随着矿产资源勘探深度的不断增加、地下空间的高密度开发,硬岩地层所占比例越来越大,常规硬岩破碎手段效率低、成本高、能耗大,为了提高钻具使用寿命和降低成本,对岩石破碎技术提出了更高的要求。目前硬岩中常用冲击回转钻进法振动频率低(14Hz),岩石强度降低不明显,在钻探工程中,振动碎岩的方法有单次冲击、低频冲击(12～16Hz)、声波冲击(70～150Hz)。通过模态分析及试验得出硬岩固有频率(>20KHz),此频率范围内超声波(>20kHz)激振力促使岩石产生共振效应,形成共振-疲劳碎岩,钻头寿命提高,碎岩较常规碎岩方式具有更高效率。超声波碎岩可以用于小口径地质勘探取心钻进、锚固孔全面钻进及基础工程大口径硬岩钻孔施工等。超声波振动参数主要包括:振动频率、加在岩石上的预压力、振动时间和振幅等,目前超声波振动的振动频率、振幅及加在岩石上的预压力对碎岩效果影响进行大量的试验与数值模拟研究,得出各个参数对碎岩效果的影响规律。但实际应用中是在多个参数共同作用下破碎岩石,各个参数间会产生不同程度的影响,加在岩石上的预压力、振幅及振动时间对岩石的损伤随参数增长呈正相关,但增长速率呈抛物型曲线分布;钻进过程中,如何通过各参数的优化耦合,以最小的振动能量,满足高效破碎钻头底部岩石的要求。通过理论研究、试验及数值模拟的研究方法,获知超声波振动的最优多参数组合,使得硬岩沿纵向一定深度发生快速损伤,颗粒间的相互作用引起岩石试样的拉伸和剪切破坏,形成超声波频率共振疲劳碎岩,并探究各个参数对碎岩效果的影响程度,是拟解决的关键科学问题之一;同时,由于岩石内部颗粒非均匀性、细观结构非均质等,振动作用下岩石颗粒单元的力学行为极为复杂,系统分析超声波多参数耦合振动下岩石内部裂纹的损伤规律及失效机理,得到更接近于真实的碎岩过程,满足以最小的经济成本,高效破碎硬岩的迫切需求,研究成果将丰富岩石细观损伤理论,为超声波振动碎岩技术提供理论依据,具有理论意义和实际应用前景。研究分析得到:(1)基于岩石破碎学理论,对超声波多参数耦合振动下岩石的碎岩机理及共振响应进行理论研究。基于单自由度力学模型,分析在超声波振动作用下岩石的力学特性及多参数共振碎岩的主要影响因素,推导了多参数耦合作用下超声波振动破坏岩石的有效共振范围。分析了超声波多参数耦合振动作用下岩石颗粒的振幅响应,由于岩石颗粒能量使颗粒具有很大的动力学特性,振幅增大使岩石颗粒间的碰撞成为裂纹生长的关键因素。(2)采用ANSYS有限元分析软件,数值模拟分析超声波多参数耦合振动下花岗岩的损伤规律。建立了符合试验现象的三维非均质岩石模型,分析超声波多参数耦合振动作用下岩石损伤的规律。研究发现超声波多参数耦合振动下岩石损伤阶段可分为裂纹萌生、稳定生长和快速扩展三个阶段,岩石损伤具有阈值时间,当超声波多参数耦合振动作用时间超过阈值时间时,岩石的共振破坏导致微裂纹快速扩展。(3)采用CT、光学显微镜、扫描电镜(SEM)的试验方法,研究超声波振动参数耦合下花岗岩的损伤规律。基于数字图像处理与裂纹体视学原理,分析了超声波振动过程中岩石细观结构孔隙和裂缝尺寸的直观变化图像信息,微观结构特征参数反映岩石内部损伤区大小和形状的变化,裂缝、孔隙等结构特征参数过大时,不规则裂缝和孔洞越多。辅助光学显微镜、扫描电镜(SEM)分析矿物断裂模式及裂纹扩展的决定性因素,研究发现岩石在超声波参数耦合动载荷作用下花岗岩微裂缝以拉压型为主,石英含量对花岗岩破坏起到决定性的作用。(4)采用核磁共振试验及单轴抗压强度正交优化试验,探究超声波振动的最优振动耦合参数,多参数耦合对花岗岩细观孔隙结构演化规律的分析。研究发现超声波多参数耦合振动下岩石内部大量中孔径转化为大孔径,岩石微孔径产生和发展的全过程动态变化规律,验证了数值模拟三维非均质岩石模型,超声波多参数耦合振动下岩石损伤三个阶段;基质颗粒沿扩散方向受纵波交变应力的影响,剪切波使相邻颗粒间碰撞进行较高的能量释放,颗粒裂纹大量扩展;试验极差分析得到超声波多参数振动下最优组合,即超声波振动压力400N,振幅100%,频率35KHz,碎岩效果最佳,分析得到有效共振区主次参数排序:振幅>压力>频率。