高压水射流冲击速度对砂岩破坏模式的影响研究

 高压水射流冲击岩石会导致其发生结构破坏,不同的射流速度下,岩石呈现出各异的破坏形式。基于理论研究,分析水射流冲击岩石的应力波效应。选取速度分别为157,316,447,547,632,707和774 m/s的高压水射流开展冲击砂岩试验,分析不同射流速度下,砂岩内裂纹的数量、尺寸与形态。采用有限元法数值模拟了水射流破碎砂岩的过程,分析岩石内应力波的传播规律与裂纹的产生过程。研究表明：(1) 当射流速度大于72 m/s时,砂岩表面出现破碎坑和环形裂纹,前者由水锤压力的剪切作用导致,后者由瑞利表面波的拉伸作用导致;(2)当射流速度为300～700 m/s时,砂岩内部产生大量的横向裂纹并出现体积破碎,裂纹的产生主要由应力波产生的径向拉伸应力导致;(3) 当速度大于700 m/s时,砂岩产生的横向裂纹减少,主要以劈裂剪切方式破坏。     

低压磨料空气射流破硬岩规律及特征实验研究

针对坚硬围岩巷道和隧道的掘进效率低、钻具损耗快等问题,提出低压磨料空气射流辅助破硬岩技术思路。采用Fluent-EDEM数值分析不同压力条件空气射流流场结构和磨料加速机制,确定影响磨料加速的关键因素。基于自行研制的磨料空气射流破煤岩系统,研究射流压力、磨料质量流量和冲蚀时间对冲蚀破碎花岗岩效果的影响规律,明确提高破岩效率的关键因素。采用扫描电镜对花岗岩冲蚀坑进行了形貌分析,揭示低压磨料空气射流破硬岩机制。形成了以下主要结论：在压力2 MPa时,射流可达543 m/s,能够将磨料加速至130 m/s,具备冲蚀破坏硬岩的能力。增大气固两相速度差,提高颗粒所受曳力和虚拟质量力是提高磨料速度的关键。相比于提高压力,提高磨料质量流量和冲蚀时间更能提升破岩效率。入射磨料主要以冲击应力波和反复塑性变形使岩石表面产生裂纹和唇状边缘冲蚀坑,反射磨料以剪应力的形式使冲蚀坑壁面产生微裂纹,形成片状断裂裂纹。低压磨料空气射流破岩机制与高压条件下相同,从理论上验证了低压磨料空气射流破硬岩的可行性。     

基于CT方法的磨料射流冲蚀损伤岩石特性研究

 为了深入揭示磨料射流破岩机制,开展磨料射流冲蚀典型脆性岩石(硅质灰岩)实验,同时用CT扫描机对冲蚀后试件进行CT扫描,并利用图像处理技术对获得的CT图像进行二值化处理,直观反映磨料射流作用下岩石的破坏与损伤情况。结果表明：磨料射流破岩过程中除了能冲蚀去除岩石,于岩石内部形成由圆形截面与“V”形垂面构成的倒锥体冲蚀孔洞外,还会在孔壁致生大量小裂缝,对岩石产生一定的损伤作用,于冲蚀孔周边构造出一定范围的损伤区。通过实验测试手段直接验证了磨料射流冲蚀损伤岩石特性的存在,为深入揭示磨料射流破岩机制提供实验基础。     

同轴旋转双射流冲蚀岩石机制与实验研究

 同轴旋转双射流是一种新型高效射流,它综合旋转射流破岩面积大和直射流破岩深度大的优点,并在较高围压下能够利用空蚀提高破岩能力。运用实验的方法研究常压淹没和围压条件下喷距、射流压力以及围压对射流破岩能力的影响。实验结果表明,双射流在冲击破岩时存在最优喷距范围,该次实验条件下最优喷距约为喷嘴当量直径的13倍;增大射流压力可大幅提高双射流的破岩体积。压力超过15 MPa时,破岩体积大幅增长。双射流的破岩体积和破岩孔深均随围压的增大而急剧减小,破岩孔径随围压的增大而减小的幅度相对较小。双射流冲蚀破碎岩石机制包括空蚀破坏、直射流冲击破坏、剪切破坏以及压力波动破坏。     

不同冲击载荷下层状千枚岩压缩力学特性研究

为研究不同冲击速度下层状岩石动态力学特性,采用分离式霍普金森杆压杆装置对千枚岩进行动态冲击试验。研究冲击速度与层理倾角对层状岩石应力–应变曲线、破坏应变及应变率的影响;并从破碎形态、波传播特性、能量吸收等方面对岩石的破坏模式进行分析。结果表明,层状千枚岩试样破裂面类型分为4类,低冲击速度下,试样大多以单一的破裂面形式破坏,高冲击速度下多种破裂类型混合发生。随着冲击速度的增大,破裂类型增多,岩石平均破碎尺寸减小。岩石的动态破坏强度随倾角增加呈现先减小后增大的趋势,高冲击速度下这一趋势更加显著。同一冲击速度下,随倾角增大,应变率先减小后增大,试样破坏应变随倾角变化先增大后减小,表明低冲击速度下,22.5°倾角试样最易破坏,高冲击速度下,45°～67.5°倾角试样破坏最为容易,0°～22.5°倾角试样最难破坏。在低冲击速度下加载方向与层面处于45°～67.5°夹角时破碎效果较好,能量利用率较高;高冲击速度下加载方向与层面处于90°夹角时破碎效果最佳,能量利用率最高。     

