热能破碎岩石
碎的原因主要为温度分布不均匀
当岩石整体受热膨胀后，外部的遇到冷水急剧降温并收缩，可是岩石内部短时间内并未遇水降温并收缩，保持膨胀的体积，于是把收缩的外部岩石撑破。
就想穿衣服一样，衣服变小的，肚腩保持不变，衣服势必被撑破
由于岩石的破碎没有可逆性，就会从外到内层层破裂构成了破碎
石头有很多种，化学成分各不相同。能与白醋（主要是白醋中的乙酸）反应的石头主要有含有碳酸钙成分的方解石，石灰石，大理石等以及毒重石（含有碳酸钡）等。反应的共同现象是石头表面有大量气泡冒出（生成二氧化碳气体）。
岩石热破碎是近年来各国在非机械破碎岩石研究中的一个重要方面。
早在几千年以前，我国古代就掌握了用火烧水浇的破碎岩石技术。明代陆容所著的《菽园杂记》以及后来的《明史·河渠》中，均有报道，当时用来开采坚硬的铜矿石和开凿运河的坚硬岩层。
在17世纪前，即使在发明了用火药爆破岩石之后，对于坚固岩石由于手工凿岩的效率很低，直到19世纪上半叶以前，热破碎还是被当作对付坚固岩石的有效措施。只是在机械凿岩兴起后，才被淘汰。
近代的岩石热破碎，主要是利用了现代的加热手段，代替古代用木柴来烧的办法，因而能够迅速地造成岩石剧烈的冷热不均，从而达到高速破碎的效果。有时，还利用集中的高热，使岩石弱化、熔化或气化（如热熔钻、热能-机械能辅助碎岩等）。现代的加热源有火箭喷气机、等离子焰、高频电流、微波照射、红外线照射、激光照射，以及高热化学反应等，凡是能够产生热的各种办法，无不用来作为破碎岩石的尝试。但是直到今天，真正能用于工业生产的却为数不多，究其原因是加热装置比较复杂，不适用于野外工作条件，工作时噪音比较大，有的难于采取岩矿心，有的成本高，等等。
图1-6-9 线膨胀系数与温度变化曲线
一、高温下岩石的物理力学性质
岩石的热破碎，不仅和岩石的力学性质有关，还和它的热学性质有关，如导热系数、比热、热膨胀系数以及晶体的相变等。因此，必须研究岩石的物理力学性质，以便有效地发挥热破碎作用。
1.线膨胀系数
由于岩石是一种不均质各向异性体，线膨胀系数不是常数，而是随温度而变化的量。日本学者厨川测得4种岩石线膨胀系数和温度变化数据，绘成的a-T曲线如图1-6-9所示。石灰岩的变化平缓；砂岩、安山岩和花岗岩的线膨胀系数变化较大，且有极大值，极大值与室温下的a值可相差24～120倍。可见，在热应力计算中，把a当作常数来选取是不符合实际的。
2.温度对弹性模数的影响
温度对各类岩石弹性模数的影响不尽相同。SiO2类岩石，弹性模数随温度增加而逐渐减小，例如温度由20℃升到600℃，弹性模数减小20%～30%；对于无水碳酸类岩石，在温度小于800℃的条件下，弹性模数基本上是常数。
表1-6-1引入几种岩石弹性模数随温度升高而变化的数值。分析表中数据看出：岩石的弹性模数随温度升高而逐渐减小，但减小的规律是不相同的。
表1-6-1 在各种温度条件下的岩石弹性模数E
3.温度对岩石强度的影响
试验表明，大多数岩石的强度经过加热后下降，加热温度越高，下降的幅度越大；冷却的速度越快，强度下降的亦越多。有一些岩石如砂岩、辉长岩、无烟煤等温度升高，强度反而上升，见图1-6-10所示。
4.导热系数λ的影响
热破碎的难易与岩石的导热性能密切相关。导热性能好的岩石，不容易产生梯度大的热应力，即很难产生片落形式的破坏。
表1-6-2列出了几种岩石在常温下测得的导热系数值。由表可看出：不同岩石的导热系数相差是很大的。
