微波辅助破岩损伤规律与路径优化

本书以矿山开采、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