高壓水射流破碎巖石原理

1、高壓水射流破碎巖石的原理1引言高壓水射流是近30年發(fā)展起的切割、破巖、清洗、除垢(銹)新技術(shù)，正越來越廣泛地應(yīng)用于煤炭、石油、化工、機(jī)械、建筑、交通、航空和軍工等部門1。隨著設(shè)備研制水平的提高，射流技術(shù)逐漸由高壓向超高壓方向發(fā)展，超高壓水射流技術(shù)已成功地應(yīng)用于金屬、巖石與復(fù)合材料的精密切割、破碎和加工2，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，應(yīng)用前景十分廣闊。但目前人們對水射流沖擊破巖機(jī)理的認(rèn)識仍然不夠深入，造成這種局面的主要原因是水射流本身的復(fù)雜性，破巖過程短暫且變化多端，再加上巖石材料的透明性差，研究人員很難觀察和捕捉到水射流沖擊巖石時巖石內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變及其他相關(guān)信號。對水射流作用下巖石產(chǎn)生的破壞主要以哪種形

2、式為主，是拉應(yīng)力、切應(yīng)力、還是壓應(yīng)力引起的，以及巖石破碎發(fā)展過程仍存在廣泛的爭論3-5。水射流破巖機(jī)理的研究現(xiàn)狀與存在問題包括:水射流破巖機(jī)理的研究，難點(diǎn)在于水射流加載特性和巖石破碎機(jī)理兩方面；理論研究與試驗(yàn)研究手段存在局限，對水射流作用下巖石破壞機(jī)理的觀點(diǎn)多，還沒有形成統(tǒng)一學(xué)說；水射流的加載特性和巖石的破壞形式存在廣泛爭論；射流沖擊下巖石的破碎主要與應(yīng)力狀態(tài)和材料強(qiáng)度有關(guān)，沖擊中水射流產(chǎn)生的應(yīng)力分布對確定破碎機(jī)理十分重要；數(shù)值方法對射流的描述較為簡化，導(dǎo)致射流沖擊載荷與巖石內(nèi)部應(yīng)力分布計(jì)算存在誤差；水射流沖擊下流體與巖石介質(zhì)的禍合作用分析不夠。2水射流破巖研究進(jìn)展2.1淹沒射流的理論研究具有

3、一定尺寸的液體不受固體邊界的限制在相同或不同的介質(zhì)中流動稱為射流。當(dāng)射流射入密度較射流本身密度小的介質(zhì)中稱為非淹沒射流；當(dāng)射流射入密度較本身密度大或相等的介質(zhì)中稱為淹沒射流。淹沒射流依其射入邊界條件，又可分為自由射流及非自由射流。射流的密度與被射入介質(zhì)的密店拼目等，且未被固體邊界所限制(或這種限?？珊雎?時，這種射流稱為淹沒自由射流。反之，稱為淹沒非自由射流。淹沒自由射流的結(jié)構(gòu)見圖2-1。固體邊界對淹沒非自由射流造成的影響見圖2-2。在油井內(nèi)，噴嘴射出的射流通常是淹沒非自由射流。圖2-1淹沒自由射流的結(jié)構(gòu)圖2-2淹沒非自由射流的邊界淹沒自由射流從噴嘴射入相同的介質(zhì)中，射流便不斷地?cái)U(kuò)大，當(dāng)達(dá)到一

4、定距離時，射流就在介質(zhì)中消失。射流自軸又水你的噴嘴噴出后呈錐形擴(kuò)散，錐形面也叫邊界面，它將射流與介質(zhì)分開。隨著射流離開噴嘴距離的增加，射流的直徑及水力參數(shù)不斷變化，此變化的原因是射流在介質(zhì)中受到粘滯勝和紊動性的影響。射流自噴嘴射出之后，則在射流與周圍介質(zhì)之間形成較大的速度梯度。由于粘滯勝的作用，射流與周圍介質(zhì)相混合，在邊界上形成漩渦，這時，射流周圍的質(zhì)點(diǎn)一方面被射流帶走，一方面產(chǎn)生了垂直與射流軸線的流動，發(fā)生紊動，這就造成動量交換。當(dāng)這些質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入射流范圍時就把自己的動量傳遞給與射流相接觸的液層。由于射流邊界上質(zhì)點(diǎn)的動量交換使得射流質(zhì)量增加，直徑變大，又由于能量消耗而使流速逐漸降低。然而射流中心

