Thermal-breaking characteristics and crack distribution of rock irradiated by laser beams
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摘要: 激光辅助破岩是一种非接触式破岩技术，破岩效果主要受激光功率、照射时间和离焦距离等参数影响。选择石灰岩、砂岩和花岗岩3类岩石，开展了不同照射参数的破岩试验，分析了温度、射孔参数、比能、热裂效能、裂隙分布、矿物组分和微观结构等变化规律。结果表明，激光照射下3类岩石表面温度均超过2000℃、温度梯度最高可达1500℃/mm，相同位置处花岗岩表面温度和温度梯度最高、砂岩次之、石灰岩最低；3类岩石射孔直径、射孔深度和射孔速率均与照射参数密切相关，砂岩、石灰岩和花岗岩最大射孔速率分别为3.18，2.68，0.8 mm/s。相同照射参数下，比能较热裂效能高1~2个数量级，3类岩石比能排序为：花岗岩 > 石灰岩 > 砂岩。照射后岩样均存在数条主裂隙，沿径向延伸至试样边缘，石灰岩和花岗岩次生裂隙发育，砂岩未发现明显次生裂隙。照射后岩石矿物衍射强度和微观结构发生显著改变。Abstract: The laser-assisted rock breaking is a non-contact technology employed for the rock fragmentation, with its efficiency contingent upon the laser power, irradiation time and defocusing distance. To explore the effects of various irradiation parameters, the rock-breaking tests are conducted on three distinct rock types, including limestone, sandstone and granite. The temperature field, perforation parameters, specific energy, thermal-cracking energy, crack distribution, mineral composition and microstructural characteristics are studied. The results demonstrate that the rock surface temperature subjected to laser irradiation experiences a substantial increase, with the maximum temperature and temperature gradient of 2000 oC and 1500 oC/mm, respectively. The granite sample exhibits the highest surface temperature and temperature gradient, followed by sandstone, and the limestone displays the lowest values. The perforation diameter, depth and speed of rocks are closely associated with the corresponding irradiation parameters. The sandstone, limestone and granite exhibit the maximum perforation speeds of 3.18 mm/s, 2.68 mm/s and 0.8 mm/s, respectively. The relationship between specific energy and irradiation parameters mirrors that of thermal-cracking energy under the same irradiation parameters. However, the specific energy