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高功率激光水平辐照花岗岩致裂成孔特性及成孔能效评价

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针对当前硬岩隧道钻爆法施工钻孔速度慢、钻头损耗大的工程难题,使用高功率激光水平辐照硬岩快速成孔替代传统PDC钻头钻孔,开展高功率激光水平辐照花岗岩成孔的可行性试验,分析高功率激光水平辐照花岗岩的致裂成孔特性;通过单轴压缩试验、扫描电子显微镜(SEM-EDS)和X射线衍射仪(XRD)衍射试验分析激光作用前后岩石的力学性能和微观物相演变;综合对比激光射孔与PDC钻头钻孔的破岩速度和比能。研究结果表明:岩石表面在激光持续辐照后形成"类爆炸坑",产生的熔融物在重力作用下堆积在孔底,吸收了孔底处大部分的激光能量,抑制了孔底岩石的热裂反应;岩石的纵向破坏受重力影响导致上下孔壁熔融物分布不均匀,随着激光持续辐照,岩孔中心将不断向下偏离光斑入射点;经功率为4。5 kW的激光水平辐照10 s后,岩样的单轴抗压强度从63。31 MPa降低至42。36 MPa,其原因是钠长石分解引起岩样中黑云母的质量分数增加;功率为4。5 kW激光射孔的破岩速度较PDC钻头钻孔的破岩速度提高95。03%,比能增加15。3%,证明了高功率激光水平辐照硬岩成孔的有效性。

李梓焜、张学民、武朝光、陈治亚、乔世范、王树英

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中南大学土木工程学院,湖南长沙,410075

中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室,湖南长沙,410075

中南大学交通运输学院,湖南长沙,410075

隧道工程 激光破岩 成孔特性 热裂特性 成孔能效

国家自然科学基金中央高校基本科研业务费专项中南大学项目

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2024

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ISSN:1672-7207
年,卷(期):2024.55(4)
李梓焜,张学民,武朝光,等.高功率激光水平辐照花岗岩致裂成孔特性及成孔能效评价[J].中南大学学报(自然科学版),2024,55(4):1433-1446.DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2024.04.016.
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