Лазерное разрушение горных пород

Интенсивные исследования в области использования лазеров для разрушения горных пород в Советском Союзе и за рубежом начались в 70-е годы [32]. Рассмотрим процессы (хрупкого) разрушения, плав­ления и испарения горных пород с позиции кинетической теории проч­ности. Такой подход к данной проблеме обусловлен следующими об­стоятельствами. Эволюцией процесса разрушения горных пород под воздействием луча лазера в зависимости от интенсивности излучения (а также и от площади облучаемой поверхности) включает три ос­новных фазы деструкции среды [45]. В зависимости от плотности подводимой энергии и длительности облучения выделяют три зоны пороговой плотности облучения. На рис. 84 показаны зоны испаре­ния, плавления и ослабления породы в режиме лазерной резки плав­ление — испарение. При плотности подводимой энергии значительно меньше пороговой (т.е. при которой порода плавится) наблюдается ослабление породы без видимых зон микроразрушения, — зона I (см. рис. 84). С увеличением плотности подводимой энергии наблюдается процесс микроотслоения частиц (зерен) с поверхности — шелушение, с понижением микротвердости зерен породообразующих минералов (зона II). Причем, следует отметить, что шелушение характерно да­леко не для всех скальных горных пород. Шелушение свойственно, как правило, для горных пород типа гранитов, кварцитов и т.д., раз­рушающихся хрупко, в нормальных условиях. При плотности выше пороговой, — зона III (см. рис. 84), порода плавится. Плавление и пос­ледующее испарение сопровождается деформированием ослабленных зон за счет термических напряжений. Таким образом, теоретически возможно управление механизмом .разрушения горных пород в за­висимости от параметров луча лазера, направленного на поверхность горной породы. Однако следует отметить, что реальный процесс раз­рушения включает еще и четвертую стадию - испарение материала. В некоторых разновидностях горных пород в зависимости от состава разрушение сопровождается одновременно хрупкой деструкцией и частичным плавлением зерен минералов с низкой температурой плав­ления.

Возможность использования кинетической теории прочности для феноменологического описания разрушения горных пород от стадии хрупкого разрушения до испарения предварительно расплавленного материала связана с фундаментальными представлениями о термофлуктуационных процессах в кристаллических решетках минералов в диа­пазоне температур вплоть до температуры плавления. Отметим, что близость энергии активации процесса разрушения некоторых разно­видностей горных пород к энергии сублимации дает дополнительное основание для использования концепций кинетической теории проч­ности в приложении к лазерному разрушению горных пород.

Очевидно, что для описания комплекса сложных явлений, проте­кающих в зернах горных пород и межзерновом пространстве, а так­же межзернового взаимодействия минералов с различными упруги­ми тепловыми и прочностными свойствами, недостаточно феномено­логических представлений о процессах деформирования, разрушения, плавления и испарения твердых тел, оконтуренных кинетической тео­рией прочности. Это связано с эволюцией процесса разрушения ма­териала под воздействием высокой температуры. Горная порода, как монолитная зернистая среда, существует только до эквикогезивной температуры - температуры межзерновой деструкции, как правило, значительно более низкой, чем температура плавления. Эта область высоких температур содержит широкий спектр далеко еще не решен­ных задач механики хрупкого разрушения горных пород. При пост­роении моделей процессов лазерного разрушения горных пород сде­лана попытка в полной мере использовать некоторые модели терми­ческого разрушения горных пород как микронеоднородных зернис­тых сред. Это связано с тем, что разрушение горных пород на стадии, предшествующей плавлению, развивается вследствие термических нап­ряжений, т.е. на этой стадии лазерное разрушение горных пород, в ос­новном, обусловлено термомеханическими эффектами.

Разрушение кварца. Кварц отличается высокой прочностью - до 800 МПа. Между тем при бурении кварцевых пород ал­мазные коронки быстро зашлифовываются и дают низкую проходку при малой механической скорости.

