磨料水射流与磨料气体射流破岩压力对比分析.pdf

第4 3 卷第9 期 2 0 1 8 年9 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 3N o ．9 S e p ． 2 0 1 8 戮 移动阅读 刘勇，陈长江，魏建平，等．磨料水射流与磨料气体射流破岩压力对比分析[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 8 ，4 3 9 2 5 1 0 2 5 1 7 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 7 ．1 7 7 0 L I UY o n g ，C H E NC h a n g j i a n g ，W E IJ i a n p i n g ，e ta 1 ．C o m p a r i s o na n a l y s i so nt h er o c kb r e a k a g ep r e s s u r ei n d u c e db ya b r a - s i r ew a t e r j e t sa n da b r a s i v eg a sj e t s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 1 8 ，4 3 9 2 5 1 0 2 5 1 7 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ． c n k i ．j C C S ．2 0 1 7 ．1 7 7 0 磨料水射流与磨料气体射流破岩压力对比分析 刘勇1 ’2 ⋯，陈长江1 ’2 ，魏建平1 ’2 ⋯，张娟1 ’2 i ．河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室 省部共建国家重点实验室培育基地 ，河南焦作4 5 4 0 0 0 ；2 ．河南理工大学安全科学 与工程学院，河南焦作4 5 4 0 0 0 ；3 ．煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作4 5 4 0 0 0 摘要为验证磨料气体射流破岩可行性，对比分析磨料水射流和磨料气体射流破岩效果。理论分 析了磨料水射流和磨料气体射流中磨料加速机理，得出磨料动能与磨料水射流和磨料气体射流入 口压力之间的数值关系。基于统一强度理论，建立了适用于磨料射流破岩的能量准则，得出了岩石 破坏时所需的临界能量。根据磨料加速理论和岩石破坏临界能量计算了岩石破坏临界磨料速度以 及所需入口压力。基于理论计算结果，试验验证了磨料水射流和磨料气体射流冲蚀灰岩的破碎效 果。结果表明当磨料速度达到2 7 0m ／s 时，所需气体射流压力的理论值为1 5M P a ，水射流压力的 理论值为4 5M P a ；两种磨料射流冲蚀坑形状相同，均呈现“V ”型，磨料水射流的冲蚀坑形状相较于 磨料气体射流具有“口小”，“坑深”的特征，磨料气体射流破灰岩形成的冲蚀坑体积要大于磨料水 射流。 关键词磨料水射流；磨料气体射流；能量屈服准则；破岩；冲蚀坑体积 中图分类号T D 4 2 1 ．5 9文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 8 0 9 - 2 5 1 0 - 0 8 C o m p a r i s o na n a l y s i so nt h er o c kb r e a k a g ep r e s s u r ei n d u c e db y a b r a s i v ew a t e rj e t sa n da b r a s i v eg a sj e t s L I UY o n 9 1t 2 ⋯，C H E NC h a n g j i a n g ‘”，W E IJ i a n p i n 9 1 2 一，Z H A N GJ u a n l t 2 1 ．