陳樹亮，黃炳香，徐 杰，劉江偉，趙興龍，王常委

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

高壓水射流沖孔基本規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

陳樹亮1，黃炳香2，徐 杰2，劉江偉2，趙興龍2，王常委2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

采用高壓水射流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分別進(jìn)行水壓力、射流靶距、時(shí)間等單因素影響實(shí)驗(yàn)，分析這些因素對(duì)水射流沖孔效果的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著水壓力的增加，射孔深度呈線性增加；當(dāng)噴嘴直徑為1.02mm時(shí)，水射流的最佳靶距為2mm；高壓水射流存在極限射流深度，在此之后，時(shí)間增加，其射流孔孔深基本不變；改變時(shí)間、靶距以及水壓力，試塊水射流孔徑基本無變化。

高壓水射流；沖孔；水壓力；射流靶距

高壓水射流技術(shù)作為一種集清洗、切割、破碎等多種功能的新技術(shù)，最早在十九世紀(jì)中葉出現(xiàn)并應(yīng)用于北美的采礦行業(yè)中[1-2]，之后高壓純水射流技術(shù)的研究和應(yīng)用得到廣泛關(guān)注。由于純水射流需要很高的水壓力，出于當(dāng)時(shí)技術(shù)裝備發(fā)展的考慮，到二十世紀(jì)七十年代末期，由磨料與水混合的兩相介質(zhì)代替純水的磨料射流技術(shù)顯著提高了純水射流的切割、破碎能力，同時(shí)也降低了超高壓對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及管路的要求，大大減少了作業(yè)過程的安全隱患。再者，在清洗方面[3-4]，高壓水射流具有清洗效率高、無污染、經(jīng)濟(jì)性好、對(duì)基體損傷低以及工作環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)；切割方面，其切割強(qiáng)度范圍廣，低到手術(shù)切割病變器官，高到航空航天行業(yè)的特種高強(qiáng)度材料切割，同時(shí)具有切割能力強(qiáng)、精度高、噪音小、無塵以及工作環(huán)境局限性小的特點(diǎn)；粉碎方面，具有粉碎能耗低、效率高、效果好以及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

近幾年，高壓水切割技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于煤礦井下，主要運(yùn)用于高壓水射流破巖[5]、水力沖孔防突、高壓水切槽卸壓[6]、高壓水力割縫增加煤層透氣性[7]等方面。除此之外，在一些瓦斯礦井與具有煤層自燃傾向性礦井，由于環(huán)境的局限性，一些切割作業(yè)無法利用常規(guī)的電鉆進(jìn)行，因而高壓水射流在煤礦的切割作業(yè)中也有良好的應(yīng)用前景。

考慮到高壓水射流切割范圍大的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)切割效果的更加精確，確定最佳的沖孔及切割參數(shù)，研究高壓水射流的沖孔、切割效果，分別進(jìn)行了改變泵注壓力、時(shí)間、射流靶距等單因素影響實(shí)驗(yàn)，分析了這些因素對(duì)水射流沖孔效果的影響，從而確定最佳的沖孔及切割參數(shù)，為后期的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供依據(jù)。

1 高壓水射流沖孔原理

高壓水射流是通過持續(xù)的高速流體沖擊物體表面使物體發(fā)生破裂產(chǎn)生破碎坑并逐漸加深。其對(duì)物體的作用主要包括氣蝕破壞作用、沖擊作用、動(dòng)壓力作用、脈沖負(fù)荷引起的疲勞破壞作用及水楔作用等[8]。

假設(shè)射流為理想流體，射流斷面直徑為D時(shí)，高壓水以流速v垂直沖擊物體表面，當(dāng)遇到作用面后，隨即改變方向轉(zhuǎn)過90°沿徑向朝兩邊流走，且流速不變(圖1)，則射流對(duì)物體表面的理論沖擊力為：

圖1 高壓水射流沖擊垂直平面的過程示意

(1)

式中，F(xiàn)為射流的沖擊力，N；ρ為水的密度，kg/m3；D為噴嘴內(nèi)徑，m；v為射流速度，m/s。

當(dāng)射流的沖擊力F超過物體的極限強(qiáng)度時(shí)，物體表面就會(huì)開裂，形成初始裂隙，水射流進(jìn)入裂隙空間，在水楔作用下，裂隙尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，使得裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展進(jìn)而形成破裂坑。

