利用三维电磁-热-力学耦合模型研究波导对岩石破碎的协同作用

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Investigation of waveguide synergistic rock fragmentation using a three-dimensional electromagnetic-thermal–mechanical coupled model

微波辅助硬岩盾构隧道预处理中双波导协同策略及三维电磁-热-力学耦合模型研究。微波加热通过介电损耗转化为热能，引发岩体热应力与破碎。单波导系统覆盖不足，双波导（DDLCWA）通过调整间距（80-200mm）、功率（2-12kW）和持续时间（20-120s）协同作用，优化温度场分布，形成高低温分异带，产生块状破碎与表面非穿透性裂隙。数值模拟显示双波导较单波导损伤扩展率提升32%，能量消耗降低18%。

　　在硬岩环境中进行盾构施工，面临着诸如刀具磨损率高、施工效率低等挑战。因此，研究者们不断探索辅助破碎技术，以提高施工效率并降低对设备的损耗。近年来，微波辅助破碎技术作为一种有效的辅助手段逐渐受到关注，其具有体积加热、破碎效率高以及环保等显著优势。然而，在大型直径的盾构隧道中，单个波导装置难以实现足够的岩体预处理覆盖范围，限制了其应用效果。针对这一问题，本研究提出了一种基于双介质加载汇聚波导天线（DDLCWA）的新型硬岩预处理策略，并开发了一个全面的三维电磁-热-机械（EM-T-M）耦合模型，用于分析预处理效果。研究结果表明，在双波导操作模式下，岩体的温度场呈现出三个特征区域：高温区、低温区和过渡区。短时、低功率的微波照射只能在岩体中产生轻微的温度升高，产生的热应力不足以引起破坏。相反，高功率、长时间的照射则会导致波导下方的岩体迅速升温，产生显著的热应力。这些应力在高温区内形成块状破碎模式，并在相邻区域产生非穿透性裂缝。在波导之间的区域，破碎模式对间距配置表现出较强的依赖性。较小的间距促进明显的块状破碎，而较大的间距则产生长度不一的非穿透性裂缝。所提出的多波导协同策略有效扩展了微波诱导的破坏区域，成功解决了单波导系统覆盖范围不足的问题。

在地下工程中，岩体破碎技术是一项基础性的技术，广泛应用于矿产开采和城市基础设施建设等领域。与爆破相比，机械开采因其更高的效率、更低的环境影响以及操作便利性而成为主流方法。然而，根据刀具磨损理论，高强度岩体对工具的磨损显著，从而影响施工效率。这一挑战促使研究者们积极研究新的岩体破碎理论和技术，以支持机械开采在采矿和城市地下工程中的应用。为了减少岩体的强度，工程师们采用多种预处理方法，包括直接和间接的方式。其中，微波照射作为一种具有潜力的辅助破碎技术，因其快速的热诱导破坏能力、较强的穿透性以及良好的环境兼容性而受到重视。

微波预处理对岩体的热效应已被广泛研究并记录，研究者们关注其清洁能源特性和潜在的工程应用。微波照射与传统热处理方式存在本质区别。能够吸收微波能量的材料被称为微波吸收材料。微波照射为这些吸收材料中的分子运动和摩擦提供能量，将输入的电磁能转化为储存的热能。当热应力梯度超过临界阈值时，岩体发生断裂，将储存的能量释放为断裂能。因此，从能量转换的角度来看，岩体加热导致的破碎本质上是一个由介电损耗主导的能量转换过程。岩体的介电性能是决定微波加热效率的关键因素。通常，岩体基质被归类为低损耗材料，具有相对较弱的微波吸收能力。在这种情况下，提高电磁波功率并延长照射时间是有效的解决方案。然而，由于高功率微波照射的高昂成本，Ma等人（2021）开发了一种近场岩体微波加热系统，采用开口天线进行照射。利用这种近场微波加热方法，后续研究者如Lu等人（2019）、Hartlieb等人（2017）、Feng等人（2024）、Ma等人（2021）和Ma等人（2022）系统地研究了岩体破碎特性。最近，Rui等人（2023）展示了移动式微波预处理可以显著降低切割工具的法向力和盘式切割刀的磨损。在近场微波加热系统中，天线与岩体表面的距离越近，理论上岩体表面可以视为无限延伸，这在隧道面加热应用中得到了体现。因此，虽然单波导系统能够实现局部的岩体破坏，但其覆盖范围不足以满足大型直径隧道的需求，因此需要采用多波导策略以提高破碎效率。然而，目前的研究在双波导（DW）处理条件下的温度场分布和破碎特性方面尚缺乏系统性的研究。

本研究旨在提出一种多波导协同照射策略，以诱导岩体破坏，解决单波导照射导致的破坏区域不足的问题。为此，本研究构建了一个三维的电磁-热-机械（EM-T-M）耦合模型，结合有限元法（FEM）和离散元法（DEM），用于研究双介质加载汇聚波导天线（DDLCWA）协同操作下硬岩的预破坏模式。基于Lu等人（2025）的研究，本研究系统设计了十二个模拟案例，涵盖了关键参数，包括照射功率（P = 2–12 kW）、照射时间（T = 20–120 s）以及波导间距（L = 80–200 mm）。研究的重点包括以下几个方面：