S t a t e K e yL a b o r a t o r y C u l t i v a t i o n B a s e f o r G a sG e o l o g y a n d G a sC o n t r o l ，H e n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ，J i a o z u o4 5 4 0 0 0 ，C h i n a ；2 ．S c h o o lo f S a f e t y S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ，t t e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，J i a o z u o4 5 4 0 0 0 ，C h i n a ；3 ．C o a lP r o d u c t i o nS a f e t yC o l l a b o r a t i v eI n n o v a t i o nC e n t e ri nl t e n a nP r o v i n c e ， a o z u o 4 5 4 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fr o c kb r e a k i n gb ya b r a s i v eg a sj e t ，t h ee f f e c to fa b r a s i v ew a t e rj e ta n da b r a s i v eg a sj e to nr o c kb r e a k i n gi sc o m p a r e da n da n a l y z e d ．I nt h i sp a p e r ，t h em e c h a n i s mo fa b r a s i v ea c c e l e r a t i o ni na b r a s i v ew a t e r j e ta n da b r a s i v eg a sj e ti st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d ．T h en u m e r i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea b r a s i v ek i n e t i ce n - e r g ya n di n l e tp r e s s u r eo fa b r a s i v ew a t e rj e ta n da b r a s i v eg a sj e ti so b t a i n e d ．B a s e do nt h eu n i f i e ds t r e n g t ht h e o r y ，t h e e n e r g yc r i t e r i o nf o rr o c kb r e a k i n gb ya b r a s i v ej e ti se s t a b l i s h e d ，a n dt h ec r i t i c a le n e r g yr e q u i r e df o rr o c kf a i l u r ei so b t a i n e d ．B a s e do nt h ea c c e l e r a t e dt h e o r yo fa b r a s i v ea n dt h ec r i t i c a le n e r g yo fr o c kf a i l u r e ，t h ec r i t i c a lr o c kv e l o c i t ya n d t h er e q u i r e di n l e tp r e s s u r eo fr o c ka r ec a l c u l a t e d ．