5、的流速并非一離開噴嘴出口立刻降低。在射流邊界上速度為零，而中心附近仍保持著出口的速度，這一核心稱為等速核。隨著距離增加，等速核直徑變小。到達(dá)一定的距離處，直徑變?yōu)榱悖人俸讼?。存在等速核的區(qū)域稱為射流的初始核，在其后的部分叫射流的基本核。射流初始段的長度取決于噴嘴的形伏，流體的性質(zhì)，雷諾數(shù)及噴嘴的流體壓力等因素。射流自噴嘴射出后八J分化，產(chǎn)生擴(kuò)散，擴(kuò)散角為:射流的速度分布可分為兩部分，在初始段內(nèi)，等速核內(nèi)的速度不變。從等速核邊界向外速度很快降低，至射流邊界速度降為零。在等速核內(nèi)的速度為:Aq.米洛維奇7借助于氣體射流的實(shí)驗(yàn)確定了射流基本段上的軸心流速沿射流長度方向上變化的關(guān)系:據(jù)試驗(yàn)測定，=

6、6，因此初始段長度Lo=6do，但對于液體射流，射流基本段上軸心的流速不是按雙曲關(guān)系在長度方向上變化，而是按高次曲線變化的。進(jìn)一步的研究得知，在淹沒射流中，t0不僅與噴嘴出口直徑有關(guān)，而且與噴嘴結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于淹沒非自由射流，由于邊界上回流的影響，使得射流邊界在捉巨噴嘴較遠(yuǎn)的地方向中心收縮，在一定的距離上，邊界收縮到一點(diǎn)，射流消失，在邊界之外，為上返的回流。射流結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其分布規(guī)律決定了射流中心動壓力變化的規(guī)律。大量實(shí)驗(yàn)研究表明，不同結(jié)構(gòu)噴嘴的射流中心動壓力是不同的，但基本規(guī)律是一致的。射流的流體具有一定的密度，射流又具有一定的速度，射流前進(jìn)的方向上遇有障礙物時，射流就給它一個壓力，這個壓力就是

7、射流的動壓力，根據(jù)水力學(xué)原理可知，射流的速度越高，動壓力越大。在射流的初始段，由于速度不變，中心動壓力也是不變的，在基本段內(nèi)，由于中心的速度隨著距離L而變化，使中心的動壓力隨L的增加而急劇陽氏，見圖2-3。其變化規(guī)律可以下式:圖2-3射流中心動壓力分布AK.柯佐多依8通過理論推導(dǎo)得出:噴嘴的幾何形伏不僅影響射流等速核的長度，也影響射流中心動壓力的分布。2.2水射流結(jié)構(gòu)的研究在早期的研究8-11中，無論是對空氣中的自由水射流還是淹沒水射流，人們都把它看作是連續(xù)射流。通過大量的實(shí)驗(yàn)研究及理論分析，人們逐漸地認(rèn)識到單純的連續(xù)水射流是極少存在的。例如，K.Yanaida9-12在1974年提出的激光中

8、研究空氣中的自由水射流時，認(rèn)為水射流是連續(xù)水射流。在1978年，他用照相方法及電子測量等技術(shù)來研究射流時，發(fā)現(xiàn)在空氣中的自由水射流有一個從連續(xù)變?yōu)椴贿B續(xù)的現(xiàn)象，他提出了射流“破裂”的概念。隨后紹立西德的F.Eramann-Jenitger13及中國礦院14等學(xué)者及科研單位的研究，發(fā)現(xiàn)空氣中的自由水射流都存在一個由連續(xù)的水射流變成微粒的過程。在靠近噴嘴出口的地方，射流可以近似的認(rèn)為是連續(xù)的。由于水域邊界上的空氣發(fā)生能量交換，空氣進(jìn)入射流中就逐漸地使水射流斷開，形成水片，繼續(xù)與空氣混摻，水片變成水柱，最后變成小水滴而霧化。從形成水片開始，射流就變成了連續(xù)的了。對淹沒射流來說，F(xiàn).Eramann-J

9、esnitger1316，N.C.Franz15，J.B.Cheung17等人都證明了在使用一般的錐形噴嘴形成的射流中總是有空化氣泡產(chǎn)生的?？栈瘹馀葸M(jìn)入射流就使射流變成不連續(xù)的了。空化氣泡進(jìn)入射流，給射流的特性帶來很大的變化，因而引起了很多學(xué)者越來越多的注意，從理論及試驗(yàn)中研究空化現(xiàn)象的產(chǎn)生及應(yīng)用。水在常溫下是液體，當(dāng)壓強(qiáng)一定時，溫度升高到沸點(diǎn)，水便汽化，形成蒸氣泡。同樣，當(dāng)溫度一定時，壓降降低到一定值，水體也會汽化，出現(xiàn)氣泡。這種因壓強(qiáng)降低而發(fā)生流體中液體汽化的現(xiàn)象就叫空化現(xiàn)象(Cavitation)。天然水中含有大量的不溶于水的直徑為10-3-10-4毫米的小氣泡稱為氣核。空化氣泡就是以氣