导热系数的大小还与温度、岩石构造（层理）、矿物成分、孔隙度、含水率等因素有关。导热系数与温度的关系见图1-6-11所示。图中从20℃加热到200℃这段区间内，导热系数随温度升高而减小的最快；过了200 ℃以后，导热系数减小的缓慢，其中有的岩石，如花岗岩的导热系数几乎不受温度升高的影响；冷却时，导热系数随温度的下降近似直线的增长。
5.温度对比热的影响
比热是计算岩石吸热量的重要指标。当温度变化时，比热也发生变化。图1-6-12为比热随温度而变化的试验曲线，该曲线是对4种岩石从50℃加热到600℃条件下得到的。从4条曲线变化规律看出，斑岩比热对温度升高敏感，石英岩和石灰岩次之，而花岗岩几乎不受温度升高的影响，它的比热可看作常数。
图1-6-10 温度对岩石强度的影响
表1-6-2 常温下测得的岩石导热系数
图1-6-11 加热温度对导热系数的影响
图1-6-12 比热与温度关系
6.石英的相变
石英是组成岩石的重要矿物，占地壳总重量的11%。因此，在破碎岩石中经常遇到含有石英的岩石。石英有α，β等多种晶相结构。β-石英属于三方晶系，稳定温度为573℃；α-石英属于六方晶系，稳定温度为573～870 ℃。
石英受热作用到一定温度时发生相变。如β-石英加热到573 ℃，热能很快（约2～8s）引起硅（Si）和氧（O2）的重新排列而成α-石英，同时引起体积膨胀（石英冷却降温时发生体积收缩）。表1-6-3列出了石英相变多个阶段的温度和体积膨胀的百分数。
表1-6-3 石英相变转化温度与体积变化
石英相变引起体积变化特性，易引起热涨应力。因此，凡是含有石英的岩石容易在573 ℃左右的温度作用下，产生剥离破碎。
7.温度对岩石电阻率的影响
在利用电热方法破岩中，岩石电阻率是个重要物理参数。
影响岩石电阻率的因素甚多，如：矿物成分（含金属成分愈多电阻率愈小）、湿度、孔隙度、层理、温度等。
温度对岩石电阻率有两方面的影响：一方面是因温度升高使岩石内分子热运动加剧，碰撞次数增多，阻力增加，导致电阻率增大；另一方面，温度的升高使岩石内带电质数目增加，提高岩石导电性能，导致电阻率降低。通常，大多数岩石的后一方面作用大于前一方面的作用。所以，大多数岩石的电阻率随温度升高而有显著的下降。
二、岩石的热破碎理论
与破岩直接相关的是热能产生的热应力。在一维条件下，温度由T0升到Ts时，热应力与温度增减值成正比例关系，即：
碎岩工程学
式中：σh为热应力，kg/cm2；K为无因次常数；E为弹性模数，kg/cm2；α为热膨胀系数，℃-1，其值随温度而变化。
与热应力有关的岩石热破碎理论有：热拉应力破碎理论；热剪应力破碎理论。此外，还存在岩石相变、分解和熔融的破坏作用。
1.热拉应力破碎理论
从岩石抗拉强度弱这一特点出发，许多研究热破碎的学者认为：热拉应力是造成岩石破碎的主要原因。
当热源作用于岩石时，岩石内的热应力值超过岩石抗拉强度，岩石即形成分离新表面而脱离岩体。按断裂力学观点来解释，应该是物体内部存在的微裂纹尖端受热应力影响产生极大的拉应力，这个拉应力值超过岩石的抗拉强度时，微裂纹即扩展导致岩石碎裂。
按此理论，在已知热源的条件下，可确定岩石破碎的范围，或者在岩石选定条件下，也可反求为达到破碎所需的热量和温度。
2.热剪应力破碎理论
有人提出用两个邻近等温面差产生剪应力的数值，作为判断物体破坏的标准，即当两个相邻等温面产生的剪应力超过材料最大剪应力时，材料发生热破碎。于是把这种理论推广到岩石热破碎。还提出了两个相邻等温层剪应力的计算公式。
