英5和含矿矿物2.长石颗粒的平均粒径为0. 1~2.0mm，个别颗粒的粒径达3mm.辉石颗粒比长石颗粒略小，个别颗粒的粒径为1.5~2.0mm.石英颗粒的形状不规则，平均粒径为0.实验岩样为方柱体，其断面为10mm长度为180mm.将准备好的岩样置入加热炉中固定，并施加固定的载荷；对岩样以固定加热速度（0.3 K/s）升温，直到剥离破坏为止。得到的岩石抗拉强度与温度的关系曲线见。

　　700K时，辉长闪长岩的抗拉强度变化很大。600K时的抗拉强度为1.5MPa，比室温条件下的抗拉强度低一个数量级；当T= 700~1000K时，抗拉强度继续降低，但与300~ 700K时的变化值相比变化不大。当T> 700K时，抗拉强度的降低幅度没有超过600K时大值的20.为了定量评价断口表面形态的变化程辉长闪长岩的抗拉强度R>、高差与温度T的关系曲线编辑：杨勇基金项目：河南省科技攻关项目（0524450008）度，测量了断口表面形态高处和低处之间的高差Ah.当T> 6mm，即达到组成岩石诸矿物颗粒平均粒径的50（见）。

　　对岩石断口进行的显微镜观测结果表明，随着温度的升高，辉长闪长岩在600K前主要是颗粒内部的破坏（>A）；在600K后是颗粒（晶体）间的破坏（图-B）。在T=500K前，在断口/平面‘穿过的颗粒上，矿物成分、颜色没有明显变化。

　　1000K时，可以看到颗粒的边界，断口表面形态的差异较明显。

　　1.2含铁石英岩和斜长辉橄岩的破碎机理图-A给出了含铁石英岩样品抗拉强度与温时1号样品出现了转折点，表明在此温度时岩石的破坏由颗粒内部的破坏转换为颗粒间的破坏。

　　1.3花岗岩的破碎机理花岗岩破碎实验的显微镜照片见。从可见，当293K时，在花岗岩断口上可以看到裂隙穿过矿物颗粒，显示出脆性破碎的特征，主要造岩矿物的断口上台阶和沟槽遍布（图*A）。当T=383K时，花岗岩断口上呈现脆性破碎的特点，与室温条件下的脆性破碎机理几乎相同（>B）。当T=418K时，颗粒碎裂程度加剧，仍以颗粒间的破坏为主（C）。当475K时，颗粒破碎成许多块状，依然以多晶体岩石颗粒间的破坏为主（D），直到773K时花岗岩岩样的破坏机理均与上述1.4砂岩的破碎机理土"）砂岩的主要造岩矿物是石英和长石。石英和长石的颗粒粒径为0. 1~1.0mm.砂岩的胶结物为碳酸盐。在颗粒内部破坏的断口表面上，台阶和沟槽发达，且彼此交叉，具有脆性破碎的特征（A）；而颗粒间破碎的断口表面的形态则与此明显不同（图；B）。

　　综合以上试验可以看出，绝大多数岩石（包括岩浆岩、沉积岩和变质岩）的抗拉强度均随温度的升高而降低，碎岩速度随之大幅提高。多数岩石在加热条件下，在500~ 600K以前破坏过程主要发生在颗粒内部，在约600K后破坏过程发生在颗粒间。这2.2等离子加热升温如果在等离子枪的金属阴、阳极之间加上直流电压（），则可通过高频电火花或碳粒短路激发而产生电弧。两极之间通有气体介质，故电子撞击被加热的电子介质分子或原子，使之电离，从电场或磁场接受能量，伴随很强的光和热，从而在2个电极的间隙产生电弧柱。在电弧柱中被电离的正、负带电粒子，数量相等而符号相反，故称为等离子射流。

　　这种等离子体通过冷却水冷却的喷嘴后，以等于或大于声速的速度喷出，形成等离子射流。喷出后复合为气体，迅速释放能量并放出大量的热，使温度达2岩石加热升温方式国内外使用的岩石加热升温的方式较多，诸如火焰喷射器、高频电流、感应电流、微波照射、红外线照射、高热化学反应等。但试验结果表明，其中技术较先进、有发展前景的方式主要有以下4种：火焰喷射加热升温、等离子加热升温、电子束加热升温、激光加热升温。