10、核為基礎(chǔ)發(fā)育起來的。由水力學(xué)18原理可知，在流速增加時，壓降降低，在管路的收縮段，流速變大，壓強(qiáng)降低。當(dāng)壓強(qiáng)降低到低于液體的蒸汽壓時，液體就以氣核為基礎(chǔ)形成空化氣泡。由流體力學(xué)原理知，在流速分離區(qū)的漩渦中心，壓強(qiáng)較大的降低。流速越大，壓強(qiáng)降低越大。因而易產(chǎn)生空化氣泡，因此在高速水流中，凡是以產(chǎn)生漩渦的地方都是易于產(chǎn)生空化氣泡的。在淹沒射流中，由于射流邊界與靜止液體之間有速度梯度存在，己形成漩渦，因而易產(chǎn)生空化氣泡。在噴嘴內(nèi)部，也往往由于流速的突然變化而使壓力降低，形成空化氣泡。F Eradmann-Jeanitger把在射流邊界上生成的空化氣泡稱為“自由”空化氣泡；把在噴嘴內(nèi)部生成的空化氣泡稱

11、為“誘導(dǎo)”空化氣泡?？栈瘹馀莶粌H可以在淹沒射流中產(chǎn)生，而且在空氣中的自由射流也可以產(chǎn)生空化氣泡。E.FBeutin19等人證明，在空氣中的自由水射流僅僅在噴嘴內(nèi)部形成空化氣泡，而在射流邊界上不會有空化氣泡產(chǎn)生。無論是淹沒射流還是非淹沒射流空化氣泡的生成都下力時流變成不連續(xù)的。近年來又有脈沖射流出現(xiàn)。它是人為地使射流發(fā)出一定頻率的脈動，形成一連串的自由液珠，可以明顯地提高射流對固體材料的破碎作用，由于射流技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn).Eramann-Jeanitger把射流分成三類:連續(xù)射流、沖擊射流及混合射流。其形狀如圖2-4。圖2-4射流的分類能引起被沖擊的固體平面上有相對穩(wěn)定的壓力，載荷的射流叫連續(xù)射流

12、。如圖2-4(a),只能近似地認(rèn)為在空氣中的自由水射流在靠近噴嘴出口附近的一小段水流是連續(xù)射流。在空氣中產(chǎn)生液珠的自由水射流以及專門用脈沖設(shè)備產(chǎn)生的脈沖射流都屬于沖擊射流。沖擊射流對固體平面所產(chǎn)生的壓力載荷是隨著時間而發(fā)生脈動的，如圖2-4(c)。介于兩者之間的射流稱為混合射流。例如含有空化氣泡的淹沒射流圖2-4,b(1)，自由射流中己出現(xiàn)水片，但尚未形成液珠的部分圖2-4,b(2)，都是混合射流。大部分的射流都是屬于混合射流?；旌仙淞鲗腆w平面所產(chǎn)生的壓力載荷，既有穩(wěn)定的部分，又有波動的部分。3高壓水射流沖積巖石介質(zhì)流固耦合機(jī)理分析3.1數(shù)值分析理論模型與計(jì)算參數(shù)運(yùn)用全解耦流固耦合理論，建立

13、了高壓水射流沖擊破巖系統(tǒng)的數(shù)值分析理論模型，水射流采用標(biāo)準(zhǔn)k-雙方程模型和控制體積法，巖石采用各向同性彈性介質(zhì)和有限元法，給出了水射流與巖石禍合的數(shù)值算法20。按水射流沖擊破巖示意圖3-1建立計(jì)算的模型，計(jì)算了巖石在水射流速度為447.2m/s, 547.7m/s和632.5m/s沖擊下流場規(guī)律和巖石內(nèi)部的應(yīng)力分布，為超高壓水射流破巖機(jī)理的研究奠定基礎(chǔ)。圖3-1水射流沖積破巖示意圖數(shù)值計(jì)算基本計(jì)算參數(shù)為:噴嘴直徑d=2.2mm，水射流驅(qū)動壓力分別為100MPa、150MPa和200MPa，按Bernoulli方程，其對應(yīng)的噴嘴出口速度取v=447.2m/s、547.7m/s、632.5m/s，

