《微波辅助破岩损伤规律与路径优化》以矿山开采、隧道建设等领域硬岩破岩工程为背景，通过地应力测试分析、岩石物理力学性质研究、较低功率微波辐射试验、声发射监测、数值模拟等方法，系统研究了微波辅助破岩损伤规律与路径优化，揭示了较低功率微波辐射下硬岩的升温损伤机理，分析了铁元素含量、含水状态、酸碱度等对硬岩微波辐射升温损伤的影响效果，提出了基于水流冲击冷却的微波辐射路径优化设计，并对较低功率高效率微波辐射硬岩辅助破岩应用进行了初步探索。成果对于提高硬岩破岩效率、降低成本以及实现深部硬岩的安全高效开发利用具有重要的理论和实践指导意义。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 微波辅助破岩目的和意义 1
1.1.1 地表硬岩与深部硬岩 1
1.1.2 常规与非常规破岩方法对比 2
1.1.3 微波辅助破岩原理 3
1.2 微波破岩的发展历程 5
1.2.1 高功率微波直接破岩研究 6
1.2.2 较低功率微波辅助机械破岩研究 8
1.2.3 微波辅助破岩试验研究 10
1.3 微波辅助破岩存在的问题 16
1.4 较低功率高效率微波辅助破岩主要研究内容 17
第2章 地表硬岩与深部硬岩基本物理力学特征 20
2.1 地表硬岩与深部硬岩 20
2.1.1 岩石的取样与加工 21
2.1.2 深部硬岩赋存条件 22
2.2 地应力测试分析 24
2.2.1 地应力测试的目的 24
2.2.2 恒源煤矿地应力现场测量工作简述 25
2.2.3 空心包体法测试地应力原理与方法 27
2.2.4 主要测试设备与工具 30
2.2.5 地应力测试与结果分析 32
2.3 岩石的矿物组成 42
2.3.1 三类硬岩 43
2.3.2 不同含水率状态砂岩 45
2.3.3 地表砂岩与深部砂岩 46
2.3.4 地表砂岩与深部砂岩介电性质分析 48
2.4 不同种类岩石物理力学性质 49
2.4.1 质量与波速 49
2.4.2 抗拉强度与抗压强度对比分析 50
2.5 微波辐射后的岩石物理性质变化 57
2.5.1 三类硬岩 57
2.5.2 石灰岩 58
第3章 较低功率微波辐射硬岩升温损伤规律研究 60
3.1 较低功率微波辐射硬岩升温损伤规律研究方案 60
3.1.1 较低功率微波辐射三类硬岩失水升温损伤规律与声发射特征研究方案 60
3.1.2 较低功率微波辐射坚硬石灰岩损伤路径优化研究方案 60
3.1.3 较低功率辐射玄武岩损伤致裂路径研究方案 61
3.1.4 地表砂岩与深部砂岩微波辐射升温损伤规律研究方案 62
3.2 较低功率微波辐射三类硬岩失水升温损伤规律 62
3.2.1 升温规律分析 62
3.2.2 损伤规律 70
3.2.3 微波辐射后声发射特征分析 73
3.2.4 微观断口特征分析 79
3.3 微波辐射石灰岩升温损伤规律 80
3.3.1 微波辐射坚硬石灰岩的温度效应研究 80
3.3.2 强度折损和P波波速表征的损伤变化内在联系 84
3.4 微波辐射玄武岩升温损伤规律 85
3.4.1 微波辐射玄武岩热响应特征 85
3.4.2 微波辐射后玄武岩损伤特征 87
3.4.3 微波辐射后宏微观体破裂行为 90
3.5 地表砂岩与深部砂岩微波辐射升温损伤规律 93
3.5.1 地表砂岩与深部砂岩微波辐射温度分布特征 93
3.5.2 地表砂岩与深部砂岩微波辐射升温规律 94
3.5.3 地表砂岩与深部砂岩微波辐射损伤特征 98
第4章 较低功率微波辐射硬岩损伤效果的影响因素分析 103
4.1 铁元素含量及含水状态对砂岩微波辐射升温损伤研究 103
4.1.1 试件制备及试验方法设计 103
4.1.2 铁元素对砂岩辐射升温的影响规律 106
