高壓射流沖擊應(yīng)力波破巖試驗研究

(湖南科技大學(xué)，資源環(huán)境與安全工程學(xué)院 湖南 湘潭 411201)

引言

高壓射流噴射破巖技術(shù)因其獨特優(yōu)勢成為巖石切割等領(lǐng)域的一種重要技術(shù)。在諸多射流破巖機(jī)理的理論中，應(yīng)力波理論可以很好的闡釋高壓射流作用下巖石宏觀破碎現(xiàn)象。因此，探索應(yīng)力波在破巖過程中的形成與傳播對促進(jìn)高壓射流破巖技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有十分重要的意義。

劉佳亮通過數(shù)值模擬研究了高壓射流沖擊下應(yīng)力波在煤巖體內(nèi)的波形特征、應(yīng)力峰值與傳播規(guī)律[1]。廖志毅等通過采用RFPA數(shù)值分析軟件，建立了巖體孔內(nèi)爆破數(shù)值模擬，分析了巖體爆炸應(yīng)力波作用下的破碎特征[2]。劉勇等通過建立應(yīng)力波在煤體內(nèi)傳播的彌散方程，分析了孔隙率和滲透率對應(yīng)力波在煤體內(nèi)傳播的影響[3]。張樹川等分析了爆炸應(yīng)力波入射控制孔的反射規(guī)律，揭示深孔控制爆破控制孔的作用機(jī)制[4]。司鵠等利用非線性有限元法，采用動態(tài)接觸模擬高壓水射流對巖石沖擊作用[5]。褚懷保等設(shè)計并完成了模擬煤體爆炸應(yīng)力波損傷積累實驗，分析了煤體爆炸應(yīng)力波作用的損傷過程與機(jī)理[6]。王維等采用光滑粒子流體動力學(xué)與有限元分析耦合方法對水射流破碎油頁巖的三維非線性沖擊動力學(xué)問題進(jìn)行了模擬研究，得到了水射流破碎油頁巖過程中應(yīng)力波傳播和衰減規(guī)律[7]。盧義玉等[8]數(shù)值模擬研究了脈沖射流在破巖過程中應(yīng)力波的形成、傳播及衰減過程，分析了巖石在應(yīng)力波效應(yīng)下的破壞行為。以上研究表明，應(yīng)力波在巖石中的形成與傳播過程是導(dǎo)致巖石破碎的主因。

現(xiàn)有文獻(xiàn)主要從理論層面對射流沖擊應(yīng)力波破巖效應(yīng)開展了研究，尚缺乏大量的破巖試驗來充分驗證應(yīng)力波破巖理論。基于此，本文擬開展高壓水射流沖擊砂巖試驗與超臨界二氧化碳(Supercritical carbon dioxide,SC-CO2)射流沖擊頁巖試驗，以此來探究射流沖擊應(yīng)力波作用下巖石的破碎規(guī)律。

一、高壓射流沖擊破巖試驗

(一)高壓水射流沖擊砂巖試驗

巖樣取自重慶某在建隧道，將其加工制備成φ50mm×50mm的圓柱體，測得其單軸抗壓強(qiáng)度σc=68MPa，抗拉強(qiáng)度σt=2.17MPa。高壓水射流破巖試驗系統(tǒng)如圖1所示，其中噴嘴內(nèi)徑為2mm，沖擊靶距設(shè)置為3mm，沖擊時間設(shè)為15s。基于目前對砂巖臨界損傷壓力的研究，選取12、50、100、150、200、250和300MPa作為試驗射流壓力。

圖1 高壓水射流破巖試驗裝置圖

(二)SC-CO2射流沖擊頁巖試驗

巖樣取自重慶東南部露頭的黑色炭質(zhì)頁巖，采用巖芯鉆機(jī)制備成φ100mm×200mm規(guī)格的圓柱體試件，測得其單軸抗壓強(qiáng)度σc=16.3MPa，彈性模量E=7.5MPa，泊松比v=0.3。圖2為SC-CO2射流破巖試驗裝置示意圖。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究，選取30、35、40、45、50、55MPa泵壓作為試驗的工作壓力；熱交換器的溫度為恒溫80度，巖心圍壓恒為8MPa，噴嘴出口直徑為2mm，沖擊靶距設(shè)為3mm。

圖2 SC-CO2射流破巖試驗裝置圖

二、破巖試驗結(jié)果與分析

(一)高壓水射流沖擊砂巖試驗結(jié)果

本試驗中砂巖試件處于無圍壓的條件下，在不同壓力的射流沖擊下，砂巖試件依次出現(xiàn)破碎坑、橫向裂紋與縱向裂紋等破碎形式(見圖3)。試件在受沖擊前完整性良好，表面沒有裂紋；經(jīng)50MPa的射流沖擊后，試件端面開始產(chǎn)生破碎坑與環(huán)形裂紋，沖擊中心區(qū)域巖石呈片狀剝落；經(jīng)200MPa的射流沖擊后，試件內(nèi)部產(chǎn)生數(shù)條貫通的橫向環(huán)形裂紋，巖石出現(xiàn)體積破碎；經(jīng)300MPa的射流沖擊后，試件呈現(xiàn)出近似劈裂的破碎模式，產(chǎn)生較少的縱向裂紋。