14、噴距(噴嘴出口到?jīng)_擊面距離)h=20100mm，水的密度=1000kg/m3，粘度0=0.001Pa·s，巖石介質(zhì)彈性模量E=90GPa，泊松比v=0.25。3.2水射流沖積作用下巖石介質(zhì)應(yīng)力分布規(guī)律在水射流沖擊的作用下，巖石介質(zhì)的應(yīng)力分布規(guī)律主要可歸納為如下兒方面。（1)沖擊壓力分布。圖3-2給出了不同噴距下沖擊面上壓力分布規(guī)律?？梢钥闯?，最大沖擊壓力位于沖擊中心，隨徑向距離增加沖擊壓力迅速衰減，有效沖擊范圍隨噴距的增加而略有增加。圖3-3為不同噴距下軸心沖擊壓力的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比21。可以看出，兩者基本吻合，數(shù)值計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果對應(yīng)的值偏大，主要原因有兩個:一是試驗(yàn)中的小

15、孔法測量本身存在的試驗(yàn)誤差，由其試驗(yàn)原理可知，小孔測壓中心很難與噴嘴軸線對中，而且沖擊壓力徑向衰減曲線陡峭，所測壓力也只是沖擊區(qū)平均值，測量值顯然比實(shí)際??；另外一個原因是k-雙方程數(shù)值模型在預(yù)測高速水射流也存在計(jì)算誤差。但從總體上說，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明數(shù)值計(jì)算是可行的。圖3-2不同噴距下沖擊面上徑向壓力分布規(guī)律（v=632.5m/s）圖3-3不同速度不同噴距下軸心沖擊壓力(2)最大和最小主應(yīng)力分布。圖3-4給出了射流速度為v=632.5m/s巖石介質(zhì)內(nèi)部最大主應(yīng)力分布?？梢钥闯?，在射流沖擊區(qū)，巖石介質(zhì)處于受壓狀態(tài)(壓力值為負(fù))，在沖擊中心，壓應(yīng)力值最大，隨徑向距離的增加，應(yīng)力

16、值迅速下降，并逐漸轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力位于沖擊表面邊緣某個位置。最大拉應(yīng)力位置離沖擊中心的徑向距離與噴距呈線性關(guān)系(圖3-5)。對于像巖石類的脆性材料，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，在水射流作用下，介質(zhì)表面存在拉仲破壞，拉仲裂紋在水射流沖擊邊緣開始產(chǎn)生，許多試驗(yàn)所觀察到的現(xiàn)象是一致的。圖3-4固體介質(zhì)內(nèi)部最大主應(yīng)力分布（MPa）（v=632.5m/s，h=20mm）圖3-5最大控應(yīng)力位置隨噴距的變化關(guān)系（v=632.5m/s）(3)最大切應(yīng)力分布。圖3-6為射流v=632.5m/s,h=20mm時最大切應(yīng)力分布規(guī)律。同樣可以看出，切應(yīng)力在徑向方向隨距離的增加而不斷減小，切應(yīng)力是由介質(zhì)內(nèi)部向表面擴(kuò)

17、展。圖3-7給出了不同速度下巖石介質(zhì)對稱軸線上的最大切應(yīng)力分布，可以看出，最大切應(yīng)力并不在介質(zhì)表面，而是在表面沖擊中心下部約0.5倍噴嘴直徑。如果以抗剪強(qiáng)度來表征介質(zhì)的破壞，那么介質(zhì)剪切破壞將從內(nèi)部開始，形成剪切裂紋，裂紋進(jìn)一步向沖擊接觸面擴(kuò)展，使碎塊脫離介質(zhì)基體。圖3-6巖石介質(zhì)內(nèi)部最大切應(yīng)力分布（MPa）（v=632.5m/s，h=20mm）圖3-7巖石介質(zhì)對稱軸線上的最大切應(yīng)力分布（h=20mm）4水射流沖蝕巖石的影響因素高壓淹沒射流沖蝕巖石等脆性材料，其破壞機(jī)理是十分復(fù)雜的，影響其破巖效果的因素也很多，國內(nèi)外學(xué)者看法不拐嬌目同。盡管近幾年來大量學(xué)者在這方面做了許多研究工作，普遍認(rèn)為射流