3.岩石相变、分解和熔融的破坏作用
热应力破碎是指岩石在没有相分解和熔融状态下的破碎。但有些岩石，如含石英的花岗岩，由于温度变化产生相变（如前所说），使体积急剧膨胀，引起强度大幅度下降，产生龟裂和剪切性破碎；又如构成石灰岩的方解石，它在500℃左右发生分解，石灰岩温度大幅度下降。对于这类岩石，就不能按拉应力理论来判断破碎发生的位置和范围。
三、热能发生装置
热能发生装置较多，能提供热源的方式除了火钻的超声速火焰射流外，还有激光、等离子体、电子束、微波等方式。
1.火钻
在古代就知道用火烧法来破碎岩石。20世纪初，曾用氧气枪来钻孔。
1938年，火钻首次在美国开始试验。1947年以前，主要是熔化法，随后改进为温差应力剥落法已成为实用方法。它主要用在露天矿爆破钻孔的扩底作业。工业上则用以切割石材和混凝土，焚烧垃圾等。
目前，火钻已有专用移动式钻机，其主要部件有：工作机构（喷射燃烧器）、升降机构、回转机构、供给系统、移动机构、底盘、桅杆、操作台和固定机构。此外有风扇、氧气车、水车、油车等附属设备。
图1-6-13 火钻喷射燃烧器的工作原理示意图
喷射燃烧器（图1-6-13）类似液体喷射发动机。它的燃烧室尺寸小，发出的单位体积热量大；用数个（常用三个）喷嘴，受压入的燃油或汽油（0.7～1.0MPa）和输入氧气（0.9～1.2MPa）的动力冲击，使燃油在燃烧室混合、雾化并燃烧，再由喷嘴喷射出去。喷射气体流速可达超音速，火焰气流温度约3000℃，从而对岩石直接产生热应力和机械破碎作用。喷射燃烧器采用水（0.4～0.55MPa）来冷却燃烧器壁，喷水形成的蒸汽则将岩碴（直径≥0.83mm者约占一半）排除。也可用7个大气压的压缩空气代替氧气，此时焰流温度约2000℃。
燃烧器与孔底经常保持18～20cm的间距，其最佳转数为10～20r/min。
火钻还可增加水射流辅助作用，水射流从火钻侧面引入井底，岩屑靠水射流往上返。
2.激光破碎岩石
激光是一种自1960年开始极快的发展的新兴技术。进入70年代，投入到碎岩试验。在切割岩石、掘进巷道、钻孔时曾采用激光做联合碎岩的试验，并取得了良好结果。美国专家预计，它将会在采矿工业中成为实用技术。
激光是在气（液、固）体激光器中，激活物质受到外力作用后大部分原子上升到激发状态，并自发辐射的一部分光子逸散；轴向光子引起受激发射，并通过两端面反射镜的反射而使光子共振、受激辐射、增强（放大），此激光束则是从部分反射镜端辐射出来，它是具有极高的频率（1014s-1）与极短的波长（10-2～10-5cm）的高能光束。
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、聚光性好等优越性能。光束密度可达109W/mm2，受这样高的能量密度的光照射时，物质在极短时间内（μs或ms）于很小范围内可产生数百万摄氏度的高温，从而被熔化和蒸发。目前，应用在破碎岩石方面的激光束功率近于20～40kW。现在正在研究200～300 kW的激光器。
激光碎岩主要是使岩石受热后微裂隙扩张与增多；相变化引起晶粒分离；气体与水的空穴扩张以及整体化学变化所造成的。因此，激光可用于直接碎岩与辅助碎岩（热弱化与切割钻孔周边）。