values are approximately 1-2 orders of magnitude higher than the corresponding thermal-cracking energy values. The specific energy ranking for the three rock types is as follows: granite > sandstone > limestone. The rock samples exhibit a notable presence of radial cracks that extend to the edges. The limestone and granite samples display extensive development of the secondary cracks, whereas the sandstone shows no significant presence of the secondary cracks. The irradiated rock samples demonstrat evident alterations in both diffraction intensity and microstructures when compared with their corresponding original samples.
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0. 引言
硬岩隧道高效掘进是地下工程中常见的难题，如引汉济渭秦岭输水隧洞施工时遇到了抗压强度为194~300 MPa的高石英含量花岗岩[1]，徐州地铁、青岛地铁分别遇到了强度为110 MPa的石灰岩[2]和170 MPa的片麻岩，导致掘进速度显著降低、施工成本大幅升高。为了提高硬岩隧道掘进效率，诸多新型破岩技术如微波[3-4]、激光[2, 5]、水射流[6]等得以研究，以期通过这些新型破岩技术预先致裂岩石、降低围岩初始强度，从而提高机械破岩速度、降低道具消耗量。其中，激光破岩技术因其效率高被认为是最有潜力的非接触式破岩方法之一[7]。
大量试验研究表明[8-10]，激光辅助破岩可以显著提升岩石破碎效率。Chen等[11]发现激光辐照过程中砂岩表面温度可达1900℃、表面温度梯度可超过830℃/mm。Wang等[2, 5]发现激光照射石灰岩产生的表面温度梯度可达1400 ℃/mm，花岗岩表面温度梯度高达2669~5700 ℃/mm。Hu等[12]发现激光照射不同类型岩石的射孔参数和热裂效果存在差异。Li等[13-14]分析了激光辐射花岗岩损伤形态特征及温度分布，发现比能值随辐照时间增加呈非线性增长，拉伸和拉剪作用分别导致了岩样熔融区、损伤区与热影响区破坏。Guo等[15]建立了激光破碎岩体参数回归模型，发现岩石破裂效果与照射参数密切相关。
分析发现，激光照射单种岩石的温度、比能变化研究较多，关于激光照射多种高强度或高耐磨岩石热裂规律方面的对比研究相对较少。本文开展了激光照射石灰岩、砂岩和花岗岩试验，对比分析了不同激光功率、照射时间及离焦距离下3类岩石表面温度、比能、热裂效能、裂隙分布、矿物组份及微观结构变化，研究结果可为硬岩隧道激光辅助破岩提供技术支持。
1. 试验设计
1.1 试验设备
本文采用苏州迅镭激光科技有限公司生产的QL-DC1000型连续式光纤激光系统，主要由激光器、切割头、机械手臂和冷水机等部件组成；激光波长为1080±10 nm，最大输出功率为1000 W，光纤半径为25 μm，如图 1（a）所示。采用Flir-SC655红外热像仪系统测试激光照射过程中岩石表面温度变化，其测温量程为150~2000℃，测温误差为±2℃（或2%量程），如图 1（b）所示。此外，通过中国矿业大学现代分析与计算中心的X射线衍射仪（XRD）及X射线荧光光谱仪（XRF）分析激光照射前后3类岩石物相组分。采用三维X射线纤维成像系统（3D-XRM）获取激光照射后岩石内部裂隙切片图像，如图 1（c）所示，通过Dragonfly软件采集裂隙尺寸数据和实现裂隙体的三维重构。
1.2 岩样制备