4.1.3 水与铁元素含量对微波辐射砂岩损伤规律 118
4.2 较低功率微波辐射砂岩升温损伤规律研究 125
4.2.1 微波辐射石英砂岩升温规律 125
4.2.2 微波辐射砂岩P波波速变化规律 128
4.2.3 微波辐射砂岩抗拉强度变化规律 130
4.3 酸碱度对石英砂岩微波辐射升温损伤的影响规律性研究 133
4.3.1 材料选取及试验设计 133
4.3.2 试验结果分析 137
4.3.3 不同pH溶液对石英砂岩损伤机制分析 141
第5章 较低功率微波辅助破岩路径优化研究 143
5.1 坚硬石灰岩微波辐射路径优化研究 143
5.1.1 路径优化设计 143
5.1.2 不同路径损伤规律 145
5.1.3 不同路径作用后石灰岩致裂效果分析 147
5.2 冷却路径优化研究 152
5.2.1 不同冷却路径试验设计 153
5.2.2 不同冷却路径下降温速率对比分析 154
5.2.3 不同冷却路径下损伤效果对比分析 154
5.3 单面微波辐射深部砂岩路径优化设计 158
5.3.1 单面微波辐射深部砂岩的升温特征 158
5.3.2 自然冷却下深部砂岩钻进后P波波速变化规律 161
5.3.3 水流冲击冷却下深部砂岩钻进后P波波速变化规律 163
第6章 较低功率高效率微波辐射硬岩辅助破岩应用初探 166
6.1 试件制备与试验设计 167
6.1.1 试件取样与制样 167
6.1.2 试验方法与设计 168
6.1.3 微波辐射后砂岩钻进特征 171
6.1.4 经济与可行性分析 175
6.2 COMSOL数值模拟研究 177
6.2.1 控制模型与数值模型 177
6.2.2 地表砂岩与深部砂岩微波辐射电磁场分布特征 181
6.2.3 升温特征分析 182
6.2.4 温度梯度特征分析 183
6.2.5 辐射后岩体应力特征 184
6.3 高功率微波钻孔 187
6.3.1 高功率微波加热岩石理论原理分析 187
6.3.2 微波作用于岩石时的相互作用特性分析 189
6.3.3 岩石介电常数测量方法研究 192
6.3.4 高功率微波岩石钻孔平台上玄武岩熔化试验 197
6.3.5 煤矿巷道泥质粉砂岩的微波钻孔试验研究 198
参考文献 201

第1章绪论
　　1.1微波辅助破岩目的和意义
　　日益增长的能源、资源和交通等需求正促使矿山开采、水电开发、隧道建设[1]面临大规模、大尺度的硬岩开挖与破碎工程，给现有的资源开发带来了空前挑战。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中指出，将瞄准“深空、深地、深海”前沿领域，开展具有前瞻性和战略性的科技项目[2]，因此寻求高效率、低损耗的新型破岩方法成为科研工作者的研究热点。
　　1.1.1地表硬岩与深部硬岩
　　地表硬岩具有很高的力学强度和很强的抗水性，如沉积岩、火成岩、变质岩等。坚硬岩石的饱水单轴抗压强度一般大于50MPa。颗粒与颗粒之间具有遇水稳定的刚性连接，是坚硬岩石的*大特点。世界上大部分地区是由坚硬岩石(基底岩系)或石灰岩组成。在坚硬岩石中采用浅孔爆破，需要面对爆破质量和爆破飞石这一难以克服的困难。要保证岩石的有效破碎，达到爆破破岩的目的，就必须增加单位岩石消耗量。