2 高壓水射流沖孔實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由高壓泵、水射流裝置及監(jiān)控系統(tǒng)組成(圖2)。高壓泵的額定壓力為70MPa，排量為70L/min，水射流裝置的噴嘴直徑為1.02mm，監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管路中的壓力及流量變化，同時(shí)在靠近管路出口處安裝壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄管路出口處的壓力變化。

2.2 試樣加工

水射流試樣采用水泥砂漿試塊，由32.5號(hào)水泥和篩選后的細(xì)沙按質(zhì)量配比1∶3.5∶0.3(水泥∶沙∶水)澆筑為300mm×300mm×300mm立方體試塊。試塊澆筑成形后自然養(yǎng)護(hù)28d，減少試塊物理力學(xué)參數(shù)的離散性。水泥砂漿試樣的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 水泥砂漿試塊的物理力學(xué)參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

高壓水射流實(shí)驗(yàn)方案見表2。采用清水進(jìn)行射流實(shí)驗(yàn)，分別改變泵注壓力、時(shí)間、射流靶距，分析3種因素對(duì)水射流沖孔效果的影響，從而確定最佳的高壓水射流施工參數(shù)。

表2 高壓水射流實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)前連接好管路，安裝壓力傳感器，調(diào)節(jié)好射流的靶距，并固定好噴嘴，系統(tǒng)調(diào)試正常后按照實(shí)驗(yàn)方案開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中勿靠近噴嘴，并采取防護(hù)措施確保實(shí)驗(yàn)人員安全。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后關(guān)泵卸壓，測(cè)量射孔深度并觀察射孔形態(tài)(圖3)。

圖3 水射流實(shí)驗(yàn)過程及射孔形態(tài)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 射流水壓力的影響規(guī)律

水壓力是水射流的一項(xiàng)重要參數(shù)，通過增大水壓力可以增加水射流對(duì)物體表面的有效沖擊力。實(shí)驗(yàn)過程中將泵壓依次設(shè)置為20，30，40，50，60MPa，射流時(shí)間均為5min，射流靶距設(shè)置為2mm，通過5組實(shí)驗(yàn)研究水壓力對(duì)射流效果的影響規(guī)律。不同泵壓對(duì)應(yīng)的射孔深度如圖4，可以看出隨著水壓力的增加，射孔深度基本呈線性增加。

高壓水射流沖擊水泥砂漿、巖石等脆性材料的過程中，沖擊接觸區(qū)邊界周圍產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于巖石抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，因此，當(dāng)高壓水沖擊試塊表面時(shí)，由于水的高速?zèng)_擊產(chǎn)生的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力達(dá)到其抗拉或抗剪強(qiáng)度時(shí)，試塊即發(fā)生破裂。因此，水射流沖擊物體存在一個(gè)使物體產(chǎn)生破壞的最小沖擊壓力，即門限壓力。當(dāng)沖擊壓力大于門限壓力時(shí)，隨著射流壓力的增加，水的射流速度增大，攜帶能量增強(qiáng)，產(chǎn)生的射流孔深度亦增加。

3.2 射流靶距的影響規(guī)律

靶距為水射流噴嘴到被沖擊物體表面之間的距離，也是影響射流效果的重要參數(shù)之一。通常認(rèn)為射流最大作用力位置不是在噴嘴出口而是在離噴嘴一點(diǎn)距離的地方，但靶距過大，射流對(duì)物體表面的有效沖擊力會(huì)降低。因此，水射流存在一個(gè)最佳的射流靶距。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置水壓力為40MPa，沖孔時(shí)間為5min，分別進(jìn)行靶距為1，2，3，4，5，6mm時(shí)的水射流實(shí)驗(yàn)，分析靶距對(duì)射流效果的影響。

對(duì)比不同靶距時(shí)射流孔的孔深(圖5)，可知當(dāng)水射流的靶距小于等于2mm時(shí)，射孔深度相差很小，當(dāng)靶距大于2mm時(shí)，水射流孔深顯著減小，因此，得到水射流的最佳靶距為2mm。靶距較小時(shí)，噴嘴與物料表面距離小，在其噴射水柱的有限射程內(nèi)，水柱較為集聚，沖擊水壓力及能量較大，射孔深度較大，之后，隨著靶距的增加，沖擊水壓力及能量衰減嚴(yán)重，水射流孔深明顯減小。

圖5 射流靶距對(duì)射孔深度的影響

但靶距也不能過小，靶距過小，噴嘴與試塊表面距離過小，試塊表面只受到水射流動(dòng)壓的作用，而沖蝕作用不顯著，導(dǎo)致水射流沖孔的效果較差。同時(shí)靶距過小會(huì)導(dǎo)致噴嘴裝置受到的反作用力增大，可能會(huì)發(fā)生反沖的危險(xiǎn)。