B a s e do nt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h ec r u s h i n ge f f e c to fa b r a s i v ew a t e rj e ta n da b r a s i v eg a sj e to nl i m e s t o n ee r o s i o ni se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ea b - r a s i v es p e e dr e a c h e s2 7 0m ／s ，t h er e q u i r e dg a sj e tp r e s s u r et h e o r e t i c a lv a l u ei s15M P a ，t h ew a t e rj e tp r e s s u r et h e o r e t i - 收稿日期2 0 1 7 1 2 - 1 3修回日期2 0 1 8 - 0 5 - 1 9责任编辑许书阁 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 7 0 4 0 9 6 ；河南理工大学自然科学基金资助项目 J 2 0 1 8 - 4 ；河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验 室开放基金资助项目 W S 2 0 1 7 A 0 2 作者简介刘勇 1 9 8 4 一 ，男，山东临沂人，副教授，博士研究生。E - m a i l y o o n l i u h p u ．e d u ．c n 万方数据 第9 期刘勇等磨料水射流与磨料气体射流破岩压力对比分析 c a lv a l u ei s4 5M P a ．T w ok i n d so fa b r a s i v ej e te r o s i o np i t sa r es h a p e dw i t h “V ”t y p e ．C o m p a r e dw i t ht h ea b r a s i v eg a s j e t ，t h es h a p eo ft h ec r a t e ro fa b r a s i v ew a t e rj e th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f “s m a l lm o u t h ”a n d “d e e pp i t ”．T h es i z e o f t h ee r o s i o nc r a t e rf o r m e db yt h ea b r a s i v eg a sj e ti sl a r g e rt h a nt h a to ft h ea b r a s i v ew a t e rj e t ． K e yw o r d s a b r a s i v ew a t e rj e t ；a b r a s i v eg a sj e t ；e n e r g yy i e l dc r i t e r i o n ；r o c kb r e a k i n g ；e r o s i o np i tv o l u m e 磨料水射流被广泛应用于煤层气、油气开采等破 岩作业中⋯。但磨料水射流在辅助钻进煤层气井 时，由于水的侵入，容易导致塌井，降低煤层气开采效 率。无水化钻井是解决该问题的重要手段。磨料气 体射流作为一种典型的无水射流，已被广泛应用于金 属钻孔等领域。研究表明高压磨料气体射流也可进 行破岩作业旧J ，且以气体作为动力，可有效降低射流 成本，节约资源。但目前尚无法确定磨料气体射流的 破岩效率是否优于磨料水射流。磨料射流是通过高 速流体加速磨料粒子，进而利用磨料粒子的冲击动能 实现材料的去除加工和冲蚀破坏o 。因此，为对比 磨料水射流和磨料气体射流的破岩效果，需对水射流 和气体射流中磨料加速规律进行分析，并明确磨料射 流破岩机理。 磨料的冲击速度决定于磨料在喷嘴及射流核 心段的加速过程HJ 。磨料冲击速度可通过P I V 等 非接触或间接测量方法测得“ J ，虽能够间接观察到 磨料运动轨迹，但试验结果只能反应试验条件下磨 料粒子的运动，不能揭示一般规律。通过分析单颗 磨料粒子受力情况，建立磨料运动方程，利用迭代 算法进行求解M 。7J ，得到的磨料冲击速度具有普遍 适用性。 目前对磨料射流破岩的研究均是在破坏强度理 论以及试验基础上提出的各种射流破岩假谢8 1 。基 于强度准则，认为磨料射流破岩为准静态加载过程， 当刚性流体的滞止动压超过岩石的门限压力时，岩石 发生变形甚至破坏一J 。