圖3 砂巖的宏觀破碎圖

根據(jù)試驗結(jié)果可得橫向裂紋數(shù)量、巖石損傷深度與射流沖擊壓力的關(guān)系(見圖4)。橫向裂紋的數(shù)量與射流壓力呈非線性分布。當(dāng)射流壓力較小時，橫向裂紋數(shù)量較少；隨著射流壓力的增加，橫向裂紋數(shù)量隨之緩慢增加；當(dāng)射流壓力達(dá)到200MPa左右時，橫向裂紋數(shù)量隨之達(dá)到最大值；當(dāng)射流壓力繼續(xù)增加時，橫向裂紋數(shù)量隨之迅速減少。砂巖的損傷深度與射流壓力呈線性正相關(guān)的關(guān)系，即水射流壓力越大，巖石損傷深度越大。

圖4 橫向裂紋數(shù)量、巖石損傷深度與射流壓力的關(guān)系

(二)SC-CO2射流沖擊頁巖試驗結(jié)果

為了考慮圍壓對高壓射流破巖效果的影響，在SC-CO2射流破巖試驗中對頁巖試件施加了8MPa的圍壓。在不同壓力的射流沖擊下，試件依次出現(xiàn)破碎坑、端面網(wǎng)狀裂紋與橫向環(huán)形裂紋等破碎形態(tài)(見圖5)。

圖5 頁巖的宏觀破碎圖

頁巖試件在沖擊前具有良好完整性，表面無破碎。在35MPa的SC-CO2射流沖擊下，頁巖端面首先產(chǎn)生破碎坑，并在破碎坑附近產(chǎn)生少量徑向裂紋；同時，頁巖側(cè)面出現(xiàn)了環(huán)形的橫向裂紋。當(dāng)射流壓力增加至45MPa時，頁巖端面的徑向裂紋更加明顯，在破碎坑附近產(chǎn)生了片狀剝落現(xiàn)象；同時，頁巖側(cè)面環(huán)形橫向裂紋數(shù)量增多、深度增大。繼續(xù)增加射流壓力至55MPa后，頁巖端面出現(xiàn)了網(wǎng)格狀的碎裂形態(tài)，頁巖試件出現(xiàn)了大體積破碎現(xiàn)象，環(huán)形橫向裂紋愈加明顯。

(三)試驗結(jié)果討論

現(xiàn)有研究表明，高壓射流撞擊固體表面時會在接觸點產(chǎn)生沖擊擾動，并以應(yīng)力波的形式在固體內(nèi)部傳播，如圖6所示。當(dāng)高壓射流沖擊到巖石表面的瞬間，在受到?jīng)_擊的巖石中心區(qū)域形成壓縮剪切波，并導(dǎo)致該區(qū)域產(chǎn)生初始壓剪破壞。在射流的持續(xù)沖擊下，部分受剪切破壞的巖塊剝離巖體后被流體沖刷帶走，逐漸形成了圖6所示的破碎坑；另外一部分由壓剪作用而導(dǎo)致的裂紋沿著徑向傳播至端面，導(dǎo)致部分端面的巖塊剝離。同時，高壓射流沖擊誘導(dǎo)的拉伸波分量以縱波的形式向巖石內(nèi)部傳播。因此，可以推斷出在巖石內(nèi)部必然會出現(xiàn)大量的拉伸應(yīng)力。由于本次試驗的砂巖和頁巖均屬于沉積巖，其層理面是一種抗拉強(qiáng)度極小的弱面。這些弱面在拉伸應(yīng)力的作用下，極易形成拉伸裂紋。初始拉伸裂紋形成后，在后續(xù)高壓射流的沖擊下沿著巖石的層理面繼續(xù)擴(kuò)展，最終形成了圖7所示的錐形裂紋。通過以上分析表明，高壓射流主要以兩種形式的應(yīng)力波來破碎巖石。第一種為剪切應(yīng)力波導(dǎo)致出現(xiàn)破碎坑與密集破碎帶，第二種為拉伸應(yīng)力波導(dǎo)致巖石內(nèi)部出現(xiàn)拉伸錐形裂紋，擴(kuò)展至自由面后形成宏觀的橫向裂紋。

圖6 高壓射流沖擊下巖石內(nèi)部應(yīng)力波傳播示意圖

三、結(jié)論

在高壓射流的沖擊下，圓柱形巖石試件依次出現(xiàn)端面破碎坑與側(cè)面橫向裂紋兩種典型的宏觀破碎形態(tài)，且?guī)r石的宏觀損傷深度隨射流壓力的增加呈線性增大的趨勢；通過剖視圖發(fā)現(xiàn)，巖石內(nèi)部依次產(chǎn)生了兩類典型的裂紋：即破碎坑附近交錯分布的密集型細(xì)小裂紋與內(nèi)部的錐形裂紋，其中密集型細(xì)小裂紋是宏觀破碎坑的內(nèi)部表現(xiàn)形態(tài)，而錐形裂紋是宏觀橫向裂紋的內(nèi)部表現(xiàn)形態(tài)。分析表明，第一種裂紋是由高壓射流沖擊應(yīng)力波的壓剪分量所導(dǎo)致的，第二種裂紋是由沖擊應(yīng)力波的拉伸分量所導(dǎo)致的，因此可以推斷高壓射流的沖擊應(yīng)力波是巖石破碎的主導(dǎo)因素。