煤田地质与勘探

作者：许月琳, 覃恩伟, 李巍, 王英,

关键词：脉冲激光冲击, 岩石, 动态损伤, 显式动力学,

目的针对传统激光热裂破岩技术能耗高、损伤深度有限的问题，提出一种基于短脉冲激光诱导高压等离子体冲击波的机械破岩新方法，以实现破岩机制从热力学主导向动力学主导的转变。方法和结果基于Abaqus/Explicit显式动力学框架，构建纳秒级激光冲击波与岩石相互作用的有限元模型，并利用VDLOAD用户子程序实现冲击波压力在时空域上的精确加载。通过典型参数组合(峰值压力3 GPa、脉冲时间20 ns、光斑直径4 mm)，系统模拟并揭示激光冲击波在岩石中传播的动力学行为及动态损伤的两阶段机制：冲击波加载阶段，在岩石表层产生瞬时高应力(Mises应力达2 706 MPa)；应力波传播阶段，在岩石内部反射、叠加，形成累积损伤并导致材料剥落。进一步设计多组对照仿真，系统调节峰值压力(1~5 GPa)、脉冲时间(20~200 ns)与光斑直径(2~6 mm)，以损伤体积为指标分析参数敏感性。结果表明：(1)在典型参数下，单次激光冲击可形成表面直径4.3 mm、深度5.8 mm的近似圆锥形损伤区，损伤体积达27.8 mm3；(2)参数敏感性分析显示，峰值压力对损伤体积影响有限(增幅<5.5%)，而脉冲时间与光斑尺寸具有显著影响，是破岩效率的主导因素。结论激光冲击波破岩的效率核心在于应力波能量的时空分布与控制，通过协同优化脉冲宽度与光斑尺寸，可在相近单脉冲能量的前提下，有效调控岩石损伤，实现低能耗、高效率破岩，为深部硬岩资源开发提供新路径。

来源：2025年第11期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

查看煤田地质与勘探杂志2025年第11期