但磨料射流过程是一个涉及 诸多因素的非线性冲击动力学问题，具有瞬时强值动 载荷、大变形及高应变率等特点0 | 。因此，从应力一 应变角度建立的描述岩石在准静态条件下的破坏的 各种假说，并不能较准确的反映磨料射流破岩的实 质。 因此，为明确磨料气体射流破岩效果，笔者对比 分析磨料水射流和磨料气体射流的破岩效率，在理论 分析磨料加速规律的基础上，确定磨料冲击速度和射 流压力的关系，计算磨料冲击动能；并建立适合磨料 射流破煤岩的破坏准则，得出磨料射流冲击破坏岩石 的临界压力，并开展磨料水射流和磨料气体射流破岩 试验，对比分析高压磨料水射流和高压磨料气体射流 破岩效果，验证高压气体射流破岩的可行性。 1 磨料加速理论分析 本文建立的磨料加速理论模型，是基于流体为连 续相，磨料粒子为稀疏相。磨料粒子的加速是依靠于 液固或气固之间的速度差和加速度差，即流体对磨料 粒子产生曳力作用。磨料粒子加速过程主要分为 喷嘴内及喷嘴出口与靶体材料之间的远场段引。因 此，本文分别在理论分析磨料水射流和磨料气体射流 磨料在喷嘴内及射流段加速过程的基础上，明确磨料 与流体之间的速度关系，得出磨料速度、流量与射流 压力之间关系。 1 ．1 磨料水射流粒子加速过程 前混合磨料水射流喷嘴广泛采用圆锥收敛型喷 嘴3 | ，结构如图l 所示。 U L o L Ix 图1 圆锥收敛喷嘴结构 F i g ．1 S t r u c t u r eo fc o n i c a lc o n v e r g e n tn o z z l e 图1 中，D 为喷嘴人1 3 直径；0 为喷嘴的收缩半 角；d 为喷嘴出口直径；O L o 为收敛段长度，厶L 。为圆 柱段长度。 假设沿喷嘴径向水流及磨料速度分布均匀，且喷 嘴内磨料与水流运动属于一维定常流动⋯3 ，只分析戈 方向加速度。 o 秽塑f1 撒 n 。 秽。警 2 式中，a 为水流加速度；a 。为磨料加速度；移为流体轴 向速度；秽。为磨料轴向速度。 磨料水射流中水是连续介质，对收缩段0 一厶 内应用连续性方程，可得任意位置x 处的水流速度 旷景等 3 式中，c 2 t a D n 日；6 L o 面d ；V o 为喷嘴人口处水 流速度。 万方数据 2 5 1 2 煤炭学报 2 0 1 8 年第4 3 卷 在喷嘴收缩段内，磨料粒子在两相速度差以及加 速度差的共同作用下做加速运动，其运动方程为 o 。 h 秒一秽。 。 忌o 4 式中， 志；庀 瓦≮，其中，p 为流体密 度，p 。为磨料密度，d ，为单颗磨料粒子直径，c D 为阻 力系数，取0 ．4 4 。 磨料在高压管道内充分加速，喷嘴入口处磨料与 水流有共同的初始速度。联立式 1 ～ 4 可得喷嘴 收敛段任意位置处磨料与人口处速度以及位置z 之 间的方程； 虬警 叫南。。、卜考争。2 ㈤ 联立式 3 ， 5 可求出喷嘴收敛段k 处磨料速 度与水流速度的数值关系，设满足下式 口。I 2n I 秽I 6 式中，z ，。．为磨料粒子在厶处速度，即圆柱段人口处 速度；口。为水流在厶处速度；r t ．为常数，且n ． l 。 喷嘴圆柱段内，忽略磨料与边界层对水流速度的 影响，为均匀定常流，流体速度近似等于收敛段L 。处 的速度口．，磨料粒子的运动方程由 4 可简化为 o 。 h 秒l 一口。 2 7 联立式 6 ， 7 可得圆柱段内磨料粒子轴向速 度与轴线位置X 关系为 z _ 1 『I n 秒I 一秽。 上一I n 秽I n 。秒。 一 凡L 秒I 一秒8 l 8 J 一，z IJ 对喷嘴出口截面上应用伯努利方程，可得 秽I 4 4 ．7 √p 9 式中，P 为水射流压力，M P a 。 联立式 8 ， 9 可得喷嘴出口处磨料粒子速度 与射流压力数值解，设满足 秒。2 ／1 2 √p 1 0 式中，％为喷嘴出口处磨料速度；n 。为常数。 对喷嘴圆柱段内再应用连续性方程，可得喷嘴出 口水的体积流量q 。，即 q r 2 ．1 d 2 √P 11 认为喷嘴出口处磨料是均匀分布，设磨料体积分 数为凡，，磨料流量q h 满足 q 垤 2 ．1 n 3 d 2 √p 1 2 水射流离开喷嘴后受静止流体的掺混，流体速度 从边缘至射流中心依次降低。流场结构划分为受静 止流体影响的混合层以及未受影响的等速核区。处 于等速核内的磨料粒子会持续加速，加速过程满足上 式 8 ，等速核段长度‘㈣满足 L ， 6 ．