本文采用的石灰岩试样来自江苏徐州、砂岩试样来自江苏苏州、花岗岩试样来自河南驻马店。所有相同类型岩样分别取自同一岩块且取芯角度相同，加工成ϕ50 mm×50 mm的圆柱形试样，岩样上、下表面均采用磨边机打磨处理。室温下岩样物性参数如表 1所示，3种岩石密度范围为2630~2714 kg/m3，采用HotDisk测得3类岩样的导热系数范围为1.78~3.06 W/(m·K)，含水率范围为0.15%~0.46%。
表 1 岩样物性参数Table 1. Physical parameters of rock samples物性
参数密度/(kg·m-3) 比热容/(J·kg-1·K-1) 导热系数/(W·m-1·K-1) 含水率/% 石灰岩 2714 720 3.06 0.46 砂岩 2661 781 1.78 0.40 花岗岩 2630 714 2.60 0.15 通过XRF测试，得到了3种岩样主要化学组份及质量分数，如表 2所示。不难发现，石灰岩中CaO含量最大，砂岩和花岗岩则为SiO2含量最高。
表 2 XRF结果Table 2. XRF results化学组份 Na2O MgO Al2O3 SiO2 K2O CaO Fe2O3 CO2 其它 石灰岩/% 0.13 2.30 1.17 6.21 0.08 51.23 0.37 38.39 0.12 砂岩/% 3.99 6.16 16.10 50.35 1.25 7.87 11.96 — 2.32 花岗岩/% 3.53 0.69 13.91 68.55 5.16 1.63 2.46 — 4.07 1.3 试验方案
激光照射岩石热裂效果主要受照射参数影响，如激光功率、照射时间和离焦距离等。本文采用控制单一变量法开展试验，激光功率范围为400~1000 W，照射时间范围为5~20 s，离焦距离范围为6~12 cm，具体激光照射参数如表 3所示。当激光功率变化时，照射时间和离焦距离分别设定为20 s和6 cm；当照射时间变化时，激光功率和离焦距离分别设置为1000 W和6 cm；当离焦距离变化时，激光功率和照射时间分别设置为1000 W和20 s。此外，考虑岩样物性测试试验安全需要，所有照射后岩样物性参数均待试样冷却至室温后进行测试。
表 3 试验参数Table 3. Test parameters参数设置 激光功率/W 照射时间/s 离焦距离/cm Ⅰ 400/600/800/1000 20 6 Ⅱ 1000 5/10/15/20 6 Ⅲ 1000 20 6/8/10/12 说明：改变激光功率和离焦距离时，花岗岩试样照射时间均为30 s。 1.4 数据处理
比能和热裂效能是评价激光破岩效率的重要参数。其中，比能定义为激光去除单位体积岩石所需的能量[16]，其表达式如下所示：
Es=P⋅tV。 (1) 式中：Es为比能（J/cm3）；P为激光功率（W）；t为照射时间（s）；V为激光照射去除的岩石体积（cm3）。
热裂效能定义为激光致裂单位体积岩石所需要的能量[2, 5]，其定义式如下所示：
ET,C=P⋅tVC。 (2) 式中：ET, C为热裂效能（J/cm3）；VC为激光照射致裂岩石的体积（cm3）。
为了验证试验结果的可信度，对温度、质量、长度、体积、比能及热裂效能等参数开展了测试精度及不确定度分析。采用式（3）计算了温度、质量、长度等有向变量的测试精度及不确定度[16]：
Δ2v=u2v−∑ni(xi−¯x)2n−1。 (3) 式中：Δv为变量的测试精度；uv为有向变量的不确定度；xi和¯x分别为单个测试值及所有测试值的平均值；n为测试项的数量。
此外，u′v=F(xi)为由xi计算得出的无向变量，采用式（4）计算体积、比能和热裂效能的不确定度[16]：
u′v2=∑ni(∂ln(F)∂xi⋅Δxi)2。 (4) 相关物理量的测试精度和不确定度如表 4所示，发现所有物理参数的不确定度均在5%以内，说明本文试验数据具有较高的可信度。
表 4 测试精度和不确定度Table 4. Test accuracies and uncertainties变量 温度/℃ 质量/g 长度/mm 体积/cm3 ES, ET, C/(kJ·cm-3) 测试精度 ±2% ±0.01 ±0.02 — — 不确定度 ±2% 2%~5% 0.11% 0.08% 2%~5% 2. 结果和讨论
2.1 温度场