　　深部硬岩工程在金属矿山开采、交通隧道建设、水利水电地下厂房与引水隧洞建设、页岩油气和地热等能源开发、地下空间利用和地下物理实验室建设等领域数量越来越多，规模不断扩大，其安全建设已成为国家重大基础设施高质量发展的关键保障。深部硬岩工程多赋存于高地应力、强烈构造活动等极其复杂的工程地质环境，工程开挖诱发的硬岩深层破裂、大面积片帮、大变形、大体积塌方、岩爆等地质灾害频发，危害巨大。其破坏特征与浅部工程以围岩表层变形和结构破坏为主的特征明显不同，给岩石力学特性与灾变机理认知、安全性预测分析、岩石工程设计与灾害防控等研究提出了巨大挑战，亟须建立全新的理论和技术体系。未来10～15年，我国铁矿资源的50%、有色金属矿资源的33%、煤炭资源的53%将进入1000m以下开采[3]。世界金属采矿大国南非平均开采深度将达到4000m，加拿大与澳大利亚也分别达到3000m、1900m[4，5]。与地表岩体相比，深部岩体处于“三高一扰动”(高应力、高地温、高渗透压和强开挖扰动)的复杂环境，尤其是深部硬岩在高应力环境中储存大量的弹性能，开掘中容易出现板裂、岩爆、冲击地压等非常规破裂灾害[6-8]，这势必会增加深部隧巷施工的破岩难度。
　　1.1.2常规与非常规破岩方法对比
　　常见的掘进方法技术成熟、应用范围广，在采矿、水利、交通等大型岩石工程中广泛应用。但面对深部硬岩，采用钻爆掘进法，需布置掏槽眼、辅助眼、周边眼，炮孔数量多，爆破过程对原岩的扰动性大，易造成周边岩石破坏，存在施工精度低、破碎块度不均匀、围岩支护困难等问题[9，10]；机械掘进法相对于钻爆掘进法解决了人工劳动强度大、进尺效率低等问题，但面对深部高应力硬岩隧巷围岩条件也有其局限性，传统机械刀具破岩可以破碎抗压强度低于120MPa的岩石，但刀具极易磨损，而增大机械刀具的破岩载荷和破岩功率，无疑会增大设备体积，造成设备成本的提高，并影响应用的灵活性。
　　在某些极端情况下，掘进机可能会被卡住或埋在挤压的巷道，或处在严重的岩爆条件或断层带中[11]。即便是隧道掘进机(tunnel boring machine， TBM)遇到大埋深、高磨蚀性硬岩和极硬岩石时，刀具的穿透深度减小，开挖效率大大降低，并伴有盘刀和刀盘异常损坏等问题，不利于提升经济效益与实现高效进尺。如秦岭深埋引水隧洞工程隧洞全长81.78km，采用隧道掘进机和钻爆法进行施工，是*具代表性的深部硬岩施工案例[12]。其岭南隧道掘进机标段自试掘进以来，12个月工期仅完成了1.9km施工任务，月均进尺不足170m，严重制约隧洞工程进度[13]。
　　不同于浅层资源(如煤)采掘过程中岩石硬度低、易破碎的特征，深部硬岩的硬度高，同时可切割性差、难侵入，因此难以大范围部署煤矿中常用的掘进设备。随着科技的进步，针对硬岩难破碎的问题，新的破岩技术探索也在与时俱进，如微波破岩[14]、临界二氧化碳破岩[15]、激光破岩[16]、水射流破岩[17]、等离子体破岩[18]等。这些新技术的核心目标是通过预制裂缝或提高破岩机械的能量输入效率来实现硬岩破碎。这些技术在部分场景中取得了一定的成效，但仍存在工艺复杂、设备要求高、危险性高等问题，见表1-1。
　　“微波辅助机械破岩技术”[19]的提出，是因其具有不引入新介质、危险性低、易屏蔽且能源输送方便等优点，近年来，该技术应用的理论和试验支撑越来越完善，被认为是高效破碎硬岩极具潜力的解决方案。采用微波辅助破岩，具有低扰动[20]、高效能[21]的优点。
　　深入揭示微波辅助破岩的作用机理及微波辐射破岩路径优化具有十分重要的理论与工程意义，可为硬岩的低能耗、高效率破岩路径设计提供基础理论指导，降低和减弱岩石强度过高在深部高应力环境中引起岩爆、冲击的危险，为我国深部空间与资源实现安全高效地开发利用起到重要保障作用。
　　1.1.3微波辅助破岩原理
　　微波是电磁波的统称，频率从300MHz到300GHz，相应的波长从1m到1mm。其在电磁光谱上的频带和波长如图1-1所示。电磁波是一种电(E)和磁场(B)分量以相位振荡，相互垂直，也垂直于传播方向的自传播波。电磁波是由电荷加速产生的。当电荷呈正弦运动时，电磁辐射也会呈正弦运动，如图1-2所示。
