Use of High Energy Laser for Underground Excavation in Hard Rock

Abstract

Bruk av laser er en ny potensiell metode for driving av undergrunnsanlegg. Når høyenergi laser treffer overflaten til en bergart vil det føre til temperaturøkning i bergarten. Dette vil føre til smelting av bergarten i en liten radius der laseren treffer, og laseren vil også avansere dypere inn i bergarten, med en hastighet som er proporsjonal med de forskjellige materialegenskapene til bergarten. I umiddelbar nærhet til den smeltede sonen vil det oppstå kompresjonsspenninger. Lenger bort fra laseren vil kompresjonsspenningene avta og gradvis bli erstattet med strekkspenninger. Strekkstyrken til bergarten er betraktelig lavere enn kompresjonsstyrken og utviklingen av strekkspenninger vil føre til dannelse av både mikrosprekker og større sprekker.

Denne masteroppgaven undersøker egenskapene til bergartene Kurugranitt, Oppdalskifer og Grønnstein når de blir varmet opp. Forskjellige forsøk som måling av varmeutvidelse, tre-punkt bøyetest og enaksiell kompresjonstest ble utført med oppvarmede prøver med temperaturer fra 20 - 700°C. XRD-analyse ble gjennomført for å kvantifisere mineralsammensetningen. Resultatene fra forsøkene ble brukt som parametere i det numeriske simulasjonsprogrammet ANSYS. Programmet ble brukt til å simulere utviklingen av strekkspenninger når overflaten fikk tilført energi for å se muligheten for utvikling av sprekker og mikrosprekker i materialet.

Bergmekanisk laboratorium ved IGP anskaffet Kurugranitten. Oppdalskiferen ble valgt ut og hentet i Oppdal og Grønnsteinen ble valgt ut og hentet fra Lia steinbrudd utenfor Trondheim før prøvene ble klargjort til testing. Fra målingene av termisk lengdeutvidelse viste resultatene økning i α for spesielt Kurugranitt og Oppdalskifer fra 300 - 700°C. Forsøkene viste også at ε øker betraktelig for både Kurugranitt og Oppdalskifer.

Resultater fra tre-punkts bøyetest viser at strekkstyrken til både Kurugranitt og Oppdalskifer reduseres betraktelig når prøvene varmes fra 20 - 600°C. Både UCS og Youngs modul reduseres og aksiell tøyning ved brudd øker ved økende temperaturer. Med bakgrunn i forsøkene utvikler Kurugranitt og Oppdalskifer tegn til duktil oppførsel ved henholdsvis 300 - 450°C og 450 - 550°C.

Den numeriske analysen med ANSYS viser utvikling av strekkspenninger som overskrider strekkstyrken til materialene. Etter simuleringen ble resultatene sammenlignet med forsøk gjort med høyenergi laser for å undersøke bruk av ANSYS til vurdering av potensialet for fragmentering av bergarter ved bruk av høyenergi laser.

A potential new method for underground excavation is the use of high-energy laser. When directing a high-energy laser on a rock surface, the laser will increase the temperature of the rock. The increase in temperature will cause the rock to start melting in a small radius surrounding the laser beam and the laser beam will also advance into the rock at a rate dependent on the different material properties. In close proximity to the melted zone, the thermal strain will result in compressive stresses. Moving away from the area with compressive stress, the stress state will change to tensile stresses. The tensile strength of rock is much less than the compressive strength. Because the tensile stresses exceed the tensile strength of the rock, both large scale fractures and microfractures will start to form.

This thesis studies the material behaviour of Kuru granite, Oppdalslate and Greenschist when exposed to increasing temperatures. Different laboratory tests such as measurement of thermal expansion, three-point bending test and uniaxial compression tests were conducted with heated samples in the range from 20 - 700°C. X-Ray Diffraction analysis (XRD) was conducted in order to quantify the modal mineralogy. The results from the laboratory tests were used as input parameters in the numerical simulation program ANSYS. ANSYS was used to simulate the development of tensile stresses in a rock mass when subjected to an energy source in order to assess the potential development of fractures and microcracks in the material.

The Kuru granite was acquired from the rock mechanics laboratory at IGP, the Oppdalslate was collected from Oppdal and the Greenschist was collected from Lia quarry, outside of Trondheim before the samples were prepared for laboratory testing. From measuring the thermal expansion especially Kuru granite and Oppdalslate experiences an increase in thermal expansion coefficient (α) from 300 - 700°C. The laboratory tests also show that the strain (ε)increases considerably for both Kuru granite and Oppdalslate.

The three-point bending test shows that the tensile strength of both Kuru granite and Oppdalslate reduces considerably when the samples are heated from 20 - 600°C. Both the uniaxial compression strength (UCS) and Young's modulus decrease, and the axial strain at failure increase with increasing temperatures. Based on the results from laboratory results, Kuru granite and Oppdalslate show signs of developing ductile behaviour at 300 - 450°C and 450 - 550°C, respectively.

The numerical simulation in ANSYS shows the development of tensile stresses which exceed the tensile strength of the material. After the simulation, comparison of the numerical simulation to results from real-life experiments was conducted to assess the potential by use of ANSYS to determine the possibility for rock disintegration using a high-energy laser.