高压水射流破碎岩石
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发布时间：2022-04-29 18:44
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时间：2022-06-19 15:35
以水力和机械力综合破碎岩石，在工业上具有广阔前景，它不仅效率高，而且设备轻、刀具磨损小、粉尘少。原苏联早在1939年就建成水采矿井；美国于1938年开始研究水力喷射钻头，到1968年其进尺已占总进尺的65%。我国20世纪30年代就有水力开采，广东、广西一带砂锡矿的开采，至今一直沿用；1957年试用水力采煤成功；60年代初开始对高压水射流进行系统深入的研究，至1974年，我国胜利油田试验喷射钻进成功，并在全国推广。现今高压水射流已广泛用于水力采煤，水力喷射牙轮钻头钻进普遍在油井使用；在除锈、清洗容器、掘进、切割材料中应用高压水射流，并且不断拓宽其应用领域。
一、高压水射流及其分类
水射流是由喷嘴孔中流出，进入周围介质中的运动液流。水力破碎岩石是指在孔底产生必需的接触压力的水射流作用的结果。按射流密度与介质密度之比值，若大于1，称为自由流；反之，称为淹没流（为水下碎岩时）。
按射流的流体力学指标，可分为稳定（连续）流、非稳定（连续或断续）流。后者相应为脉动（周期变化）和脉冲流。最普及的稳定流（包括喷射流和细射流）是由喷嘴喷出后，随着时间的改变各截面流体动力学参数不改变。
按射流动压力可分为低、高压两种：压力低于5MPa，喷嘴出口流速低于100m/s者，属低压射流，可用于破碎岩石和煤。流速等于及大于声速（300～800m/s），在5～400MPa的压力下形成的高压射流，则可用于破碎硬岩；当压力大于700MPa时，可破碎坚硬岩石。高压射流也包括脉动和脉冲流。
气蚀射流（空气射流）是一种两相紊流射流，流束内含有许多空穴或气泡。在物体表面，破裂的气泡（占总数的10-4～10-6）能产生相当高的压力（1000MPa）。由于压力集中于一个极小的面积上，所以有巨大破坏力。气蚀射流所需的压力，大大低于连续射流和脉冲射流，其破碎效果也较好，因而广泛用于清除、破碎等方面。
此外，还有磨粒射流（射流内含有石英、金属等硬颗粒），冲击能力很大，所需压力较小，功耗较低，故可以切割任何材料，其切割能力比纯水可提高10倍以上。
二、高压水射流装置
1.喷嘴
喷嘴是高压水射流装置的关键部位之一，射流的侵蚀和摩擦作用是喷嘴损坏的主要原因；其次，水射流的压力波动、空穴、涡流等作用，也影响喷嘴的使用寿命。
喷嘴一般采用坚硬材料制造，如硬质合金、宝石、金刚石、不锈钢、渗氮钢、陶瓷等。对高压高速液体，宝石和金刚石较为理想。喷嘴内表面的光洁度应达10级以上；对钢制喷嘴，需进行热处理，使达到HRC=65～72的硬度。目前推广应用的离子束注入技术，对喷嘴进行表面改性后，对提高喷嘴的寿命能起到很好的效果。
目前认为合理的连续水射流喷嘴的形状，应如图1-6-1所示，其入口锥角为13°～14°；直线段出口长度L为直径的2.5～3倍；锥口与圆柱面之间应圆滑过渡。这种喷嘴的阻力损失小，等速核长度加长，射流的扩散角（射流锥角）小。为了容易加工喷嘴，宜用两种材料组合，如在出口处镶一片宝石。
上述简单的连续水射流喷嘴耗能多、压力低是其严重缺点，所以需要研究脉冲式射流发生装置。
图1-6-1 高压射流喷嘴
图1-6-2 高压水射流发生器工作原理
2.纯挤压式高压水射流发生器
图1-6-2（a）表示纯挤压式高压水射流发生器的工作原理。活塞往复运动，贮存于B部的水被挤压，A部的油（气）压增压，水由喷嘴射出而形成长而细的连续水射流。
3.冲击式高压水射流发生器
图1-6-2（b）表示冲击式高压水射流发生器的工作原理。对B1部的水施加压力，推动活塞左移而压缩A部气体；再对B1部水卸压，压缩气体迅速膨胀，推动活塞右移，冲击并挤压关闭在炮筒（高压腔）中B2部的水。水由喷嘴喷射，形成短而粗的脉动射流（即冲击式射流）。
上述高压水射流装置，工作时采用高压泵，当切割硬岩时，有时需要几千个MPa。此时管路系统的耐高压、密封总是显得特别重要，故有必要研究潜孔锤的增压器。
三、水射流破岩机理
1.拉伸-水楔破岩理论
此理论把岩石看成是半空间弹性体，而把射流的冲击力看成是作用于半空间体平面上的集中压力。这样，岩石在射流的冲击力作用下，其内部的应力分布情况与半空间弹性体在集中载荷作用下的应力分布相似，即在冲击区正下方某一深处产生最大剪应力，在冲击接触区边界周围产生拉应力，当这些拉应力与剪应力超过了岩石的抗拉和抗剪强度，在岩石中就形成裂隙，这就所谓“拉伸”阶段。