水射流冲击含饱和流体岩石介质耦合机理分析

根据含饱和流体的岩石孔隙介质在水射流冲击下包括水射流与岩石、水射流与孔隙流体以及孔隙流与孔隙固相介质三种耦合作用,建立了淹没条件下水射流冲击孔隙介质的耦合分析的理论模型,给出了数值计算方法。按建立的模型计算了出口速度为447.2,547.7和632.5m/s的水射流冲击岩石时水射流流场、岩石孔隙介质内渗流场和应力场的分布规律,为高压水射流破岩机理的研究提供一种新的数值方法。     

高压水射流冲击作用下横观各向同性岩石破碎机制

 基于流体动力学与弹性力学基本理论,分析水射流冲击岩石过程中产生的水锤压力与滞止压力,推导不同压力阶段水射流截面上动压力径向分布函数,建立水射流以不同的夹角?冲击横观各向同性岩石的数学模型,选取? = 0°,45°,90°研究冲击夹角对岩石破碎规律的影响;选择具有良好横观各向同性的砂岩开展不同夹角的冲击实验。理论分析与实验研究表明：水锤压力导致横观各向同性岩石产生冲击破碎坑,滞止压力诱发岩石内部裂纹的产生与扩展;水射流以垂直于、倾斜于、平行于层理冲击横观各向同性岩石导致其分别产生横向裂纹、倾斜裂纹和劈裂裂纹。     

加热处理后砂岩的冲击加载试验研究

为了研究不同高温加热处理后(25 ℃、100 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃、1 000 ℃)岩石在冲击压缩荷载作用下的动态破碎情况,利用Φ100 mm大直径分离式霍普金森压杆试验系统,进行了一系列不同高温加热处理后砂岩的冲击压缩实验,采用不同等级的标准筛对冲击荷载作用下,高温后砂岩动态破碎块度的分布情况进行了分析和统计。根据冲击荷载作用下高温加热处理后砂岩的动态破碎块度统计和能量分析的试验结果,研究了冲击加载试验中,不同高温加热处理后砂岩的动态破碎吸能与冲击入射能、岩石动态破碎块度之间的关系,从微观及能量的角度分析了不同高温加热处理后砂岩的动态破碎形态的变化,探寻了岩石破坏的本质,研究成果对岩石工程的设计和防护都有重要的参考意义。     

SHPB试验中高温下岩石变形破坏过程的能耗规律分析

利用带高温装置的φ100 mm分离式Hopkinson压杆试验系统进行不同高温下大理岩的SHPB试验,分析岩石在冲击破坏过程中的能量耗散特征,探讨冲击加载速率、入射能等对高温下大理岩能耗特征的影响,分析冲击破碎分维及破碎块度与能量耗散的内在联系。研究结果表明：同一高温下大理岩破碎的比能量吸收随着加载速率、入射能的增加均近似线性增加;破碎分维随比能量吸收的增加近似线性增长,而平均破碎块度随比能量吸收的增加逐渐减小,大致呈指数关系。同一高温下岩石的冲击破坏过程中,比能量吸收愈大,岩石的平均破碎块度就愈小,分形维数就愈大,岩石的破碎程度也就愈剧烈。从能量耗散的角度可以较合理地反映岩石变形破坏的全过程。     

在截刀作用下岩石破碎机理的实验研究

通过对三种岩石和三种不同形状的刀具,在不同切深条件下的截割实验观察和实验结果的分析研究表明:在截刀截割岩石过程中,大破碎块的剥离与刀具最大切割力之间不存在严格的对应关系。由于受岩石本身物理特性(非均质性,先天缺陷,如裂隙,节理等)和刀具前端压实粉核区的影响,在一定的截割条件下,岩石破碎剥离块度的大小具有很大的随机性.因此,仅根据大破碎块的断裂表面形状,按拉伸或剪切强度理论建立的破岩机理模型是不全面的.在研究刀具作用下的岩石破碎机理时,不忽视粉核区作为刀具与岩石之间的“中间介质”的传力特性及其对岩石破碎剥离的影响作用.     