　　2.1火焰喷射加热升温火焰喷射器的结构示意图见。经过喷油嘴把煤油和气体氧的混合物送入燃烧室。在燃烧室内压力的作用下，燃烧室内形成的气体产物经过喷射孔，以超声的速度变成致密的炽热气体流喷射出来，对岩石进行剥离破坏。火焰射流的质量、形式和方向与喷射器的构造有关。试验结果表明，在次生石英岩中打凿岩钻孔时，孔底受热面的温度达1 200~1250*C，凿岩机回转速度为35~40r/s时，普氏系数/到数千乃至数万摄氏度。利用这种高温可以得到很好的碎岩效果。美国已经将等离子焰用于硬岩隧道的掘进工程中，在坚硬的花岗岩、花岗闪长岩、砂岩和石英岩中的钻孔速度（钻孔直径为75~135mm）达2.7~4.0m/h. 2.3电子束加热升温利用电子束破碎岩石是近20年发展起来的一种新技术。产生电子束的装置是电子枪（），即阴极发生器。电子在电极E，和瓦2间电场的作用下从阴极出发作加速运动，经过阴极内部电热线圈后，成为热离子源。由于电子自身产生电场，而电场的电力线向外扩散，因此使用电子透镜可以使其聚焦。

　　电子束穿过岩石时，由于介电原子的电离和激发，将电子束能量（10~200keV）传输给岩石，其功率密度可达106W/cm2，故可产生大量的热，使岩石升温或熔化，热熔面将以3m/s的速度向前传播。2.4激光加热升温介质上升到激发状态（）从而产生高能量的一种加热方式。轴向光子引起受激发射，通过两端面反射镜的发射面使光子产生共振、受激辐射、放大。激光束是一种从部分发射镜端辐射出来的、具有很高频率（1014s-1）和很低波长（10-2~ 10-5cm）的高能光束。

　　这种激光束具有相干性好、指向性好（近于平行光）、单色性好、亮度高和聚光性能好等优点。光束密度可达109W/mm2，受如此高密度的光束照射时，物质（包括岩石）在极短时间（1Ls或1ms）内，在很小范围内可以产生数百万摄氏度的高温而被熔化或蒸发。目前，用于破碎岩石方面的激光束功率约激光碎岩主要是使岩石受热后产生微裂隙并扩张、相变而引起颗粒分离，气体与水在空穴中扩张并终导致岩石破碎。

　　3结论与建议该方式是激光在气（液、固）体激光器中，在泵浦（1）在一定范围内，岩石的抗拉强度随着温度的源（外界向工作介质提供能量的装置）作用下把工作升高而大幅度下降，导致岩石破碎效率急剧提高。

　　岩石加热升温时，主要受热拉应力作用，以拉伸形式破坏。因此，热力剥离破碎可以明显提高碎岩效果，是一种有前景的岩石破碎新方法。

　　（2）热力剥离碎岩时，不同岩石（岩菜岩、变质岩和沉积岩）破碎的方式是不同的。含铁石英岩和斜长辉橄岩（样品2）以颗粒（晶粒）内部破碎为主，岩石强度随温度的升高而呈直线下降，辉长闪长岩和斜长辉橄岩（样品1）在一定温度之前以颗粒（晶粒）内部破碎为主，在一定温度之后以颗粒（晶粒）间破碎为主，砂岩在一定温度之后以颗粒（晶粒）间胶结物破碎为主。

　　PubliShing试验1*岩石的抗拉强度随着温度的升高而大幅度降低，因此如何使岩石升温加热、解决热源问题是提高热力破碎岩石效果的关键。加热的方法很多，实践证明有发展前景的方法主要有火焰喷射法、等离子法、电子束法和激光法。特别应该指出的是，这些方法产生的温度都很高，因此在使用这些方法时一定要注意选用合适的热力碎岩方法。如果采用熔化碎岩方法，则可用高的温度；如果采用剥离碎岩方法，则要用较低的温度。

　　（4）目前热力钻进中遇到的主要问题是碎岩工具和加热装置较复杂，不太适合野外工作，另外，还存在工作时噪声大，有的采取岩芯较困难，有的成本较高等缺点。因此建议今后加强热力钻进用碎岩工具和加热装置的开发和研究。