3.3 射流時(shí)間的影響規(guī)律

為分析射流時(shí)間對(duì)射流效果的影響規(guī)律，設(shè)置水壓力為40MPa，靶距2mm，分析沖孔時(shí)間分別為3，5，10，20，40，60，120，180，300s時(shí)射流的孔深變化規(guī)律。

射孔深度隨射流時(shí)間的變化規(guī)律如圖6，可知在3～5s內(nèi)水射流孔深已經(jīng)達(dá)到34mm，基本達(dá)到了極限深度，在此之后，時(shí)間增加，其射流孔孔深基本不變。因此，射流過程中存在沖孔的極限射流時(shí)間t0，在時(shí)間t0以內(nèi)，深度變化比較明顯，超過t0，深度變化不明顯。

圖6 射孔時(shí)間對(duì)射孔深度的影響

在水射流沖孔過程中，由于水泥砂漿自身強(qiáng)度較低，而沖擊水壓力明顯大于其抗拉及抗剪的極限強(qiáng)度，因此，在射孔瞬間試塊即發(fā)生破壞，并在射流沖擊力的作用下，射孔深度快速增大。在此之后，一方面由于水射流噴嘴結(jié)構(gòu)的局限性，噴射水柱最終會(huì)呈發(fā)散狀態(tài)，所以當(dāng)沖孔深度超出其有效噴射距離之后，沖擊水壓力及能量衰減明顯，此時(shí)沖擊水壓力小于等于試塊的門限強(qiáng)度，沖孔深度不再增加，達(dá)到其射流孔的極限深度；另一方面，當(dāng)破壞產(chǎn)生之后，隨著水射流沖擊時(shí)間增加，越容易在射流孔底部集聚壓力水，這些壓力水起到“水墊”作用，從而減弱了水射流沖孔的破壞能力，達(dá)到極限深度。

4 結(jié) 論

(1)在高壓水射流過程中，隨著水壓力的增加，射孔深度基本呈線性增加。

(2)對(duì)比不同靶距時(shí)射流孔的孔深，得到水射流的最佳靶距為2mm。

(3)對(duì)水泥砂漿進(jìn)行水射流沖孔時(shí)，在3～5s孔深已經(jīng)達(dá)到34mm，基本達(dá)到了極限深度，在此之后，時(shí)間增加，其射流孔孔深基本不變。

(4)對(duì)同一種材料而言，改變泵注壓力、靶距及射流時(shí)間，試塊水射流孔徑基本無變化。

[1]楊 林，唐川林，張鳳華.高壓水射流技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].洗凈技術(shù)，2004，2(1)：9-14.

[2]莊靜偉，王 強(qiáng)，史 亮，等.高壓水射流的發(fā)展與應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn)(學(xué)術(shù)版)，2007，7(6)：124-125.

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

Experimental Study of Basic Law of High Pressure Water Jet Punching

CHEN Shu-liang1，HUANG Bing-xiang2,XU Jie2，LIU Jiang-wei2,ZHAO Xing-long2,WANG Chang-wei2

(1.Safety Engineering School，China University of Mining Technology，Xuzhou 221116，China； 2.Sate Key Laboratory of Coal Resource and Safety Mining，Xuzhou 221116，China)

Single factor influencing experiments of water pressure，jet target distance and time were done under high pressure water jet experimental system，influence rule to water jet punching effects by these factors.The results showed that punching depth appeared linearly increasing with water pressure increasing，when nozzle diameter was 1.02mm，the best target distance of water jet was 2mm，and the limitation depth existed of high pressure water jet，and then punching hole depth would not changed with time increasing，water jet hole diameter would not changed with time，target and water pressure changed.

high pressure water jet；punching；water pressure；jet target distance

2017-04-27

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.001

江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(2014-ZBZZ-007)

陳樹亮(1989-)，男，山東萊蕪人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事煤巖體水力致裂方面的研究。

黃炳香(1978-)，男，湖北通城人，工學(xué)博士，教授，博士導(dǎo)師，主要從事煤巖體水力致裂方面的研究。

陳樹亮，黃炳香，徐 杰，等.高壓水射流沖孔基本規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤礦開采，2017，22(4)：1-3，38.

TD712.63

A

1006-6225(2017)04-0001-03

基礎(chǔ)研究