　　本质上，任何不是完美电导体和完美绝缘体的材料都可以被微波加热。材料(电介质)的电荷在微波作用下发生极化，由于材料极化无法跟随电场的极快反转或直接传导从而产生热量。介电极化机制可以分为不同尺度上的离子极化、界面极化、原子极化和电子极化，如图1-3所示。
　　受频率和作用机制的影响，电子极化、离子极化和界面极化在微波加热岩石过程中产生的电流和热量是非常微弱的，原子极化是微波加热岩石的主要机制。其机理是，不同类型的原子形成晶体时，它们通常不会对称地共享电子，因为电
　　子云会向更强的结合原子偏移，由此原子获得极性相反的电荷，而微波作用形成的电磁场会打破原子本身的平衡位置，因此原子极化的作用效果与原子间、分子间作用力的强度有关。
　　在微波辐射作用下，岩石矿物自身的介电特性会消耗微波能量，并将该能量转化为热能，使介电特性较强的矿物在短时间内迅速升温，在岩石内部形成“热点”，从而导致岩石在水分蒸发、内部矿物分解、膨胀的共同作用下发生破坏。由于岩石矿物的介电特性差异巨大，在微波辐射下会以不同的速率加热。图1-4(a)说明了岩石基体中如何产生粒间和跨晶裂纹。微波对岩石的强度影响主要取决于矿物的热电特性和介电特性(由矿物组成决定)、粒径、矿物扩散。*佳情形下，有20%的微波吸收性矿物被包裹在微波透明矿物中。在微波辐射下，硬岩的破裂过程如图1-4(b)、(c)、(d)所示。
　　1.2微波破岩的发展历程
　　现有的微波破岩技术主要应用方向为：微波直接破岩和微波辅助机械破岩技术；两种技术各有优势，但检验方案可行性的现场试验报道十分有限，主要是受地下环境的应力场、破岩机械、施工方法等的不成熟限制，目前还无法大规模推广和应用微波辅助破岩技术。
　　一般微波设备由单模或多模微波腔体、微波发生器和磁控管组成，微波设备对腔体材料和各装置的吸波、反波以及透波特性要求较高。要研究微波与不同类型、不同尺寸岩石之间的相互作用，*先要掌握不同微波设备关键参数和工作运行特征。随着现代工业微波技术的不断发展，室内试验中低能微波设备的种类和功能逐渐多样化。
　　表1-2为近年来代表性的微波辐射岩石试验中所选择的低能微波设备及岩石参数。在进行微波辐射破岩试验前后需要用其他仪器来分析相应的各项参数指标。目前试验中所采用的微波设备主要由微波频率为2.45GHz的单模或多模谐振腔构成的工业微波炉和大功率微波加热系统。由表1-2可知，试验中所选择的岩石类型和尺寸各不相同，且试验过程中配合不同微波参数设计了多组正交方案。对于不同类型的岩石，都有一组*佳的微波参数使其破岩或熔融成孔效率达到*优，试验中以更高的微波能量去破岩时，岩石由固态变到热熔和气化状态，并在微波设备辐射过的岩石区域形成气-液-固三相混合物，同时由于岩石物态改变，大量的微波能量被反射和散射，从而造成一定微波能量的损失，因此，微波功率、辐射时间和辐射距离是微波高效率低能耗破岩的三个关键参数。
　　近年来，微波辐射岩石试验研究成果丰硕，但是，试验设备多采用相同原理的四周型微波设备，很少从破岩的实际工程环境出发，受设备限制，在有围压与大尺寸条件下，难以实现微波发生器对岩石正面进行垂直能量输入。因此，对微波设备进行更深层次的探究与研制时要综合考虑试验的真实性、稳定性以及试验过程中高能量损耗与微波反射问题，从而为不同环境以及不同岩性和尺寸的岩石，设计并优选出更适合的大型高效高能微波设备。
　　1.2.1高功率微波直接破岩研究
　　早在20世纪80年代，微波技术就被认为可以用于硬岩破碎与开挖。然而当时微波辅助破岩技术还处于起步阶段，微波辅助破岩技术面临成本高昂、关键技术不足等问题。近年来随着高功率微波源技术的发展，目前已经生产出功率数百千瓦甚至兆瓦量级的电真空管，转换效率可超50%，因此利用高功率微波能量熔穿岩石逐渐具备了技术条件。
　　以色列科学家E.Jerby等早在2002年就开展了C波段高功率微波钻孔试验[22]，