图 2为不同照射参数下3类岩石表面红外温度场以及根据红外温度场得到的径向温度分布。图 2（a）为不同激光功率下花岗岩表面径向温度分布，发现花岗岩相同位置处表面温度随着激光功率的增加而升高，如激光功率从400 W增加到1000 W时，半径8 mm处花岗岩表面温度分别从464 ℃升高1518 ℃，其原因是激光功率越高，照射到花岗岩试样的热量也越多，从而造成相同位置处花岗岩表面温度越高。图 2（b）为不同照射时间下砂岩表面径向温度分布，发现砂岩相同位置处表面温度随照射时间增加而增加，如照射时间从5 s增加到20 s，半径10 mm处砂岩表面温度从230 ℃升高到634 ℃，这是因为随着照射时间增加，砂岩表面吸收的热量随之增加，相同位置处的砂岩表面温度也越高。此外，随着照射时间的增加，砂岩表面温升速率不断降低，如半径10 mm处砂岩表面温升速率从40 ℃/s（照射时间5 s）降低到33.4 ℃/s（照射时间20 s），这是由于激光照射岩石传热过程属于瞬态传热，随着时间增加岩石温升速率会逐渐降低。图 2（c）为不同离焦距离下石灰岩表面径向温度分布，发现相同位置处温度随离焦距离增加而增加，如离焦距离从6 cm增加到12 cm，半径10 mm处石灰岩表面温度从277 ℃增加到约674 ℃，原因是随着离焦距离的增加，激光直接辐射区域面积增大，由于石灰岩表面吸收热能速率远大于岩石内部热扩散速率，故相同位置处石灰岩表面温度相应增加。
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图 2 不同辐射参数下岩石表面径向温度Figure 2. Radial temperatures of rock surfaces under different irradiation parameters选择激光功率600 W、离焦距离6 cm、照射时间20 s时石灰岩、砂岩和花岗岩温度分布，如图 2（d）所示。发现相同位置处花岗岩温度最高、砂岩次之、石灰岩温度最低，如半径7 mm处花岗岩、砂岩和石灰岩的温度分别为812℃，645℃，430℃。由于石灰岩主要成分为白云石、方解石，当温度超过700℃后逐渐发生分解反应，此过程会吸收大量热量，从而造成石灰岩温度相对偏低；花岗岩属于酸性岩浆岩，其所含的黑云母等矿物具有较高的熔融温度，且花岗岩导热系数比砂岩高，故激光照射后花岗岩的温度相对较高。此外，选择相同照射参数下石灰岩、砂岩和花岗岩温度分布，计算得到了相应表面温度梯度，发现3类岩石最大温度梯度均超过1000℃/mm，其中花岗岩可达1500℃/mm，且相同位置处花岗岩表面温度梯度最大，砂岩次之、石灰岩最小，如半径7 mm处石灰岩、砂岩、花岗岩表面温度梯度分别为192，292，1108℃/mm。如此高的温度和温度梯度，将在岩样内部产生极大的热膨胀和热应力，由此产生的拉伸、拉剪作用导致岩石破裂。
2.2 热裂规律
（1）射孔参数
图 3为不同照射参数下3类岩石的射孔直径，可知3类岩石射孔直径均随激光功率、照射时间和离焦距离增加呈非线性增长。如图 3（a）所示，岩石射孔直径均随照射功率增加而增大，如当激光功率从400 W增加到1000 W，石灰岩的射孔直径从6.1 mm增加到7.8 mm。这是因为激光功率越高，岩样所吸收的热量也越多，导致射孔直径也越大；由图 3（b）可知，岩石射孔直径随照射时间增加而增加。当照射时间从5 s增加到20 s时，砂岩射孔直径从8.6 mm增加到9.6 mm。这是由于随着激光功率和照射时间增加，岩样所吸收的热量也越多，故射孔直径会增加；从图 3（c）发现，岩石射孔直径随离焦距离增加而增大。当离焦距离从6 cm增加到12 cm时，花岗岩射孔直径从7.0 mm增加到10.4 mm；原因是激光离焦距离越大，激光光束照射面积越大，导致射孔直径增大[17]。
在激光束极高热流密度作用下，岩石表面形成了不均匀温度场，导致岩石矿物相位发生改变，造成矿物基质组份发生熔化和蒸发，并产生高温熔池和蒸气，高温熔池不断扩大造成射孔直径逐渐增加[13]。如石灰岩中的方解石和白云石在700 ℃左右分解为CaO、MgO等；随着温度持续增加，这些氧化产物会逐渐融化，砂岩和花岗岩中的长石、石英等也会随着温度增加而逐渐熔化，高温熔体不断向孔壁扩张，导致射孔直径逐渐增加。