Для исследования были взяты кристаллы темного дымчатого квар­ца (низкотемпературный α-кварц). Использовалось излучение с λ = 1,06 мкм непрерывное и импульсное с τ = 3 · 10^-8 с На цилиндри­ческие образцы, приготовленные из кристаллов кварца, размером R = 12 мм и толщиной h = 20 мм, воздействовали несфокусирован­ным непрерывным излучением (диаметр луча — 2 r_Q = 3 мм) с изме­няющейся мощностью. Интенсивность импульсов не превышала по­роговый импульс Iр, воздействие которого приводит к возникнове­нию разрушений минимальных размеров. Температура кварца реги­стрировалась при воздействии непрерывного излучения. При этом оп­ределялись микротвердость образцов и ее изменение в результате воз­действия на приборе типа ПМТ-3. Строение кратера разрушения по срезу его в аншлифах в отраженном свете изучалось с помощью при­бора ОИ-12.

При воздействии непрерывного излучения разрушение определя­лось разогревом образца. Мощность воздействующего высокоинтен­сивного излучения обусловливала температуру, которая возникала в образце. Разрушение не происходило, пока область воздействия не разогревалась до Т = 870 К. В зависимости от коэффициента погло­щения конкретного образца мощность излучения, необходимая для разогрева образца до указанной температуры, составляла 70 - 90 Вт. Эту мощность непрерывного излучения можно считать пороговой. Раз­рушение возникало внутри образца, т.е. там, где излучение поглоща­ется кварцем, и представляет собой систему трещин. Изучая область разрушения под микроскопом, можно сделать вывод о "разрыхле­нии" материала. При этом создается впечатление, что материал рас­ширился, а потом в процессе охлаждения его размеры уменьшились, т.е. появление разрушения связано с расширением (при 870 К) и сжа­тием (290 К) материала. В центре кратера было видно образование материала, который испытывал расширение. Размеры кратера равны примерно диаметру луча.

Воздействие импульсного излучения на образцы кварца при ин­тенсивности импульса, которая ниже пороговой (I < I_р), не приво­дит к их разрушению. При воздействии порогового импульса возни­кает разрушение. Точно измерить температуру образца в этом слу­чае не удается. Можно только оценить ее: T = к 1τ /с р = 600 К. При оценках использовался измеренный коэффициент поглощения I_р = 6,5 - 10¹⁴ Вт/м², который определяется поглощением в микрооб­ластях с повышенным содержанием примесей. Все внешние характе­ристики разрушения точно совпадают с вышеописанными.

Прочностные характеристики образцов при воздействии непрерывного излучения показаны на рис. 85 (область лазерного разрушения составляет 3 мм). При отсутствии разрушений в материале (мощность менее 60 Вт) изменений в прочностных характеристиках материала не наблюдается (см. рис. 85).

Когда мощность воздействующего из­лучения превышала 80 Вт и появлялось разрушение, прочность квар­ца изменялась. Вблизи оси воздействующего излучения микротвер­дость меньше, чем в исходном образце ,и составляет 0,8 от ее величи­ны. На расстоянии около 4 мм микротвердость возрастает в 1,3 раза (по отношению к нормальной), а на расстоянии 4,5 - 5,5 мм вновь умень­шается до нормальной, т.е. величины микротвердости материала, ко­торый не подвергался воздействию излучения.

При воздействии импульсного излучения, когда интенсивность импульса ниже пороговой и разрушений нет, изменений прочностных характеристик не наблюдается. При возникновении разрушений просле­живаются те же изменения микротвердости. Вблизи области фокуса, на расстоянии менее 1 мм, отмечено понижение микротвердости (в среднем до 0,8-0,7 микротвердости необлученного материала), затем наблюдалось ее повышение на расстоянии 1-1,5 мм и, наконец, вновь понижение до значений микротвердости необлученного материала.

Измерения температуры показали, что она возрастает со време­нем и, достигая максимальной величины, остается постоянной, т.е. устанавливается стационарное распределение температуры. Время ус­тановления стационарной температуры „ примерно одинаково, не зави­сит от мощности воздействующего непрерывного излучения. Величи­на же максимальной температуры зависит от мощности воздействую­щего непрерывного излучения. В температурной кривой по выходе из области воздействия излучения наблюдался резкий, экспоненциаль­ный спад. При превышении мощности воздействующего излучения (более 80 Вт) отмечается разрушение кварца, когда температура дос­тигает около 870 К и затем разогрев разрушенного образца. При импульсном воздействии зарегистрировать температуру не удалось, так как время остывания фокальной области примерно на порядок мень­ше временного разрешения прибора.