18、壓力、噴嘴直徑、噴射距離、噴射角度、噴嘴移動速度等幾方面影響比較大。射流引起巖石的破壞主要是通過水楔作用，當(dāng)水楔形成的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力超過巖石的抗拉和抗剪的極限強(qiáng)度時就會在巖石中形成裂隙。裂隙初步形成和匯交后，水射流將進(jìn)入裂隙的空間，在裂隙尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，使裂隙迅速發(fā)展和擴(kuò)大致使巖石破裂形成圓柱狀沖擊坑或漏斗坑。另外，F(xiàn)oreman和Secor提出，水射流沖擊下巖石被破壞是由于:在巖石介質(zhì)中引起應(yīng)力波和持續(xù)的水射流沖擊應(yīng)力場;水對孔隙和裂隙的刺入引起與拉應(yīng)力的應(yīng)力場相伴的內(nèi)應(yīng)力?？偟恼f來，射流壓力是影響破巖效果的一個相當(dāng)重要的因素。噴嘴直徑也是影口向破巖效果的又一重要因素，如果噴嘴直徑過大勢

19、必影響射流壓力的提高，過小則不能有效地清潔井底，不能產(chǎn)生足夠大的水功率，這都不能有效提高破巖效率，所以適當(dāng)?shù)膰娮熘睆降倪x取在石油鉆井中顯得尤為重要。噴射距離是破巖的一個至關(guān)重要的因素，加拿大N.C.Franz及M.M.Vijay提出了用淹沒射流沖蝕固體時有一個“最優(yōu)距離”，在這個“最有距離”上，沖蝕體積達(dá)到最大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是與淹沒射流中產(chǎn)生的空化現(xiàn)象有關(guān)。在淹沒射流中，錐形噴嘴在局部低壓區(qū)產(chǎn)生空化氣泡，當(dāng)空化氣泡移動到某個高壓區(qū)，空化氣泡就會爆破，如果在固體邊界附近有.空化氣泡爆破時，高壓沖擊波不斷的傳遞到固體界面上，造感職寸材料的破壞，這種現(xiàn)象叫空蝕現(xiàn)象。如果沒有合適的噴距，即使壓力

20、超過了巖石的門限壓力，也無助于破巖效率的提高。在淹沒狀態(tài)下射流的等速核要比在空氣中短得多，所以刻門盡量要使射流噴距在等速核以內(nèi)，這樣才能發(fā)揮水射流的破巖作用，提高破巖效率，但是不是說只要保證噴距在射流流等速核以內(nèi)就可達(dá)到最優(yōu)的破巖效率，這里面還存在一個最優(yōu)噴距的問題。另外噴射角度也是一個影響破巖很重要的因素，國內(nèi)外不少學(xué)者就這一問題作了許多研究工作，普遍認(rèn)為在100左右最優(yōu)。一些切割實(shí)驗(yàn)表明，水射流垂直沖擊物體時(0度)，切割深度較大，隨著噴射角度的加大，切割深度逐漸減小，他們認(rèn)為這是由于過大的噴射角加劇了射流的反射作用，從而降低了射流的沖蝕能力。同時還應(yīng)指出的是，噴射角度還與噴嘴移動方向有關(guān)

21、，這是由于切割過后的水射流攜帶切屑以一定的速度沖刷被切割材料，從而使切割深度進(jìn)一步增加。同時，當(dāng)水射流的噴射角偏向噴嘴移動方向時，延長了高速射流與被切害吻體的接觸時間，從而使切害深度超過垂直噴射時的深度。日松木浩二的試驗(yàn)表明，射流噴射角向噴嘴移動方向傾斜100左右時，其切害蛛度較垂直射流是提高20%，反之，射流噴射角與噴嘴移動方向相反時，由于射流與被切割物體的接觸時間大大減少，其切割深度明顯不如垂直噴射時深。在其它條件不變的情況下，圖4-1為前人所作的一組噴嘴方位角與射流清洗效果試驗(yàn)結(jié)果圖。圖4-1噴嘴方位角和噴嘴傾角對射流清洗力影響5高壓水射流破巖理論盡管水射流破巖技術(shù)已廣泛應(yīng)用于礦山開采、

22、石油鉆探和巷道挖掘、巖石切割等有關(guān)工程領(lǐng)域，但是，人們對水射流作用下巖石的破碎機(jī)理的認(rèn)識依然是眾說紛紜、莫衷一是，還沒有形成一種較為統(tǒng)一的學(xué)說，其中最主要的原因是水射流破巖過程的復(fù)雜性，因?yàn)樗诙虝旱倪^程中涉及到流體、固體和流固藕合等眾多學(xué)科。5.1準(zhǔn)靜態(tài)彈性破碎理論該理論將射流對巖石的沖擊力看作準(zhǔn)靜態(tài)的集中力，大小等于射流滯止壓力，作用于半無限彈性體上，以彈性強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，將巖石的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度作為巖石破碎的判據(jù)，當(dāng)射流液流沖擊在巖石上產(chǎn)生的應(yīng)力超過巖石的強(qiáng)度時，巖石發(fā)生破壞。靜態(tài)彈性破碎理論認(rèn)為，巖石在射流的沖擊作用下，其內(nèi)部的應(yīng)力分布情況與半空間彈性體在集中載荷作用下的應(yīng)力分布相