图 4为不同照射参数下3类岩石射孔深度和射孔速率变化。如图 4（a）所示，3类岩石射孔深度和射孔速率随着激光功率增加而增加。当激光功率从400 W增加到1000 W，石灰岩、砂岩、花岗岩的射孔深度分别从7.7，13.5，4.0 mm增加到25.2，30.2，8.4 mm，射孔速率则分别从0.39，0.68，0.13 mm/s增加到1.26，1.51，0.28 mm/s，3类岩石的射孔速率增幅分别为223%，122%，115%。这是由于激光功率增加后，传递到岩石表面的热能增加，导致射孔深度和射孔速率不断增加。从图 4（b）可知，当照射时间从5 s延长到20 s，石灰岩、砂岩和花岗岩的射孔深度分别从13.4，15.9，4.0 mm增加到25.2，30.2，7.5 mm，相应的射孔深度增幅约为88%，90%，88%；石灰岩、砂岩和花岗岩的射孔速率分别从2.68，3.18，0.80 mm/s降低到1.26，1.51，0.38 mm/s，射孔速率降幅均约为53%左右。随着照射时间增加，岩石局部表面温度迅速超过2000℃，导致岩石内长石、石英和方解石、白云石等各类矿物熔化，产生的熔融物阻碍了激光热能的传递，造成射孔速率逐渐降低。由图 4（c）发现，3类岩石射孔深度和射孔速率均随离焦距离增加呈非线性下降。当离焦距离从6 cm增加到12 cm时，石灰岩、砂岩、花岗岩射孔深度从25.2，30.2，9.5 mm分别下降到6.1，13.4，4.5 mm，射孔速率则分别从1.26，1.51，0.32 mm/s下降到0.31，0.67，0.15 mm/s，3类岩石射孔深度（射孔速率）的降幅分别为75%，56%，53%。随着离焦距离增加，光束照射面积也增加，而激光能量密度随之降低，导致岩石射孔深度和射孔速率不断降低。
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图 4 不同照射参数下射孔深度与射孔速率Figure 4. Hole depths and rates of perforation under different irradiation parameters（2）比能
图 5为不同照射参数下3类岩石比能变化。由图 5（a）看出，比能随激光功率增加而降低，如随着激光功率从400 W增加到1000 W，石灰岩、砂岩、花岗岩比能分别从15.8，3.8，151.2 kJ/cm3降低到9.9，2.6，66.9 kJ/cm3。花岗岩属于火成岩，石英、斜长石和黑云母等矿物组份胶结致密，且具有相对较高的熔点；石灰岩中含有方解石，在温度为700℃左右会首先发生矿物热分解并吸收大量热能，生成的氧化物则会继续发生熔化甚至气化；砂岩为沉积岩，内部缺陷相对较多，其中的石英和斜长石等矿物在高温作用下发生熔融。因此，移除相同质量的花岗岩所消耗的能量要比石灰岩和砂岩高。
从图 5（b）发现，比能随照射时间增加而增加，如随着照射时间从5 s延长到20 s，石灰岩、砂岩、花岗岩比能分别从7.2，1.9，33.9 kJ/cm3增加到9.9，2.6，58.1 kJ/cm3。照射时间增加后，岩石表面产生了更多的熔融物并保持熔化状态，这将消耗大量的激光热能，导致移除单位体积岩石需要更多能量，造成比能值随照射时间增加而增大。
由图 5（c）可知，比能随离焦距离增加而增加，如随着离焦距离从6 cm增加到12 cm，石灰岩、砂岩和花岗岩比能分别从9.9，2.6，69.1 kJ/cm3增加到17.8，3.3，96.4 kJ/cm3，增幅分别约为80%，27%，40%。由于离焦距离增加，照射到岩石表面激光束的功率密度逐渐降低，从而导致激光照射移除岩石体积减少、比能增加。
（3）热裂效能
激光照射后3类岩石热裂效能如表 5所示。需要说明的是，由于砂岩在激光照射后几乎未发生破裂，因此认为激光照射砂岩的热裂效能等于其比能，故不再赘述其变化规律。
表 5 热裂效能Table 5. Thermal-cracking energies照射参数 热裂效能/(kJ·cm-3) 石灰岩 砂岩* 花岗岩 激光功率/W 400 0.122 1.51 1.628 600 0.103 1.36 1.450 800 0.090 1.08 1.138 1000 0.078 0.68 1.072 照射时间/s 5 — 1.51 — 10 0.039 1.65 0.459 15 0.043 2.04 0.570 20 0.078 3.18 0.838 离焦距离/cm 6 0.078 0.67 0.860 8 0.092 1.02 1.072 10 0.097 1.26 2.490 12 0.137 1.51 2.680 注：*表中砂岩热裂效能等于比能。 由表 5发现，热裂效能随激光功率增加而减小，如随着激光功率从400 W增加到1000 W，石灰岩、花岗岩热裂效能分别从0.122，1.628 kJ/cm3降低到0.078，1.072 kJ/cm3。