水射流和機械齒聯(lián)合破巖的機理分析

吳霞(中石化中原工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001)

水射流和機械齒聯(lián)合破巖的機理分析

吳霞(中石化中原工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001)

高壓水射流和機械齒聯(lián)合破巖的機理，既和水射流及機械齒單獨作用時各自的機理有關(guān)，又與它們的結(jié)合作用方式有關(guān)。高壓水射流和機械齒配合工作可以按水射流作用點到刀具刃端的距離直觀地劃分為輔助工作和結(jié)合工作兩種，輔助工作距離較遠，結(jié)合工作距離較近。

水射流；機械齒；聯(lián)合破巖；破碎機理

高壓水射流結(jié)合機械齒工作與高壓水射流輔助機械齒工作中，射流對目標物所施加的載荷性質(zhì)及破碎機理是不相同的。輔助工作是水射流輔助盤形滾刀破碎巖石的預截槽間滾壓破碎法。該法的基本原理是在盤形滾刀的兩側(cè)一定距離處，用連續(xù)細射流光切割出一定深度的預截槽，然后在兩個預截槽中間，用盤形滾刀的方法破碎巖石。這樣被破碎下來的巖屑中，一部分是依靠盤形滾刀滾壓破碎下來的；另一部分是依靠細射流切割出預截槽后，造成了自由面，在滾刀滾壓過程中剪切崩裂下來，無射流預槽時，刀具使巖石造成擠壓破壞，只能破碎三角形區(qū)域。

水射流與機械齒結(jié)合工作是水射流輔助割刀截齒破碎巖石，兩者互為條件。機械齒首先為射流創(chuàng)造良好的工作條件，在刀具刃端產(chǎn)生裂紋，水射流利用其水楔液壓等作用擴展裂紋，對高應力狀態(tài)的粉核區(qū)域進行水力沖蝕，從而大大減小刀具受力。結(jié)合工作中射流工作的時機有兩種：一是刀具載荷足夠，達到突進破碎后繼續(xù)用水射流沖蝕。沖擊光滑巖面幾乎不產(chǎn)生痕跡的射流,在同樣參數(shù)下沖擊突進破碎后的巖面卻再次產(chǎn)生破碎體。這說明仍有一些裂紋未擴展開，實際上刀具載荷引起的徑向裂紋尺寸不可能相同，在一定載荷下，恰好某條裂紋達到臨界尺寸，而首先擴展開來這條裂紋之下的裂紋則保留在巖體內(nèi)，因而水射流繼續(xù)工作能夠發(fā)生作用。

結(jié)合工作中水射流的主要作用是對高應力狀態(tài)的粉核區(qū)域進行水力沖蝕和對刀具刃端的裂紋產(chǎn)生水楔作用。從作用力與反作用力關(guān)系看割刀截齒的切割阻力主要來自粉核區(qū)域。粉碎體雖然又被重新壓實成粉核體，但粉核體的組成顆粒間已無聯(lián)系，而且粉核體的密度小于巖體密度，并未因壓實而增大，因而射流很容易沖蝕粉核區(qū)域。若當粉核體形成就用水射流沖蝕掉，則截齒始終與光滑巖面接觸，而產(chǎn)生粉核體的載荷不很高，因此截齒受力可大大降低；但另一方面，粉核體形成就被水射流沖蝕掉，就破壞了徑向裂紋的產(chǎn)生條件，也就沒有裂紋擴展結(jié)果的大塊破碎，更談不上水楔作用。

當高壓水侵入在刀具作用下產(chǎn)生的裂紋后，就以液壓楔膨脹壓裂的形式作用于裂紋表面。按照斷裂力學的觀點，裂紋表面的水壓力可以看作是一種邊界條件。裂紋內(nèi)水的膨脹力即為裂紋的撕開力，當它超過巖石的抗拉、抗剪強度極限時，裂紋便會迅速擴展，最后導致巖塊的碎落。粉核體一般稍大于刀具刃端接觸面積，因此水射流應盡量靠近截齒，直接沖蝕粉核區(qū)，充分發(fā)揮射流作用。水射流輔助割刀破巖的機理是射流先射入切頭前的裂紋中，然后使它們擴展。射流最有效的打擊點是刀頭主刃面前最近點，而通常在這點上出現(xiàn)巖石初始裂紋。