23、似，在沖擊區(qū)正下方某一深處將產(chǎn)生最大剪應(yīng)力，沖擊接觸區(qū)邊界周圍產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于巖石抗拉、抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，雖然沖擊產(chǎn)生的壓應(yīng)力達(dá)不到巖石抗壓強(qiáng)度，而拉應(yīng)力和剪應(yīng)力卻分別超過了巖石的抗拉和抗剪的極限強(qiáng)度，導(dǎo)致巖石破壞。較有代表性的理論有密實(shí)核一劈拉破巖理論，即運(yùn)用赫茲接觸理論將水射流破巖過程簡化為具有一定速度的剛體壓入巖石半無限體，當(dāng)最大剪應(yīng)力和拉應(yīng)力超過巖石的抗拉、抗剪強(qiáng)度時，出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展到?jīng)_擊接觸面，形成由巖粉組成的密實(shí)核，在水射流與未破壞的巖石之間起“巖墊”作用。當(dāng)射流繼續(xù)沖擊它時，密實(shí)核的體積縮小，密度增大而儲能，形狀變成橢球體，當(dāng)密實(shí)核儲蓄的能量達(dá)到一定程度時，它將開始膨脹而

24、釋放能量，使它周圍的巖石產(chǎn)生切向拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度時，巖石壁上將出現(xiàn)徑向裂隙，由于密實(shí)核處于高壓狀態(tài)，核中的巖粉以粉流形式鍥入徑向裂隙，并在靠近阻力較小的自由面方向劈開巖石，從而完成脆性巖石的躍進(jìn)式破碎（體積破碎)。準(zhǔn)靜態(tài)破巖理論能解釋一些水射流破巖石機(jī)理，特別是對于連續(xù)射流破巖中門限壓力的存在。不過門限壓力不總和巖石的強(qiáng)度存在關(guān)系，而且很多試驗(yàn)現(xiàn)象與準(zhǔn)靜態(tài)理論存在很大差異，如脈沖、間斷和超音速等射流沖擊引起大塊巖石的破碎，空氣和淹沒條件下射流破巖存在最優(yōu)噴距、水錘效應(yīng)等，準(zhǔn)靜態(tài)破巖理論顯然存在局限性。5.2應(yīng)力波破碎理論與準(zhǔn)靜態(tài)破巖石理論不同，應(yīng)力波破碎理論認(rèn)為，水射流沖擊的沖

25、擊載荷是動載，在巖石中產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波的作用是造成巖石破壞的主要原因。應(yīng)力波破碎理論最早用來解釋高速液滴、脈沖射流等引起的破巖現(xiàn)象。很多學(xué)者對液滴和脈沖射流引起的壓力分布作過深入研究，如:Y en C Huang和F G H arrm itt等利用非定常流理論建立二維液滴沖擊固定的剛性平板時，液滴的形態(tài)變化及其內(nèi)部瞬態(tài)壓力分布和速度分布。F J H eymann建立了水錘壓力計(jì)算式并得到廣泛應(yīng)用，他認(rèn)為沖擊波的速度對射流的沖擊壓力影響很大。F P Bowderg，J F F ield，S-W Kang等也對超音速射流沖擊下物體的變形與破壞、應(yīng)力波的作用等進(jìn)行過大量研究，得出很多有用的結(jié)論。應(yīng)

26、力波破碎理論的基本觀點(diǎn)是在高壓水射流作用下，被沖擊區(qū)在強(qiáng)大壓縮波的作用下處于絕對受壓狀態(tài)，直到液滴向外作徑向流動，作用在固液表面的壓力才由水錘壓力降至滯止壓力，由于壓力急劇下降，壓縮波被反射后形成強(qiáng)大的徑向拉力，當(dāng)拉力值超過巖石的破裂強(qiáng)度時產(chǎn)生裂紋。應(yīng)力波理論對解釋超高速（音速)射流的破巖機(jī)理是合適的，它解釋了許多靜態(tài)理論無法解釋的現(xiàn)象。但由于水射流沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波作用范圍與固體撞擊或爆炸沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波存在差異，對于水射流沖擊下應(yīng)力波產(chǎn)生的條件、在巖石內(nèi)的傳播及作用范圍等的認(rèn)識還存在局限。另外，對于中低速射流特別是淹沒射流作用下巖石中是否有應(yīng)力波存在及應(yīng)力波對巖石破碎所起的作用的研究有待進(jìn)一