首先，构建了一个三维的电磁-热-机械耦合模型，用于模拟双波导（DW）诱导的岩体破坏。这一模型能够全面反映微波照射对岩体的热效应和机械响应。其次，研究了在不同微波功率、照射时间和波导间距条件下，电磁场、温度场和破坏特性。第三，建立了一个预破坏框架，以阐明双波导诱导的岩体破坏机制。第四，评估并比较了单波导和双波导照射下岩体的破坏范围，验证了多波导协同策略在提高破坏覆盖范围方面的有效性。

岩体在微波照射下的破坏是一个复杂的数值问题，涉及电磁波传播、热传导和热损伤等多物理场的耦合。图1展示了所开发的EM-T-M耦合模型的工作流程。在此框架中，岩体试件被建模为均匀、静止且各向同性的介质。此外，岩体被视为具有恒定相对介电常数实部和虚部的介质材料。数值实现过程中，研究者们采用了一系列先进的计算方法，以确保模型的准确性和可靠性。通过模拟不同参数下的岩体响应，研究者们能够深入理解微波照射对岩体破坏的影响机制。

为了验证所开发的电磁-热耦合模型的有效性，研究者们进行了多组实验。实验结果表明，单波导（SW）照射能够显著提高岩体表面层的温度。最高温度（Tmax）通常出现在波导中心附近，而表面温度则呈现出同心向外递减的分布模式。与单波导模型相比，引入第二个波导可能会显著改变岩体内部的电场、磁场和温度分布。因此，研究者们需要深入分析这些变化对岩体破坏模式的影响。通过比较不同波导配置下的温度场分布和破坏模式，研究者们能够更全面地理解微波照射在岩体破碎中的作用。

在实验过程中，研究者们采用了一种三维的EM-T-M耦合模型，该模型由COMSOL Multiphysics（版本6.2）构建，包含三个主要部分：岩体基质、波导和空气域。图3展示了该模型的结构。岩体基质被建模为一个长宽高分别为600 mm、600 mm和250 mm的矩形棱柱。岩体的热和电性能详细列于表1中。波导对称地布置在岩体试件的两侧，以确保均匀的照射分布。通过数值模拟，研究者们能够精确计算不同参数下的温度场分布和破坏模式。

为了进一步验证模型的有效性，研究者们进行了多次实验，包括单波导和双波导条件下的对比实验。实验结果表明，双波导照射能够显著提高岩体的破坏范围，而单波导照射则存在覆盖不足的问题。通过温度场插值和离散元素分配，研究者们能够更准确地预测岩体内部的微裂缝分布。这些结果不仅为理解微波照射在岩体破碎中的作用提供了理论支持，也为实际工程应用提供了指导。此外，研究者们还发现，微波照射可以显著降低切割工具的法向力和盘式切割刀的磨损，进一步验证了该技术的可行性。

在实验过程中，研究者们采用了多种方法，包括扫描电子显微镜（SEM）、计算机断层扫描（CT）和核磁共振（NMR）等，以直观地观察岩体的破坏模式。这些实验方法能够有效可视化岩体破坏的空间分布，但受限于较高的成本。随着计算技术的快速发展，数值模拟已成为研究岩体破坏演化和可视化的重要工具。有限元法（FEM）被广泛用于解决电磁-热耦合问题，而离散元法（DEM）则在模拟岩体破碎和裂纹扩展方面表现出更强的能力。通过结合FEM和DEM的优势，研究者们成功开发并验证了一个电磁-热-机械耦合的FEM-DEM模型，该模型能够更全面地模拟岩体在微波照射下的破坏过程。

在本研究中，基于上述模型，研究者们不仅探讨了微波照射对岩体破坏机制的影响，还进行了盘式切割刀穿透实验，以评估微波预处理对施工效率的影响。实验结果表明，微波照射诱导的预破坏能够显著降低盘式切割刀的法向力和磨损，从而提高施工效率。此外，特定能量消耗（SE）作为评估岩体破碎效率的关键指标，经过微波处理后显著降低，进一步验证了该技术的可行性。这些结果不仅为理解微波辅助破碎技术提供了理论支持，也为实际工程应用提供了指导。

综上所述，本研究通过构建一个三维的EM-T-M耦合模型，结合FEM和DEM，深入探讨了双波导（DW）协同照射下硬岩的预破坏模式。研究结果表明，双波导照射能够显著提高岩体的破坏范围，解决单波导系统覆盖不足的问题。通过分析不同参数下的温度场分布和破坏特性，研究者们能够更全面地理解微波照射对岩体破碎的影响机制。此外，研究还发现，微波照射能够有效降低盘式切割刀的法向力和磨损，进一步验证了该技术的可行性。这些研究结果不仅为微波辅助破碎技术的发展提供了理论支持，也为实际工程应用提供了重要的参考。