Найденная температура образца при воздействии излучения мно­го ниже температуры плавления кварца (1770 К), поэтому предпо­лагать существование фазовых переходов, стимулирующих разруше­ние образца, не приходится. Рассмотрим микромеханическую модель лазерного разрушения. Вначале рассмотрим возможность разрушения кварпа термоупругими напряжениями, используя результаты рас­четов. Рассматривая перенос тепла с учетом теплопроводности мате­риала, получили величину возникающих напряжений о порядка 10 МПа. Значения о, полученные при рассмотрении механизма термоуп­ругих напряжений, существенно меньше экспериментальных значе­ний пределов прочности кварца. Таким образом, тер­моупругие напряжения не в состоянии самостоятельно разрушить об­разец, но могут содействовать его разрушению согласно кинетичес­кой теории прочности [35].

Рассмотрим структурные изменения, связанные с разогревом об­разца. При разогреве кварца до 846 К происходит переход α-кварца в высокотемпературную полиморфную модификацию (β - кварц), что сопровождается увеличением объема скачком на 5—6 %. Такие прев­ращения происходили и в описываемых опытах. Увеличение объема разогретого кварца вызывает возрастание нагрузки. Определим ве­личину нагрузки, исходя из закона Гука: а =е Е = 1,5 · 10⁴ МПа ( є = 0,02; Е - модуль Юнга); что близко к значению предела теоретичес­кой прочности кварца. Реально расширение будет происходить до тех пор, пока σ не достигнет разрушающей величины. Возникающие нап­ряжения определяют возможность разрушения образца. Возникают микротрещины, в которых происходит трибопробой и излучение пог­лощается возникшей плазмой. Полностью реализуется микромехани­ческая модель разрушения. Однако, в кварце нет смысла рассматри­вать микроструктурные дефекты (кристаллики α-кварца), поэтому рассматриваем разрушение во всем фокальном объеме.

Рассмотрим распределение значений микротвердости в образце. Термоупругие напряжения, возникающие в нем, связаны с перехо­дом сжимающих напряжений в растягивающие (угловые и вдоль оси) [16] . Судя по распределению напряжений в образце, можно предпо­ложить, что возникающие неоднородные напряжения приводят к воз­никновению дефектов в структуре, что, вероятно, определяет изме­нение микротвердости кварца [ 14].

Лазерное разрушение определяется температурным разогревом дымчатого кварца. Рассмотрим более подробно температурное рас­пределение в дымчатом кварце. В опытах температурное распределе­ние в образцах измерялось при неодинаковых мощностях воздей­ствующего непрерывного излучения (соответственно различные тем­пературы образца) и при разных теплоотводах с его поверхности. Раз­личный теплоотвод, который подбирался экспериментально, осущест­влялся посредством контакта со льдом или песком.

На рис. 86 приведены результаты измерения стационарного тем­пературного распределения при воздействии высокоинтенсивного из­лучения, а также расчетные кривые. Область лазерного воздействия составляет 0,2 и 0,3 R/r. Температурное распределение в образце дымчатого кварца при воздействии излучения одной и той же мощности, но при различном диаметре луча, одинаково, т.е. характер кривых подобен и они совпадают (см. рис. 86). Максимальная температура образца возрастает при уменьшении диаметра луча воздействующего излучения, имеющего одинаковую мощность. С падением мощности воздействующего излучения вдвое (при одинаковом диаметре луча) температурный разогрев на оси луча также снижается вдвое.

При изменении теплоотдачи с поверхности образца кварца меня­ются температура поверхности и максимальная температура в образ­це (влияние площади луча прежнее). С увеличением теплоотдачи тем­пература поверхности (в точке R, т.е. R/r = 1) уменьшается, также снижается максимальная температура вблизи оси воздействующего излучения (см. рис. 86). Уменьшение теплоотдачи приводит к проти­воположным результатам. Градиент температур остается неизменным. Кривые температурного распределения смещаются относительно од­на другой.