27、步深入。5.3氣蝕（空化）破碎理論所謂氣蝕就是由充滿蒸汽或空氣的負(fù)壓空穴在固體表面破裂而產(chǎn)生的，根據(jù)Rayleigh的理論，如果氣泡的破裂能量集中在一點(diǎn)上，它產(chǎn)生的壓力非常大，可達(dá)680一6800MPa，Crow認(rèn)為氣蝕作用是造成巖石破壞的主要原因，在水射流沖擊下，巖石表面受到很高的壓力作用，巖石顆粒前后的壓力不同，兩者的壓力差就具備了氣蝕條件。由于水射流沖擊下巖石表面同時產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣蝕破壞，所以巖石表面的顆粒又受到剪力的作用。氣蝕破壞包括機(jī)械作用、化學(xué)作用和熱作用等，但以機(jī)械作用為主為大多數(shù)人所接受。氣蝕射流所產(chǎn)生的破壞很大程度上是由于液體的微射流沖擊巖石表面所產(chǎn)生的，其破壞機(jī)理與連續(xù)射流有

28、許多相似之處。當(dāng)氣蝕射流沖擊到物體表面，小坑邊緣四周突起，呈一環(huán)形裂紋，有時也會出現(xiàn)徑向裂紋和液體在巖石表面的流動。氣蝕破壞理論與空氣中的一束水破壞理論基本相同，只是大小不同而已，氣蝕破壞是微觀的，但有效破壞力大。淹沒射流所產(chǎn)生的空化破壞能大大提高破巖效率，這已被許多試驗(yàn)所證實(shí)。但由于空泡破裂的強(qiáng)度大，用實(shí)驗(yàn)手段很難測得氣蝕射流對巖石的破壞強(qiáng)度，加上淹沒條件特別是圍壓條件下空化的初生、發(fā)展與破壞還存在不同的認(rèn)識，射流中空泡的密度難以確定，空泡的實(shí)際破壞只能作定性分析，氣蝕破巖理論還沒形成理論模型。5.4裂紋擴(kuò)展破碎理論裂紋擴(kuò)展理論認(rèn)為，水射流作用前巖石中存在的初始裂紋，巖石的破壞是裂紋擴(kuò)展而破

29、裂的結(jié)果。因裂紋擴(kuò)展機(jī)理不同，裂紋擴(kuò)展破碎理論包括兩種理論:一種是斷裂力破碎理論，認(rèn)為巖石在水射流沖擊作用下產(chǎn)生裂紋，裂紋在沖擊應(yīng)力作用下擴(kuò)展、交匯，最后形成破碎坑;另一種理論是拉伸水楔作用理論，認(rèn)為射流沖擊下，高壓水射流能有效地順著裂紋尖端傳播，水侵入裂隙空間以后，對裂隙產(chǎn)生一應(yīng)力場，在裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，它使裂隙迅速發(fā)展擴(kuò)大，致使巖石破碎。裂紋擴(kuò)展破碎理論比彈性強(qiáng)度理論更恰當(dāng)?shù)孛枋隽藥r石的破巖過程，而且有很多試驗(yàn)現(xiàn)象支持。水射流作用下巖石的破碎是裂紋擴(kuò)展的結(jié)果基本上成為共識，存在的分歧是引起裂紋的擴(kuò)展的原因。對于巖石中孔隙壓力的分布以及孔隙壓力對巖石破壞的貢獻(xiàn)還沒有具有說服力的理論。另

30、外，如果能從理論上考慮破碎坑的形成與裂紋擴(kuò)展傳播存在關(guān)聯(lián)將更好地證明巖石破碎是裂紋擴(kuò)展的結(jié)果，從而使該理論更具有說服力。5.5損傷破碎理論倪紅堅(jiān)22采用有限元法，對水射流的破巖機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過對連續(xù)射流、旋轉(zhuǎn)射流和脈沖射流破巖過程的模擬，認(rèn)為水射流作用下巖石的破碎是射流沖擊載荷在巖石內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力波和射流準(zhǔn)靜態(tài)壓力共同作用的結(jié)果，其中以應(yīng)力波為主，準(zhǔn)靜態(tài)壓力為輔。水射流破巖分為兩個階段，初期以沖擊載荷為主，形成巖石損傷的主體，后期主要是準(zhǔn)靜態(tài)壓力使巖石內(nèi)已有的微孔隙、微裂紋等損傷二次擴(kuò)展。他以J LanaitRe損傷理論為基礎(chǔ)，建立了巖石宏微觀損傷藕合模式，并以損傷變量作為巖石破壞的判據(jù)