在国外，已将激光辅助碎岩用于联合掘进机。当工作时，首先由激光器发射的激光束在坑道掌子面上制造小眼和裂纹，然后凿岩机把大块岩石凿下来，从而大幅度地提高掘进速度。有人作过试验：把激光与盘形滚刀联合破岩，若以0.254cm/s的速度横移600W的聚焦激光，能使滚刀碎岩速度提高3.5倍。有资料报道：1kW激光，能以1.8～2.4m/h的速度钻进烟煤；以3.7～4.6m/h的速度钻进亚烟煤。在硬花岗岩中，需使用5～17kW的激光，例如，用14.5kW的切槽激光将使直径为0.3m的爆破孔钻具，在石英岩中钻进速度增加2倍（即从10m/h增加至30m/h）。
图1-6-14 等离子体喷枪示意图
激光破碎岩石的优点是：能量密度高，易使任何岩石形成窄而深的熔化切口；可在水中作业；激光的聚焦和传输比较容易。
激光碎岩存在的问题是：激光器的总效率比较低；输出功率较小；大功率激光器容积较大；激光束及其反射波对人体无益；激光器在孔底的工作条件不佳。
3.等离子体破碎岩石
大约在20世纪60年代中期，以等离子体切割金属的技术被引入到岩石破碎中，并用于二次破碎大块岩石。它在钻孔、切削、掘进中试验的效果较好。
等离子体（物质的第四状态）是一种超高温（数千至数万度）电离气射流。若在等离子枪（如图1-6-14所示）的金属阴、阳极之间加上常规的直流电压，便可通过高频电火花或碳粒短路激发，而产生电弧。由于两极间通有气体介质，故高电子撞击被加热的电子介质分子或原子，并使之电离。这种连锁反应（电子雪崩）便不断地打击出两次、三次电子，形成气体部分导电（击穿），并从电场或磁场接受能量而伴随着很强的光和热（由于热的作用也促进气体进一步电离），于是在两电极隙间产生了电弧柱（同于电焊电弧）。电弧柱中电离的气体，其正负带电粒子所带电荷，数量相等而符号相反，所以称为等离子体。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而形成等离子射流。喷出后复合为气体，并迅速释放能量放出大量的热，使温度可达数千至数万摄氏度。利用这个高温可获得很高的融熔岩石的效果，例如，在坚硬的花岗岩、花岗闪长岩、砂岩、石英岩中进行穿孔（钻孔直径为φ75～φ135mm）时，穿孔速度可达到2.7～4m/h。美国已研究用等离子焰于硬岩隧道钻进工程中。
4.电子束破碎岩石
利用特别的电子加速器产生高能电子来进行破碎岩石，是近20 年间发展起来的新技术。曾进行了切割、钻孔试验，说明颇有发展前景。
产生电子束的装置是一电子枪（图1-6-15），它是一个阴极发生器。电极E1和E2间的电场使电子由阴极出发作加速运动，阴极内部有电热线圈，造成其热离子源。因电子自身会产生电场，而电场的电力线向外发散，故用电子透镜使之约束并聚焦。
图1-6-15 电子枪原理图
电子束穿过岩石时，由于介质原子的电离和激发，将电子束能量（10～200keV）传输给岩石，其功率密度可达106W/cm2，故可放出大量的热，使岩石升温或熔化（或汽化）。热熔面将以3 m/s 的速度向前传播。聚焦电子束的优点是功率密度仅次于与等离子体；能量转换率达75%，高于激光和等离子体；比功约为200～3000J/cm2，不算太高。
1976年，美国还提出用脉冲电子束（≥1MV），产生脉冲热应力使岩石形成张裂剥落的构想。
此外，还有微波破碎岩石（利用微波照射岩石，使岩石发热产生热破坏）；高频电流钻（利用高频电流加热岩石）；电感应钻（用高频磁场加热和剥落磁性岩石）；电弧钻（使用10 000-30 000℉的电弧产生的高温熔化破碎岩石）等。
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