基于高压水射流破岩的岩石损伤破坏效应研究

由于高压水射流破岩的影响因素繁多和作用机理的复杂,运用动态非线性有限元法,进行高压射流的数值试验,分析破岩过程中应力及破岩深度变化,以破岩过程中诸如射流速度、射流直径、射流入射角度、射流束数等控制参数为研究方向,基于ANSYA/LS-DYNA进行不同井深条件岩石破坏的显示动力有限元分析。结果表明,进行高压水射流破岩时选取不同射流控制参数所实现的射流效率明显不同,射流速度和射流直径的增大都会增加破岩的深度;射流垂直入射时,破岩效果最好;射流束数和破岩深度成反比。以本文研究结果指导实际现场操作,可以有效提高破岩效率。     

水射流在煤层中水平钻孔的试验研究

分析了水射流流动结构中存在的三个射流阶段和水射流作用于煤层时所具有的撞击、冲击、水楔、气蚀、剪切等破岩机理和岩石的破坏过程。深入探讨了目前有关水射流破岩的前沿问题，提议从岩石动态破碎和水射流与岩石的相互耦合作用的角度来分析水射流的破岩过程。提出了用高压水射流在煤层中钻孔的一种新方案，即采用缠绕在辊筒上的连续钢管，将水射流钻头与高压水泵连接起来，在煤层中实施连续钻孔作业，本方案自动化程度高。可加快钻孔速度。通过试验数据分析了水射流破岩距离与射流压力的非线性关系，对钻孔煤渣做了分样分析，认为水射流钻孔产生的煤渣颗粒大于普通的钻孔煤渣。研究结果表明：水射流破岩时存在一个门限压力，水射流压力和流量与破岩效率成非线性变化的相关规律，与流量相比，射流压力对破岩作用更为重要。     

高压水射流-机械齿联合破岩数值模拟研究

采用非线性动态有限元法,结合实际工况条件,建立了高压水射流–机械齿联合破岩的数值模型。研究了高压水射流破碎岩石过程,并提出了2个临界压力的概念。计算结果表明,联合破岩的破碎效率约为高压水射流和机械齿分别破岩之和的2倍,射流和齿的间距在13mm左右最佳。当射流压力足够高时增大转速有利于提高破岩效果;当钻压增加到一定值后,其对破岩效率影响不大;破岩效率与静水压力成反比。     

高压水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对高压水射流破岩过程进行了模拟，结果表明，水射流破碎岩石主体所用的时间为毫秒量级，普通连续水射流破岩的主要形式是卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏，并呈“阶跃式”发展。在此基础上，探索了水射流参数对破岩效果的影响，数值计算与试验结果吻合良好，表明利用该方法分析水射流破岩过程和机理是可行的，所得结论可作为水射流破岩体系设计和优化的依据。     

深水下岩石切割的模拟试验研究

通过自行开发设计的一套深水环境条件模拟试验装置，进行一系列深水环境条件下磨料水射流切割岩石的试验研究。针对岩石切割深度的主要影响因素，分别进行一系列的靶距变化、切割次数变化、射流横移速度变化和不同水深的模拟试验，从而揭示在深水环境条件下岩石切割深度与各主要切割参数的关系和规律，以及水深对岩石切割深度的影响。在深水环境条件下岩石切割技术的生产实际应用中，要综合考虑切割次数和射流横移速度与效率的关系；岩石等材料的合理靶距是一个关键性技术问题，应控制在有效靶距范围内才具有实际意义。     

射流作用下岩石局部渗流压力分布的研究

高压射流辅助破岩在油气井钻井工程中得到广泛应用,其破岩机理还很不明了。本文提出了射流作用下岩石局部范围具有较高渗流压力的思想,并认为该渗流压力大小对射流破岩有重要影响,建立了该渗流压力的计算模型。通过在地面条件下,射流作用于湿砂岩体的多因素数值计算与分析得出:射流的喷射速度大,岩石局部范围内的渗流压力也较大;计算平面的深度位置增加,岩石渗流压力明显减小;压力波(纵波)在岩体中的传播速度变化,对岩石局部范围内的渗流压力影响不大的规律,这对认识岩石在射流作用下的破碎机理有重要意义。     

淹没磨料射流的动理论分析

淹没磨料射流有效地解决了水下切割硬度较大的物体,动理论方法能更好地分析淹没磨料射流流动的相关理论问题。借助于多相流的运动理论,深入分析了淹没磨料射流的输运特点,探讨了淹没磨料射流中各相的碰撞特征。建立了淹没磨料射流中固、液、气各相分别满足的连续性方程和动量方程。分析指出,只要知道各相的分布函数,则可得到液、固、气各相的运动规律。     

The use of water jets to assist free-rolling cutters in the excavation of hard rock

Earlier work has shown that the use of water jets at moderate pressure enhances mechanical cutting in hard rock. To assess the potential of this technique for use in conjunction with free-rolling cutters, a series of laboratory tests was conducted with disc and button cutters to determine the effect of variations in the jet and cutting parameters on the cutter performance. In these tests, it was found that the use of water jets at pressure in the range of 5–40 MPa can reduce the forces on a free-rolling cutter by 40 per cent, which represents a significant improvement in cutting performance. The reduction in thrust force was found to be dependent on jet pressure: the greater the pressure, the greater the reduction. The reduction in rolling force was independent of jet pressure over the range investigated. The results indicate that no additional improvements in cutting performance of any significance are to be gained by an increase in jet pressure above 40 MPa. The most effective jet configuration for the reduction of cutter forces was found to be four coherent water jets, two laterally disposed on each side of the cutter and directed at the arc of contact between the cutting edge and the rock.