图1-6-3 水楔作用模型
裂隙初步形成和汇交后，在射流冲击压力作用下，水浸入裂隙空间。这时岩石中受力情况与在岩石中楔入一个刚体楔子相似，因此称为水楔作用。水楔楔入裂隙，在裂隙尖端产生拉应力集中区，它使裂隙迅速发展和扩大（图1-6-3），致使岩石破碎，形成破碎坑。
2.密实核-劈拉破岩理论
这一理论是把脉冲射流看作一个带有速度的刚体，当它冲击半无限弹性体时，根据前面第二章第七节所说的“在压头正前方产生承压核”的观点，那么在脉冲射流冲击岩石接触面的前方，形成球形密实核（即承压核）。该球形密实核在射流继续冲击它时，通过体积缩小密度增大而储能，本身变成椭球体；当密实核储能到一定程度开始膨胀（释放能量），使包围它的岩石在切线方向上产生的拉应力，并超过抗拉强度时，包围密实核的岩石壁上出现径向裂隙；由于密实核处于高压状态，核中的岩粉以粉流形式楔入径向裂隙，并在靠近自由面方向劈开岩石，完成脆性岩石的跃进式破碎（体积破碎）过程，这就是所谓“劈拉”。
3.冲击压力波理论
图1-6-4 冲击压力波的分布
射流在孔底产生冲击压力波，在接触面中心其压强最大，逐渐向边缘减弱（图1-6-4）。该冲击压力波有两种作用：一是扩大岩石预破碎带的微裂隙，加速岩石的破碎；二是冲击压力波对井底的净化作用，避免岩屑在井底重复破碎。
在钻进深孔时，泥浆柱的压力将岩屑压在井底，而对岩屑进行重复破碎，这就是所谓动压持效应。若增大冲洗泵的排量，则是解决上述问题的有效方法。
射流冲击压力波能产生漫流净化作用，克服了动、静两个压持效应产生的后果，使井底净化，从而提高了钻进效率。
当采用水射流碎岩时，首先要考虑射流速度。当射流速度小于某一定值时，冲击压力达不到跃进式体积破碎所需的压力时，岩石仅出现表面破碎或疲劳破坏，此时比功很大，应避免这类破碎现象的出现。为此，对于水射流破岩方法有如下要求：
（1）水射流产生的冲击力，应大于跃进式破碎所需要的压力，以实现体积破碎；
（2）射流长度要选择适当（最优值），必须使冲击岩石的作用时间等于跃进式破碎所需的时间。若小于该时间，裂纹来不及传播；大于这个时间，冲击能用于已破碎岩块和岩粉的变形或破碎上，增大了破碎比功；
（3）脉冲射流的间隔时间，要大于卸载所需时间，利用卸载产生的拉伸作用，减少能量的消耗。
四、水射流破岩的基本参数分析
1.喷射压力P与切深h的关系
喷射压力P是决定破碎效果的重要参数，只有当射流的喷射压力超过某一临界值（大约等于10倍的岩石抗压强度）时，才会使岩石发生体积破碎。为了提高射流对岩石的破碎效率，应尽量提高射流的喷射压力。但从能量消耗观点，射流喷射压力P有一个最优值范围，小于或大于这个范围，破岩比能a都要增加（图1-6-5）。
许多实验表明，切深h随喷射压力P的增加而增加，两者呈指数n关系，P=Khn，1＞n＞0，视岩石性质不同而异。
2.喷射速度与破碎体积的关系
水射流碎岩时所需的最低流速，称为门限速度。岩石的门限速度随岩石坚固性和塑性系数而变化。一般来讲，岩石越坚固、塑性系数越大，门限速度也越高。有人测得的若干岩石的门限速度为：石灰岩为1120m/s；花岗岩为1300m/s；大理岩为1500m/s。
图1-6-5 喷射压力P与破岩比能a的关系
通过试验，获得了射流速度破碎体积的关系式为：
碎岩工程学
式中：V为破碎体积；v为射流速度；vt为射流门限速度；K、n为常数。
结论是：喷射速度与门限速度的比值跟破碎体积呈指数增长的关系。
3.喷射距离对侵深的影响
喷射距离L是指喷嘴出口到破岩面的距离。射流离开喷嘴后，随着喷射距离的增加而扩散。由于扩散，引起射流速度和压力下降，减少了对岩石的冲击程度，严重影响水射流的破岩效果。图1-6-6为4种岩石的侵深与喷射距离的试验曲线。从图中获知：岩石越坚固，侵深随喷射距离的增加而下降得越快。
图1-6-6 侵深与喷射距离的试验曲线
图1-6-7 射流喷射角度对侵深的影响
4.喷射角度对侵深的影响
射流垂直冲击或倾斜冲击岩石，两者受力状态是不一样的。
在同样的条件下，射流倾斜冲击时，岩石单位面积上受到的压力小，切割岩石的深度也相应的减小。图1-6-7为射流喷嘴角度对侵深的试验曲线，90°为最佳喷射角度，小于或大于该角度，都会导致侵深的减小。
5.喷嘴横截面积对侵深的影响
在保持喷射压力一定的条件下，喷嘴横截面积增加，喷出射流量多，冲击岩石面积大，岩石容易破坏，使切深增加。切深的速度也是刚开始大，逐渐减小；当喷嘴横截面积增加到一定程度，侵深便不受喷嘴横截面积的影响。但喷嘴很大，虽然对侵深不起影响作用，但由于冲击面积（射流接触面积）大，必然引起破碎面积的增加。图1-6-8为侵深与喷嘴横截面积的关系。
图1-6-8 侵深与喷嘴出口横截面积的关系