2 d 1 3 本文选取磨料为1 2 0 目的石榴石，磨料密度为 p 。 3 ．5g ／e r a 3 。选取的喷嘴具体参数见表l 。 表1圆锥收敛型喷嘴参数 T a b l e1P a r a m e t e r so fc o n ec o n v e r g e n tn o z z l e 将喷嘴和磨料参数代人式 3 ， 5 可求得n ． 0 ．5 7 ，即可得喷嘴收敛段出口速度 移。l 0 ．5 7 v l 1 4 再联立式 8 ， 9 可求得，l 4 0 ．3 ，即喷嘴出口 处磨料粒子速度与射流压力关系 ％ 4 0 ．3 如 1 5 试验时选取磨料体积分数n ， 5 ％，代入式 1 2 得 q I 々 0 ．4 2 石 1 6 根据式 1 3 ，求得等速核长度L ， 1 2 ．4m m ，设 定为试验靶距。由于喷嘴出口处磨料速度已接近于 水流速度的9 0 ％，等速核内气流速度对磨料轴向速 度影响较小，即认为磨料粒子接触靶体时的轴向速度 与流量仍满足式 1 5 ， 1 6 。 1 ．2 气体磨料射流粒子加速过程 气体具有可压缩性，通过缩放型喷嘴能够获得超 音速【J 引。为提高磨料加速性能，笔者选用缩放型喷 嘴结构如图2 所示。 图2 缩放型喷嘴结构 F i g ．2 S t r u c t u r eo fl a v a ln o z z l e 图2 中，仇为喷嘴收缩管段人口直径；07 为喷嘴 收缩半角；d ’为喷嘴喉管段直径；O L ；为喷嘴收缩段长 度；L o L f 为喷嘴喉管段长度；L 耳为喷嘴扩张段长度； D ．为喷嘴出口直径。 缩放型喷嘴内气体的加速过程分为收缩段亚音 速流动、喉管内音速流动和扩张段超音速流动。根据 空气动力学知识Ⅲ1 ，可知喷嘴收缩段以及喉管内气 流状态参数满足 万方数据 第9 期刘勇等磨料水射流与磨料气体射流破岩压力对比分析 2 5 1 3 纠 孚讹2 鬲 m ， 等 - 孚讹2 卜1 Ⅲ， P 。 o R T 1 9 式中，p 。为滞止密度；p 。为气体密度；P 。为滞止压力； P 。为气体压力；M a 为马赫数；K 1 ．4 4 为绝热指数； R 2 8 7J ／ m o l K 为空气的气体常数；T 为气体热 力学温度。 喉管内达到音速时，其速度满足 。匾 ～p 水 2 0 式中，p 木为临界密度；c 为当地音速。 亚音速气流在收缩段内主要依靠压力推动增加 速度，最终在喉管入口处气体密度减小到临界密度， 速度达到音速。若气体密度取临界密度，收缩段内气 体速度变化可由式 3 近似表示；磨料在收缩段以及 喉管内的加速过程分别满足式 5 ， 8 中的运动方 程。其中，秽． c 为当地音速，可由式 2 0 确定；气流 密度p 。为临界密度，即当M a 1 时由式 1 7 ， 1 9 确定的密度，即 p 怍0 ．6 3 4 惫 2 ” 联立式 5 ， 8 ， 1 8 ， 2 0 ， 2 1 可得磨料粒 子在扩张段入口处速度与气体速度满足 移刍 i I c 2 2 式中，秽二为磨料粒子在￡。处速度；i ．为比例系数。 在扩张段中超音速气流主要是依靠气体膨胀加 速，认为密度变化是引起气体加速的主要原因。磨料 加速同样满足式 4 的加速方程 秽警 盘，鲁 蒜他叫，2 2 3 式中，秽为磨料粒子速度；吼为气体速度。 缩放型喷嘴内的气体状态参数满足 鲁 羔M a 堂A 2 4 p 。 1 一 ‘ 警一南M a 塑A 2 5 一一⋯ ，’J 秽，l 一 2 M a 兰 2 6 , ／k R r 联立式 2 2 ～ 2 5 可得任意位置处磨料速度与 气体密度之间的关系 ∥坚一一 生型 虫 ‘5 d x 2 0 。 p g p gd x 2鼎20 d ㈩∥ 2 7 。 p 。 。、 “ 、’ 式中，P 。．为喷嘴出口气体压力；d 。为磨料粒子直径。 且A 为喷嘴扩张段的截面积，满足 2 8 气体在喷嘴出口处的速度与流量满足 ％ { 等⋯每门 T ㈣， q 。。 p 。A ．{ i i 三当％与；[ 嚣 下一 等 下】 丁 3 0 式中，秒。为喷嘴出口气体平均速度；q 。。为喷嘴出口气 体流量；／4 。为喉管截面积。 又根据连续方程可得 p g l2 盖 3 1 式中，p 。．为喷嘴出E l 截面密度；A 为喷嘴出口截面 积。 