結(jié)合工作中射流作用方向不同，效果也大不相同，下面主要分析射流在齒前、齒后、齒側(cè)三種情況下工作的機理。

1 射流在截齒前作用

在這種結(jié)合工作中，射流垂直于巖面和齒前進方向，直接沖射在或稍超前于截齒造成的破碎區(qū)上。試驗表明，射流垂直朝下，指向截齒的中心，并靠近其前方，大約在齒刃前1～2mm是最有效位置，采用水射流配合后，雖然截齒上的推力和切割力均明顯減小，但推力的減少程度比切割力要高得多。這時射流的主要作用是對粉核區(qū)的沖蝕作用，而水楔作用不顯著。由于截齒傾斜了一角度，使得刃端粉核體大部分位于齒前，而這樣布置的射流正好有利于對高應力狀態(tài)的粉核區(qū)域進行水力沖蝕，故推力、切割力大幅度降低。同時，射流作用的結(jié)果使得截齒不易產(chǎn)生裂紋，即使產(chǎn)生了裂紋，也由于射流作用方向的限制，水射流沖擊的方向幾乎垂直于截齒刃端造成的裂紋，能夠進入裂紋的水量相對較少，裂紋內(nèi)水壓膨脹不大，不可能掀起刃端前方大塊巖屑，而截齒的運動方向平行于切割方向，推力方向無運動，故切割力減小程度相對較小。

2 射流在截齒后作用

這時射流方向?qū)Ρ庑谓佚X來說基本上平行于其切割力方向，對鎬形截齒來說基本上平行于其軸線方向。資料表明，當射流從截齒后射向刃端高應力區(qū)域時，截齒的推力和切割力均顯著減小。這種結(jié)合方式，充分發(fā)揮了水射流的作用，是對粉核區(qū)域沖蝕作用的擴展裂紋的水楔作用。這時的射流幾乎正對刃端部分的裂紋。高壓水由動壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，不斷侵入裂紋，而從裂紋內(nèi)流出的水量遠小于侵入的水量，故裂紋內(nèi)水壓不斷上升。當作用在裂紋表面的水壓力在裂紋尖端所引起的應力集中超過巖石斷裂破壞的臨界值時，裂紋也就以穩(wěn)定或失穩(wěn)的形式擴展，裂紋的最終失穩(wěn)擴展便以宏觀的煤巖體積的脆性破碎面結(jié)束。射流壓力越大，掀起的巖屑就越大。射流壓力對裂紋擴展的影響，需要同時運用斷裂力學、流體力學和固體力學等工具，配合試驗進行研究。不過有一點可以說明問題，這就是擴展深部裂紋的阻力比擴展經(jīng)向裂紋要高得多，因此需要的射流壓力較高，深部裂紋若能擴展，將掀起更大的巖屑。

3 射流在截齒側(cè)作用

在這種方式中，射流作用在齒槽側(cè)。一般是二個噴嘴各在截齒一側(cè)，噴嘴不僅與截齒軸線有一傾角，以利沖蝕刃端粉核體，而且與煤巖面有一傾角，故又有截齒后射流的作用。若噴嘴與截齒軸線無傾角，則射流可能打在粉核體外而成輔助工作方式。當截齒切入巖石較深時，這傾角過大達不到結(jié)合工作目的，這時截齒破巖通常存在崩落角，側(cè)向射流傾斜角只要在這個角度，就可使射流達到刃端粉核區(qū)域。

從充分發(fā)揮射流作用來說，應選用后兩種方式，其中齒側(cè)射流因要兩個噴嘴費用增大。在截深槽時射流容易沖擊在截齒已造成的破碎體上，重復破碎，故比較起來，射流在截齒后作用是最佳結(jié)合方式。