激光功率增加将导致岩石获得更多热能，除了岩石所含的矿物发生熔融外，如花岗岩中云母、长石内羟基逸出和化学键断裂，造成岩样矿物颗粒剥落、破碎量增加[18-19]等，故热裂效能随之降低。此外，还发现热裂效能随照射时间增加而增加，如当照射时间为5 s时，石灰岩和花岗岩均未发生明显破裂；随着照射时间从10 s延长到20 s，石灰岩和花岗岩的热裂效能分别从0.039，0.459 kJ/cm3增加到0.078，0.838 kJ/cm3。照射时间增加后，石灰岩和花岗岩孔内熔融物含量增加，由于熔融物保持融化状态需要吸收大量热能，导致破裂单位体积岩石需要消耗更多的热能，故热裂效能随之增加。最后，热裂效能随离焦距离增加而增加，如随着离焦距离从6 cm增加到12 cm，石灰岩、花岗岩热裂效能分别从0.078，0.860 kJ/cm3增加到0.137，2.680 kJ/cm3，增幅分别为75.64%，211.63%。由于离焦距离增加，激光功率密度降低，单位体积岩石破碎量减少、热裂效能增加。
对比发现，热裂效能和比能随激光功率、照射时间及离焦距离的变化规律一致；然而，相同照射参数下热裂效能值较比能低约1~2个数量级，说明激光热裂岩石较激光钻进所需能量更少。
2.3 裂隙分布
（1）内部裂隙
基于3D-XRM获取激光照射后3类岩石内部断层扫描图像，如图 6所示。从图 6石灰岩径向及轴向断层扫描图像可见，石灰岩内部径向断面仍存在4条主裂隙（L1~L4）沿径向贯穿岩样，将岩样分割成四块不规则扇形岩块。主裂隙平均长度约为20 mm、平均宽度约为154 μm、最大宽度约为200 μm；次生裂隙主要沿主裂隙中部呈枝状发育，其平均长度约为10 mm、平均宽度约为82 μm。石灰岩射孔剖面形状呈“V”型，张开角约14°，射孔内壁熔融层厚度约2 mm，裂隙轴向延伸深度小于射孔深度。
由图 6砂岩径向和轴向断层扫描图像发现，砂岩内部径向断面存在3条主裂隙（S1~S3）沿径向延伸并贯穿岩样，主裂隙平均长度约为20 mm、平均宽度约为112 μm、最大宽度约为154 μm，未见明显次生裂隙。砂岩内部大量微孔隙约束了矿物颗粒膨胀和变形，限制了次生裂隙发育，故砂岩内部裂隙数量整体偏少。砂岩射孔剖面形状也呈“V”型，张开角度约为34°，射孔内壁相对光滑，孔内残留有熔融物。
从图 6花岗岩径向及轴向断层扫描图像可知，花岗岩内部径向断面有3条主裂隙（G1~G3）沿径向延伸并贯穿岩样，主裂隙平均长度约为20 mm、平均宽度约为498 μm、最大宽度约为1087 μm；花岗岩射孔附近次生裂隙密度较高，呈须状延伸发育，平均长度为6 mm、平均宽度为100 μm，最大宽度约为345 μm。花岗岩射孔剖面形状为“U”型，射孔内部残留大量熔融物、射孔底部存在熔池，间接导致了花岗岩射孔深度小于石灰岩和砂岩；由于气泡浮升速率较低[20]，熔池底部还存在未逸出的气泡。花岗岩内部缺陷少，矿物颗粒受热膨胀，产生的热应力导致沿晶裂隙、穿晶裂隙在矿物边界和内部发育、连通，形成了大量次生裂隙[21]。
（2）整体裂隙
通过Dragonfly软件重构激光照射后3类岩样及整体裂隙三维模型，如图 7所示，其中灰白色部分为岩样骨架，紫红色部分为裂隙（包含中心射孔、主裂隙和次生裂隙）。
由图 7照射后石灰岩三维岩样模型及整体裂隙可见，照射后石灰岩射孔内壁附着熔融物凝固体，这是石灰岩矿物在高温加热后产生的熔融物与分解物黏结形成，主要成分是碳酸钙等矿物颗粒受热分解产生的CaO等；此外，石灰岩有4条主裂隙贯穿岩样，还发现射孔附近次生裂隙发育，岩样外侧表面存在一条不规则环形破裂面。岩样内部产生的复杂裂隙网络，导致照射后石灰岩试样单轴抗压强度最大下降约60%[2]。
从图 7照射后砂岩三维岩样模型及整体裂隙发现，砂岩射孔内壁残留凝固后SiO2熔融玻璃体，熔体持续吸收及反射大量热能，这会导致岩样内部吸收的热量不断降低；砂岩表面发现3条主裂隙沿射孔放射性延伸到试样边缘，使岩样破裂为数块不规则扇形岩块；与照射后石灰岩试样不同，照射后砂岩未见明显的次生裂隙。
由图 7照射后花岗岩三维模型及整体裂隙发现，花岗岩射孔内壁同样附着大量熔融物，射孔外侧发现少量分解物，主要成分为钠长石[22]。此外，花岗岩表面发现3条主裂隙，且岩样外侧表面存在一条不规则环形破裂面，导致照射后花岗岩试样单轴抗压强度最大下降约69%[17]。