联立式 2 2 ， 2 4 ， 2 7 ， 2 8 ， 3 0 ， 3 1 可得 喷嘴出口处磨料粒子速度与气体速度的关系为 口2 i z v 吐 3 2 式中，i 为喷嘴出口处磨料粒子与气体速度之间比例 系数。 将式 2 9 代入式 3 2 即可求得喷嘴出口处磨料 粒子速度与人口压力之间关系。 等速射流区内气体会维持喷嘴出口速度，继续对 磨料粒子加速。磨料粒子的加速过程可用式 8 求 解。 高压磨料气体射流磨料同样为1 2 0 目石榴石，选 取缩放型喷嘴具体参数见表2 。 表2 缩放型喷嘴参数 T a b l e2P a r a m e t e r so fL a v a ln o z z l e 试验中管路内气体与磨料速度小，可忽略沿程损 失压力，即认为滞止压力P 。等于管路的初始压力P 。 认为气体在喷嘴出口压力为大气压力P 。 0 ．1M P a ， 喷嘴入口热力学滞止温度为室温T ． 3 0 0K 。将磨料 与喷嘴参数代人，可求解出靶距L 1 2 ．4m m 处磨料 速度与不同入口压力之间的数值关系满足表3 。 万方数据 煤炭 学报 2 0 1 8 年第4 3 卷 表3 入口压力与磨料速度关系 T a b l e3 R e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n l e tp r e s s u r ea n da b r a s i v e s p e e d 入口压力p ／M P a 51 01 52 02 53 0 3 5 磨料速度v ／ m s 。 1 9 02 5 0 2 9 03 1 0 3 3 03 4 73 6 0 2 岩石破坏准则的建立 为对比研究磨料水和气体射流破岩效果，在保证 磨料具有相同冲击动能的同时，还需要采用合适的破 坏准则作为岩石破坏判据。 岩石破坏准则的建立可以分别从应力或能量角 度出发8 。。由于磨料冲蚀是涉及多种因素的非线性 冲击，从应力角度出发建立岩石破坏准则时，会出现 理论分析与岩石实际破坏偏差较大。磨料射流破岩 是能量传递与转化的过程，初始流体具有的静压能经 过加速运动转化为磨料与流体的动能，岩石变形破坏 的实质是在外载能量的驱动下，岩石内部积聚的能量 突然耗散与释放的宏观表现‘19 I 。因此，笔者选择从 能量角度出发建立岩石的屈服准则。 2 ．1 岩石破坏能量准则 岩石受外力作用产生弹性变形时，会在其内部积 蓄有弹性应变能。由于岩石是典型的摩阻材料，其破 坏过程中应考虑到摩擦应力的影响。因此，本文将从 考虑内摩擦力的3 个滑动面的剪切应变比能来建立 描述岩石变形破坏过程中的能量准则旧0 | 。 岩石剪切破坏是岩石内一点积聚的剪切应变能 大于颗粒问的胶接能量时，出现的裂隙或剪切面滑 动。剪切应变能本质是岩石在剪应力破坏时沿滑动 面滑动克服内摩擦力做的功。岩石是一种内摩擦型 材料，具有压硬性，其内摩擦力与静水压力影响。岩 石材料在静水压力作用下，可以画出3 个莫尔圆，表 示3 个滑动面应力情况。如图3 所示。 “。 ／r ，．．．。 ．．／／ “i l t照 琴莪I j 0毋毋盯】 O n 图3 莫尔应力圆表示的复合滑动面 F i g ．3 S l i ps u r f a c eo fr o c kr e p r e s e n t e db yM o h rs t r e s sc i r c l e 由几何关系可以求得3 个复合滑动面的法向应 力和剪切应力分别为 盯l O r 2 盯1 22 i 一 丁J 22 - c 0 8 P 1 2 盯2 O r 3o r 2 一O r 3 ． 盯2 3 2 丁一一丁一8 1 n 妒2 3 o 。- 一O r 3 丁2 32 二一c 0 8 ‘；p 2 3 o r l - FO r 3O r l 一盯3 ． ％2 丁～一丁一8 1 n ‘P - 。 O r I o r 3 丁】3 2 丁∞8 ‘；p 1 3 式中，盯。，盯，，盯。，分别为3 个滑动面的法向应力； 1 - 1 2 ，丁2 3 ，1 - 1 3 分别为3 个滑动面的切向应力；盯l ，矿2 ，O r 3 分别为岩石所受到3 个主应力；‘P m 妒，，妒。，分别为3 个复合滑动面的内摩擦角。 由于岩石是典型的摩阻材料，其破坏时克服的胶 结能量是关于黏聚力的函数。