При воздействии излучения разной мощности в образцах дымча­того кварца наблюдается различие градиентов температур: градиент температур возрастает с ростом мощности воздействующего излуче­ния. Итак, характер стационарного температурного распределения оп­ределяется поглощенной мощностью и диаметром области разогре­ва. Изменение теплоотдачи лишь смещает температурные кривые от­носительно одна другой.

При определении температуры в цилиндрических образцах будем рассматривать слой образца толщиной к^{-1 см}, пренебрегая теплоотдачей с торцевой поверхности внутрь образца. Используя решение дли стационарного случая, получаем функцию источника для поглощаю­щей среды:

(5.75)

где r₀ — радиус луча; W - мощность, поглощенная в образце. Тем­пературное поле определяется по формулам:

где λ’ - коэффициент теплопроводности материала; а-коэффици­ент теплоотдачи; Т0 — температура окружающей среды.

Значение температур T2 и Т₂ определяет температуру во всем об­разце (см. рис. 86). Несмотря на весьма приближенные методы рас­чета, полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетными. Из решения следует, что температура на поверхности об­разца определяется из выражения

(5.78)

Температура не зависит от интенсивности излучения. С увеличени­ем интенсивности излучения (уменьшение площади луча при постоян­ной Мощности) градиент температур возрастает. Теплоотдача будет лишь изменять температуру на поверхности образца. Увеличение теп­лоотдачи уменьшает температуру поверхности, а снижение теплоот­дачи приводит к возрастанию температуры. Из выражения (5.77) вид­но, что зависимость температуры от теплоотдачи линейная. При реше­нии задачи в условии контакта с другими материалами коэффициент теплоотдачи подбирался из решения уравнений (5.76) Я (5.77) для температуры на поверхности образца. Таким образом, из решения за­дачи теплового распределения и сопоставления его с экспериментом можно полагать, что различие в температурах определяется теплопро­водностью и величиной теплоотдачи. В данном случае не рассматри­ваются возможные разрушения кварца в области воздействия излу­чения, которые были рассмотрены выше.

Лазерное разрушение гордых пород. В экспе­риментах использовались, образцы минералов из группы силикатов и карбонатов - роговая обманка, биотит, кварц, микроклин-, олиго-клаз _и кальцит. Поверхность минерала шлифовалась, что позволяло определить изменение в структуре минерала и выяснить характер воз­действие лазерного излучения путем изготовления шлифов с облу­ченных участков. В опытах использовалось излучение с длиной вол­ны λ = 0,69 и 1,06 мкм, длительность импульса 10 ^-3 и 10 ^-8 с и с ин­тенсивностью больше порогового значения (τ = 10^-3 с). При этом лазерное излучение фокусировалось в образец. Разрушения, возни­кающие в образцах, изучались в отраженном свете под микроскопом и по шлифам на поляризованном микроскопе. Прочность материала определялась по микротвердости минералов.

М.В. Ахманова, В.А. Китайгородов и A.B. Карякин рассматрива­ли разфушение различных материалов под воздействием лазерного излучения, где установлена моментальная сухая возгонка материала (NaCl, KCl, КВт, ALO,, SiCL, Si, InP, PbS, Pb, Fe, Cu, AI). При воз­действии излучения с I >Iр(λ = 1,06 мкм) разрушения различных материалов определяется тепловыми процессами. Таким образом, при воздействии лазерного излучения с I > I_р основное внимание сле­дует обратить на тепловое разрушение горных пород, хотя в разруше­нии следует учитывать и возникающие ударные волны. Очевидно, в раз­личных минералах более ярко выражен первый или второй эффект. С этой точки зрения используемые минералы делились на две груп­пы. К первой (тепловой эффект) были отнесены биотит и роговая обманка из группы ленточных и слоевых силикатов, в которых наб­людалось плавление с выплеском расплавленной массы из кратера. Вокруг кратера и внутри него можно было наблюдать спекшийся, ра­нее расплавленный минерал. Лазерное разрушение биотита показано на рис. 87. Когда ось луча лазера была перпендикулярна к пластин­кам биютита, кратер имел форму конуса. По краям кратера .биотит оплавлен и превращен в спекшуюся пузыристую массу. В шлифе, при­готовленном из среза, параллельного, устью кратера (см. рис. 87, б), в скрещенных николях в центре кратера наблюдается скопление ак­цессорных минералов, которые остались, как бы отфильтрованными из испарившегося биотита. Это не новообразования, так как подоб­ные минералы встречаются и в исходной породе. На рис. 87, в пока­зан поперечный разрез кратера, полученный при действии луча лазе­ра в направлении, параллельном пластинкам биотита (перпендику­лярном к третьему пинакоиду). Здесь четко видна измененная зона мощностью по бокам кратера до 0,1 мм, в дне до 0,14 мм.