31、，為水射流破巖機(jī)理的研究提供了一種新的方法。6結(jié)語由于水射流破巖體系的復(fù)雜性，在理論分析和實(shí)驗(yàn)研究方面均有較大困難，使得水射流破巖機(jī)理難以客觀揭示。水射流破巖過程短暫，此過程中水射流的特性和巖石的形體模型和受力形式也在發(fā)生改變，從靜態(tài)的觀點(diǎn)來研究顯然存在不足。由于水射流破巖過程中局部效應(yīng)明顯，以彈塑性理論和斷裂學(xué)理論作為水射流破碎巖石的判據(jù)存在局限，巖石損傷力學(xué)的發(fā)展為該問題的研究提供了新的方法。另外，對水射流破巖過程簡化得過多，許多研究要點(diǎn)因?yàn)榇嬖谳^大的困難而被忽略，如流固藕合作用、巖石的動態(tài)響應(yīng)等，因而研究所得出的結(jié)論不可避免地與實(shí)際有較大出入。要提高對水射流破巖機(jī)理的認(rèn)識，需要重視兩個問

32、題:一是水射流與巖石的藕合作用；二是巖石動態(tài)破碎的微觀機(jī)理。水射流破巖是一個涉及諸多因素的非線性沖擊動力學(xué)問題，用理論和實(shí)驗(yàn)手段描述的力度十分有限，數(shù)值模擬為該問題的研究提供了一種新的研究方法。對于水射流破巖石理論的進(jìn)一步研究中，有幾個方面值得重視:a水射流沖擊動載特性和應(yīng)力分布規(guī)律；b.巖石在水射流沖擊破碎過程中的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系；c.水射流破巖過程的數(shù)值分析；d.水射流結(jié)構(gòu)參數(shù)和巖石性質(zhì)對破巖效果的影響規(guī)律。對于這些問題，可以借助流固藕合理論和巖石損傷理論來研究?？傊?，要進(jìn)一步加深對水射流破巖理論的研究，需要將流體和固體兩個學(xué)科結(jié)合起來，從動態(tài)的角度對破巖過程進(jìn)行分析，才能促進(jìn)理論和技術(shù)的進(jìn)一

33、步發(fā)展。通過學(xué)習(xí)碎巖工程學(xué)這門課程及查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，本文歸納了高壓水射流破碎巖石機(jī)理的相關(guān)知識點(diǎn)，主要包括水射流技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展、水射流破碎巖石的研究進(jìn)展、高壓水射流巖石介質(zhì)流固的耦合機(jī)理分析、水射流沖蝕巖石的影響因素及現(xiàn)今主要的高壓水射流破碎理論。通過此次寫論文，讓我更加深入的理解了以上的知識點(diǎn)和相關(guān)的概念，對碎巖工程學(xué)這門課程相關(guān)知識點(diǎn)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識。參考文獻(xiàn)1THOMAS J K. An overview of waterjet fundamentals and applicationsM.St.Louis:Waterjet Technology Association, 20

34、05.2廖華林，李根生，熊偉.超高壓射流輔助破巖鉆孔研究進(jìn)展J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002, 21(增2):583-587.3KANG S議REITTER工CARLSON G. Target responses to the impact of high-velocity, non-abrasive water jetsC/Proceedings of 7th American Water Jet Conference, Washington,USA,August,1993:71-86.4AGUS M, BORTOLUSSI A, CICCU, et al. The influence of

35、 rock properties on waterjet performanceC/ Proceedings of 7th American Water Jet Conference, Seattle, Washington, August, 1993:427-442.5倪紅堅(jiān)，土瑞和，張延慶.高壓水射流作用下巖石破碎機(jī)理及過程的數(shù)值模擬研究J.應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2005,26(12):1445-1452.6GUO Z, RAMULU M, JENKINS M G. Modeling the waterjet contact/impact on target materialC/Proceedings of lOthAmerican Waterjet Conference, Texas USA,1999: 1-21.7阿格羅斯金.水力學(xué)上冊.石油工業(yè)出版社，1964.8吳望一流體力學(xué).北京大學(xué)出版社，1990.9K.Yanaida. Flow characteristics ofwater jet. Secon In