则岩石屈服时3 个滑 动面的弹性剪切应变能分别为 ‰血j 掣点 瓦O r l - - 0 “ 2 一O r l 2 3 9 I 丽磊一 9 屹 鱼j 笋型 罴羔一鼍粤t a n 畅 I 丽一T 诅唧2 3 ‰ 堕鼍等型 1 - - - - - X 2 G 1 ‘ 4 0 1 2 G f 黑1 一} ≥t a n ‰1 4 1 ’ 、‘L O S ‘p 1 3 二 ， 式中，职⋯畎，，畎。，，为3 个复合滑动面的弹性剪切 应变能；G 为剪切模量。 磨料射流冲蚀岩石过程中，岩石破坏可处理为剪 切破坏，耗散的弹性比能表示为 W 。 畎1 2 畎2 3 睨1 3 4 2 2 ．2 岩石破坏能量确定 本试验选取典型硬岩 硅质灰岩 制作4 , 5 0m m X 1 0 0m i l l 标准试样。在岩石力学测试系统M T S 一8 1 5 试验机上测定的试样力学参数见表4 。 表4 灰岩岩样力学参数 T a b l e4M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c ks a m p l e s 盯．一盯， 表4 数据代人式 3 8 ～ 4 1 可得灰岩破坏时 一彳8 i n ‘P ，z 3 3 ’ 所需要的能量为肜。3 0 ．4k J 。 、，＼，、，、，、， 舛 ” 弘 卯 勰 ／L／L／L／L，L 万方数据 第9 期刘勇等磨料水射流与磨料气体射流破岩压力对比分析 3 试验验证 3 ．1 磨料射流破岩参数确定 磨料冲蚀岩石过程中遵循能量守恒定律，初始能 量是磨料动能E ∽当用于破岩的能量高于由 式 4 2 得出的临界能量时，岩石内部急聚的弹性应 变能会以剪切应变能形的形式迅速耗散与释放。根 据H U T C H I N G 等悼的研究，认为经冲击后，垂直入 射的磨料粒子有超过9 0 ％的能量损失在靶体上。 即 以≤0 ．9 E k 。 4 3 控制冲蚀时间为5S ，将上述灰岩试样临界能量 职 3 0 ．4k J 代入式 1 5 ， 1 6 ， 4 3 可得磨料水射 流破岩临界压力为4 5M P a ，相应的磨料流量为 0 ．1 6k g ／s ，速度为2 7 0m ／s ，再根据表3 可选取磨料 气体射流人口压力为1 5M P a ，见表5 。 表5 磨料射流破岩压力参数 T a b l e5R o c kb r e a k i n gp r e s s u r ep a r a m e t e r so fa b r a s i v ej e t 3 ．2 试验结果分析 磨料水射流破岩试验选用喷嘴结构见表1 ，磨料 为1 2 0 目石榴石，靶距选取为1 2 ．4m m ，入口压力分 别选为4 0 ，4 5 ，5 0M P a ；高压磨料气体射流选用自主 研制的磨料气体射流冲蚀岩石试验系统幢- ，喷嘴参 数为表2 ，磨料为1 2 0 目石榴石，靶距同样选为 1 2 ．4m m ，入口压力分别选为1 0 ，1 5 ，2 0M P a 。试验过 程是沿岩样轴心冲蚀5S ，结果如图4 所示。 如图4 所示，当水压力为4 0M P a 、气体压力为 1 0M P a ，磨料动能低于灰岩破坏临界能量时，灰岩表 面仅存在磨损，未形成明显冲蚀坑破坏。当水压力高 于4 5M P a 、气体压力高于1 5M P a ，岩石能量发生突 变，岩石形成冲蚀坑破坏。磨料粒子撞击过程中，加 载的局部压力产生拉应力，促使岩石表面及内部产生 微裂纹，岩石发生磨损，粒子动能以弹性势能释放；如 图4 所示，在水压力为4 0M P a 、气体压力为1 0M P a 时，岩石发生表面磨损。磨料粒子动能高于岩石破坏 临界能量，岩石形成以射流轴线为圆心的大变形塑性 区，区域内微裂纹扩展；又由于射流断面上粒子动能 沿径向逐渐减小，岩石塑性区周围存在环形弹性区， 当磨料粒子撞击过程中沿轴向动能减小，局部压力卸 载时，弹性区域内岩石恢复形变，在塑性与弹性过渡 图4 磨料射流冲击灰岩破坏形态 F i g ．4D a m a g ef o r mo fa b r a s i v ej e ti m p a c tl i m e s t o n e 区域内产生剪应力，导致塑性区的扩展裂纹贯穿，岩 石发生剪切破坏，形成冲蚀坑，储蓄能量以剪切应变 能释放。如图4 所示，当水压力大于4 5M P a 、气体压 力大于1 5M P a ，岩石在高频磨料粒子的冲蚀作用下， 呈现为“v ”型冲蚀坑破坏。 