Измене­ния в краевой части зоны выражаются в спекании биотита в пузыр­чатую массу. Во внутренней части зоны биотит становится почти бес­цветным. Переход к исходному биотиту не всегда четкий; граница между обеими частями зоны* неровная, карманообразная. Эта неравомерность, возможно, обусловле­на различием в микростроении смежных участков. При определе­нии микротвердости (изменение прочности биотита в результате ла­зерного облучения) использовалась природная полировка листочков биотита на плоскостях спайности, так как вследствие расслаивания биотита отполировать его должным образом не удается.

Из графика, по­казанного на рис. 88, видно, что вокруг кратера на расстоянии l = 3 r (r — радиус кратера ) наблюдается зона повышенной микротвердости, связанная со спеканием минерала и с выплеском расплавленной массы вокруг кратера. В зоне шириной 10 г микротвердость понижается, хотя ясно выраженной трещиноватости не наблюдается. На поперечном раз­резе по отношению к спайности вокруг лазерного кратера просле­живается расслаивание листочков биотита, что и приводит к сниже­нию микротвердости и прочности минерала.

В роговой обманке характер воздействия лазера тот же. Вокруг кратера наблюдается спекшаяся пузыристая зона, в самом кратере образуется тойкораскристаллизо-ванная масса. По форме кратер вы­тянут вдоль спайности (при направлении луча перпендикулярно к спай­ности) , что обусловлено большей величиной теплопроводности в этом направлении.

Итак, в первой группе минералов преобладающим низкой температурой плавления минералов этой группы, что, в свою очередь, связано с особенностями строения их кристаллических решеток. Биотит, как и другие слоевые силикаты,относится к минера­лам с преобладающей вандерваальсовской, т.е. самой слабой связью между атомными комплексами. У ленточных силикатов ленты крем-некислородных тетраэдров соединены между собой в кристалличес­кой решетке также слабыми остаточными связями. Температура плав­ления минералов, как и их прочность, зависит от этого слабейшего типа связи.

Ко второй группе (ударное воздействие) относятся кварц, микро­клин, олигоклаз, ортоклаз из группы каркасовых силикатов. Резуль­тат воздействия лазерного луча на эти минералы одинаков: почти во всех случаях по краям кратера наблюдаются нечеткие раковистые сколы и изменение оптических свойств. Разница лишь в величине кратера и его форме. В кварце кратер имеет правильную круглую форму, так как этот минерал относится к изодесмическим соединениям. Края кратера слегка волнистые, радиус в 10 раз меньше, чем в биотите (r = 0,05 мм) при той же глубине (0,2 мм). В олигоклазе радиус кратера больше — до 0,3 - 0,4 мм (0,7 кратера в биотите), форма его менее правильная, края неровные, так как среда была, очевидно, более анизотропной, о чем свидетельствует и наличие спайности. В микроклине диаметр кратера равен диаметру кратера в биотите. Края кра­тера неровные, с мельчайшими изломами по двойникам. На рис. 88 показаны изменения прочности минералов этой группы в результате лазерного воздействия. Из графика микротвердости произвольного сечения ортоклаза видно, что наиболее эффективное воздействие лазера наблюдается в пределах расстояния l = 12 r. Несмотря на разброс значений микротвердости, связанный с развитием трещиноватости, хорошо прослеживается общая тенденция снижения микротвердости с приближением к центру лазерного кратера. Особенно наглядно воздействие луча лазера наблюдается в кальците благодаря повышенной хрупкости минерала и наличию весьма совершенной спайности по ромбоэдру.