石灰岩和砂岩属于沉积岩，其矿物颗粒分布不均、排列无序，胶结物通常充填于碎屑颗粒之间或附着于颗粒表面，岩石内含有随机分布的空腔、微孔隙等缺陷，可起到阻碍裂隙扩展的作用[23]，故石灰岩和砂岩裂隙宽度较窄、破裂面较光滑。此外，砂岩矿物胶结与石灰岩不同，导致砂岩热裂效果较差。花岗岩属于酸性岩浆岩，岩石矿物颗粒胶结致密、晶粒间接触好、内缺陷少[24]，受激光热作用后矿物颗粒间出现较强的不协调热变形，故裂隙宽度大、数量多、热裂效果好。
2.4 XRD衍射图谱
图 8为激光照射前后石灰岩、砂岩和花岗岩3类岩石的XRD测试结果。由图 8（a），（d）可知，石灰岩原始试样主要由方解石、白云石等矿物组成，最大衍射峰强度约为3000 CPS，对应的衍射角约为29°。熔融石灰岩主要成分为方解石、生石灰和氢氧钙石，含少量碳镁钠石。在高热流激光束作用下，熔融区温度超过700℃，导致石灰岩中的方解石、白云石等矿物发生分解，生石灰含量逐渐增加，部分生石灰吸收空气中的水蒸气变成氢氧化钙[2]。此外，熔融矿物的衍射强度较原始试样大幅降低，例如熔融矿物中方解石最大衍射强度约为450 CPS，较原始试样下降约85%，说明熔融后矿物晶体结构遭到破坏。
由图 8（b），（e）发现，砂岩原始试样以长石和石英等矿物为主，含少量方解石、菱铁矿和绿泥石等矿物，且主要以胶结物形式存在；砂岩熔融物中只发现少量石英和斜长石的衍射峰，且衍射强度远低于原始试样，衍射宽度有所增加。其原因是高温引起基质组份熔化并形成高温熔池，导致矿物晶体结构遭到破坏、晶粒尺寸减小、晶面间距改变，石英、长石和胶结矿物等向非晶体玻璃态转变。
从图 8（c），（f）可知，花岗岩原始试样主要由石英、斜长石和黑云母等矿物组成，花岗岩熔融物则仅发现石英和斜长石衍射峰，且衍射强度较原始试样大幅下降，特征峰数量减少、半峰宽增加。说明花岗岩熔融后，其内部矿物晶粒尺寸降低，晶体结构发生破坏并向非晶体转变；比如石英原子无序变化和高温膨胀，以及斜长石高温作用后发生的位移型相变，均可改变其结晶度和晶格间距。
2.5 SEM微观结构
图 9为3类岩石原始试样、热影响区和熔融物SEM微观结构图像。由图 9石灰岩电镜图像发现，石灰岩原样结构致密，表面分布有微孔和岩石碎屑，少见微裂纹发育。热影响区内的石灰岩微裂隙沿矿物边界和内部发育并相互连通。这是因为激光照射导致石灰岩内部产生的热应力远远超过矿物颗粒的抗拉强度，造成沿晶裂纹和穿晶裂纹发育。石灰岩熔融后结构相对致密，主要由熔融后碳酸钙和氧化钙等冷却凝固形成[2]，其表面发现波浪形热裂纹和少量岩屑。
由图 9砂岩电镜图像可知，砂岩原始岩样结构较疏松、颗粒胶结较弱，岩样内空腔和微孔隙等缺陷较发育。砂岩热影响区发现热应力导致的微裂纹，另有部分岩屑，但少见微孔。这是因为激光高温作用导致在颗粒接触位置产生较高的应力集中，造成部分颗粒破碎成更小的颗粒。此外，晶体颗粒高温膨胀充填部分原始孔隙，导致微空隙减少。砂岩熔融后形成玻璃体，其表面光滑，存在明显的空腔和气孔。这是因为原始砂岩试样中存在大量微孔隙和空腔，在这些缺陷中存在少量气体。随着矿物组份逐渐熔化，气体逸出后形成气泡不断生长、破裂，当气泡逃逸速度低于熔融物的凝固速度时，气泡在熔融物凝结形成的玻璃体中生成气孔或空腔。
由图 9花岗岩电镜图像发现，花岗岩原始岩样结构平整、矿物胶结致密，未发现微裂隙；热影响区内花岗岩发现层状撕裂断面，断面上有少量岩屑堆积，断面边界光滑平整，属于典型的脆性断裂。这是因为花岗岩属于脆性岩石，当激光照射产生的热应力超过试样抗拉强度时，在岩石内部就会产生不同程度的热损伤、形成微裂隙。花岗岩熔融后形成玻璃体，结构平整，表面发现大量呈蜂窝状分布的气孔、圆形釉泡，气孔内壁光滑且孔内充填少量碎屑，另有少量微裂隙，局部出现岩屑颗粒脱落。
3. 结论
（1）激光照射石灰岩、砂岩、花岗岩最高温度均超过2000℃，3类岩石表面温度分布相似，沿径向迅速降低；相同位置处石灰岩表面温度和温度梯度最低、砂岩次之、花岗岩最高。
（2）激光功率越大，3类岩石射孔直径、射孔深度和射孔速率越大；照射时间越长，3类岩石射孔直径、射孔深度越大，射孔速率越小；离焦距离越小，3类岩石射孔直径越小，射孔深度和射孔速率越大。相同照射参数下，射孔直径、射孔深度和射孔速率从大到小顺序为：砂岩＞石灰岩＞花岗岩。
（3）激光功率越大、照射时间越短、离焦距离越小，3类岩石比能和热裂效能越小。相同照射参数下，3类岩石比能大小顺序为：花岗岩＞石灰岩＞砂岩，热裂效能则是花岗岩＞石灰岩。热裂效能较比能低1~2个数量级，说明激光辅助致裂岩石所需要的能耗显著低于激光钻孔。