图4 a 为灰岩在磨料水射流作用下的破坏形 式。相较于图4 b 中气体磨料射流，冲蚀坑具有“口 小”，“坑深”的特征。根据普朗特边界层理论知，射 流沿轴向速度间断面不稳定，会产生波动形成涡旋， 对射流场周围静止流体产生卷吸作用，阻碍磨料运 动。由于水动力黏度系数远大于空气，边界层内磨料 动能会迅速衰减到不足以提供岩石破坏所需的能量， 所以冲蚀坑相较于磨料气体射流呈现“口小”特征。 射流核心区域水流速度远低于空气速度，易于磨料粒 子混入；边界层对射流核心区内流体速度影响小，粒 子动能耗散低，磨料水射流破岩呈现“坑深”特征。 如图4 所示，灰岩在人口压力为4 5M P a 磨料水 射流和人口压力为1 5M P a 磨料气体射流冲蚀下的 平均冲蚀坑体积分别为2 ．2m m 3 和4 ．2m m 3 。即磨 料粒子具有相同能量时，磨料气体射流冲蚀坑体积大 于磨料水射流。水为不可压缩流体，密度变化小，磨 料粒子冲击动能主要转移为岩石内能及以热能形式 耗散于岩石表面，高速气流为可压缩流体，动能易受 内能影响，磨料气体射流冲击岩石过程中，耗散于岩 石表面的磨料粒子动能会以热能形式被气体重新吸 收，气体温度升高、密度增大，导致磨料粒子动能增 加，用于破岩能量效率高；受流场结构影响，轴心区域 内气体射流中的磨料粒子数量低于水射流；但在整个 万方数据 2 5 1 6 煤炭 学报 2 0 1 8 年第4 3 卷 射流作用区域内，具有破岩能力的磨料粒子数量气体 射流要远大于水射流；气体射流为非连续性射流，脉 动压力要高于水流，高脉动有利于破坏磨料射流过程 中岩石表面形成的“砂垫”效应，降低耗散于反射粒 子与入射粒子碰撞的能量，有利于提高破岩效率。 通过上述试验可以得出，入口压力为1 5M P a 的 磨料气体射流破岩效果要优于入口压力为4 5M P a 磨料水射流。又根据理论计算结果，磨料粒子具有相 同动能时，气体压力要远小于水压力。即进行破岩作 业时，高压磨料气体射流要优于磨料水射流。 4 结论 1 通过理论分析高压磨料水射流和高压磨料 气体射流磨料加速机理，分别建立了两种形式磨料射 流磨料冲击速度计算模型，结合建立的岩石破坏能量 屈服准则，得出了高压磨料气体射流破岩临界压力较 高压磨料水射流低，具有更高的破岩效率，证明了磨 料气体射流破煤岩的可行性。 2 基于单颗磨料受力情况研究了水和气体中 磨料加速过程，建立了适用于前混合条件下的水加速 磨料及气体加速磨料的计算模型。并在此基础上，得 出了磨料速度与射流人口压力之间的理论值。 3 考虑到岩石破坏是剪应力克服内摩擦力做 功的宏观变现，本文基于统一强度理论，建立了岩体 破坏时剪切应变能的计算模型，并通过对灰岩力学参 数测试，计算了试验岩样破坏的临界能量。 4 结合试验条件和参数，计算了试验岩样破坏 时对应的气体射流和水射流人口临界压力分别为 1 5M P a 和4 5M P a 。基于计算结果，试验对比研究了 磨料水射流和磨料气体射流破灰岩效果。灰岩冲蚀 坑破坏形态均成“V ”型，磨料水射流相较于磨料气体 射流冲蚀坑具有“口小”、“坑深”的特征，但磨料气体 射流冲蚀体积大于磨料水射流。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 2 ] [ 3 ] 李晓红，孙家骏．准直管磨料射流在岩石上切割深槽的研究 [ J ] ．煤炭学报，1 9 9 9 ，2 4 4 3 9 5 3 9 8 ． L IX i a o h o n g ，S U NJ i a j u n ．S t u d yo n c u t t i n gd e e ps l o t so nr o c kb y q u a s is t r a i g h tp i p ea b r a s i v ej e t [ J ] J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ， 1 9 9 9 ，2 4 4 3 9 5 3 9 8 ． 温志辉，梁博臣，刘笑天．磨料特性对磨料气体射流破煤影响的 实验研究[ J ] ，中国安全生产科学技术，2 0 1 7 ，1 3 5 1 0 3 1 0 7 ． W E NZ h i h u i ，L I A N GB o c h e n ，L