（4）激光照射后3类岩石表面分布数量不等的主裂隙，沿射孔壁面径向延伸到试样外边缘，石灰岩和花岗岩在岩样中底部形成环形断裂面；此外，石灰岩和花岗岩内部次生裂隙较发育，砂岩内部未发现明显次生裂隙。熔融物衍射强度远低于原始试样，说明照射后3类岩石矿物组份发生变化，晶体结构遭到破坏，并向非晶态转变。热影响区微裂隙发育，熔融区表面光滑，微观结构发生显著改变。
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图 2 不同辐射参数下岩石表面径向温度
Figure 2. Radial temperatures of rock surfaces under different irradiation parameters
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图 4 不同照射参数下射孔深度与射孔速率
Figure 4. Hole depths and rates of perforation under different irradiation parameters
表 1 岩样物性参数
Table 1 Physical parameters of rock samples
物性
参数密度/(kg·m-3) 比热容/(J·kg-1·K-1) 导热系数/(W·m-1·K-1) 含水率/% 石灰岩 2714 720 3.06 0.46 砂岩 2661 781 1.78 0.40 花岗岩 2630 714 2.60 0.15 
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表 2 XRF结果
Table 2 XRF results
化学组份 Na2O MgO Al2O3 SiO2 K2O CaO Fe2O3 CO2 其它 石灰岩/% 0.13 2.30 1.17 6.21 0.08 51.23 0.37 38.39 0.12 砂岩/% 3.99 6.16 16.10 50.35 1.25 7.87 11.96 — 2.32 花岗岩/% 3.53 0.69 13.91 68.55 5.16 1.63 2.46 — 4.07
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表 3 试验参数
Table 3 Test parameters
参数设置 激光功率/W 照射时间/s 离焦距离/cm Ⅰ 400/600/800/1000 20 6 Ⅱ 1000 5/10/15/20 6 Ⅲ 1000 20 6/8/10/12 说明：改变激光功率和离焦距离时，花岗岩试样照射时间均为30 s。
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表 4 测试精度和不确定度
Table 4 Test accuracies and uncertainties
变量 温度/℃ 质量/g 长度/mm 体积/cm3 ES, ET, C/(kJ·cm-3) 测试精度 ±2% ±0.01 ±0.02 — — 不确定度 ±2% 2%~5% 0.11% 0.08% 2%~5%
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表 5 热裂效能
Table 5 Thermal-cracking energies
照射参数 热裂效能/(kJ·cm-3) 石灰岩 砂岩* 花岗岩 激光功率/W 400 0.122 1.51 1.628 600 0.103 1.36 1.450 800 0.090 1.08 1.138 1000 0.078 0.68 1.072 照射时间/s 5 — 1.51 — 10 0.039 1.65 0.459 15 0.043 2.04 0.570 20 0.078 3.18 0.838 离焦距离/cm 6 0.078 0.67 0.860 8 0.092 1.02 1.072 10 0.097 1.26 2.490 12 0.137 1.51 2.680 注：*表中砂岩热裂效能等于比能。
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