馬 恒 ，宮 正 ，高 科 ，宋 鑫

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；2.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 葫蘆島 125105；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100083）

由于煤礦開采的深度逐漸增加，我國的煤與瓦斯突出災(zāi)害日漸嚴(yán)重，現(xiàn)階段應(yīng)用廣泛的水力沖孔增透消突技術(shù)，一定程度上可以有效提升煤層的透氣性，降低突出發(fā)生的危險(xiǎn)性，便于后續(xù)的瓦斯抽采[1-2]。但在工程應(yīng)用中表明，向煤層中注入帶壓水后，煤層的水飽和度增加，毛細(xì)現(xiàn)象及破碎的煤粉會(huì)將瓦斯運(yùn)移的通道堵塞，同時(shí)伴隨著注水后的煤層孔隙之間壓力的上升，游離態(tài)的瓦斯向吸附態(tài)瓦斯進(jìn)行轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步對(duì)瓦斯的解吸造成困難，加大了后續(xù)瓦斯抽采的難度[3-4]。因此，提出高壓水射流沖孔技術(shù)，為煤層局部卸壓增透消突，可以很有效地避免在水力射流沖孔技術(shù)之中存在的水封抑制瓦斯解吸，以及減少煤層滲透率的缺陷[5-9]。

現(xiàn)階段研究結(jié)果表明，高壓氣射流沖孔致裂煤巖體時(shí)，存在沖擊動(dòng)壓和準(zhǔn)靜態(tài)壓力2 種作用形式。高壓氣體爆破沖孔破煤技術(shù)最早可追溯到美國的LONG AIR-DOX 公司，后續(xù)該項(xiàng)技術(shù)逐漸拓展延伸至巖石、混凝土等其他材料的爆破方面[10-11]。2005 年，西安科技大學(xué)陳莉靜等[12]采用線性壓力分布模型，對(duì)爆生氣體促使裂紋發(fā)育的過程進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，氣體準(zhǔn)靜態(tài)作用在促使裂紋擴(kuò)展發(fā)育過程中起主導(dǎo)作用；2017 年，趙旭[13]通過開展高壓氮?dú)鉀_孔致裂試驗(yàn)，認(rèn)為煤體在氣射流的沖孔作用下形成初始裂縫，在準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場作用下促使裂紋得到進(jìn)一步擴(kuò)展。為此，基于已有的氣射流研究，在實(shí)驗(yàn)室中通過高壓氣射流沖孔破煤實(shí)驗(yàn)裝置，驗(yàn)證高壓氣射流沖孔破煤的能力及射流參數(shù)的選擇，通過數(shù)據(jù)擬合進(jìn)一步分析煤體被沖擊后的沖蝕特性并對(duì)高壓氣射流參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期為今后氣射流沖孔破煤工程提供參考。

1 相似材料的制備

高壓氣射流沖孔實(shí)驗(yàn)若想取得很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，原煤是最好的受沖擊材料。但由于實(shí)際的煤體形成過程中會(huì)受到賦存條件、風(fēng)化等一些方面因素的影響，各方面的差異性很大，即使是對(duì)同一煤體，其節(jié)理裂隙發(fā)育的隨機(jī)性也很大，力學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)考察射流參數(shù)組合下沖孔實(shí)驗(yàn)效果的影響存在干擾，同時(shí)取樣制樣過程中煤樣極易破碎，想要得到規(guī)整的或者力學(xué)參數(shù)相似的煤塊較為困難，且實(shí)驗(yàn)需要的試塊數(shù)量較多，因此實(shí)驗(yàn)考慮使用水泥、石膏和河沙等相似材料加工替代原煤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[14-16]。試塊制作參考原煤的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行材料間的配比。

1.1 試塊原材料選擇

相似材料主要由骨料和膠結(jié)料組成，實(shí)驗(yàn)研究中選取河沙作為骨料，其中將水泥和石膏作為膠結(jié)料來進(jìn)行不同含量的配比，以此制作相似材料。

1）水泥。水泥是粉狀水硬性無機(jī)膠凝的材料，實(shí)驗(yàn)選用市面較常見的P.O 42.5 硅酸鹽水泥。

2）石膏。較水泥不同的是，石膏是一種氣硬性膠凝材料，同時(shí)也可作為水泥的速凝劑，石膏穩(wěn)定強(qiáng)度隨著時(shí)間的增加保持不變或有小幅度的下降，實(shí)驗(yàn)選用高強(qiáng)石膏粉。

3）河沙。河沙是在自然中經(jīng)過水的作用力長時(shí)間反復(fù)沖撞、摩擦而形成的，實(shí)驗(yàn)選用的河沙為普通工業(yè)用河沙，用篩孔尺寸為1.18 mm 的篩子篩選成粒徑為1 mm 的沙粒。

1.2 相似材料配比及制備

實(shí)驗(yàn)所需的相似材料試塊采用模具成型制備，模具選用單聯(lián)塑料模具和三聯(lián)鑄鐵模具，模具內(nèi)鋪填錫紙以便于脫模。將脫模之后的試塊放入恒溫恒濕的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)的時(shí)間為28 d，確保試塊達(dá)到一定的強(qiáng)度。為保證相似材料試件盡可能接近原煤，必須保證相似材料的部分物理性質(zhì)和原煤接近，此次實(shí)驗(yàn)試件的制取主要考慮抗拉強(qiáng)度和泊松比與原煤達(dá)到相似。因此，實(shí)驗(yàn)通過配比選用1 號(hào)試塊進(jìn)行射流沖孔正交試驗(yàn)，試塊材料配比及力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 試塊配比及力學(xué)參數(shù)Table 1 Material ratio and mechanical parameters

2 高壓氣射流沖孔實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

高壓氣射流沖孔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在原有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，加裝了圍壓加載系統(tǒng)，由于圍壓加載系統(tǒng)加載周期過長，考慮到實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，加載系統(tǒng)在此次實(shí)驗(yàn)過程中只起到固定試塊，防止沖擊過程中試塊移動(dòng)的作用。高壓氣射流沖孔實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由高壓氣射流形成與控制裝置、圍壓加載（試塊固定）裝置和噴嘴系統(tǒng)共3 部分組成。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的3 部分結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立，便于組裝和拆卸，彼此間通過高壓膠管和高壓鋼管連接。氣體在不同部分的能量形式不完全相同，常溫常壓氣體經(jīng)空氣壓縮機(jī)反復(fù)壓縮后，以靜壓能儲(chǔ)存在3 個(gè)串聯(lián)的高壓儲(chǔ)氣罐內(nèi)；在打開手動(dòng)調(diào)壓閥后，高壓氣體流經(jīng)管路和噴嘴向外噴出，靜壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能；當(dāng)射流持續(xù)沖擊作用于煤巖體壁面時(shí)，以動(dòng)靜載荷共存的形式對(duì)煤巖體壁面造成沖蝕破壞。

2.2 高壓氣射流形成和控制裝置

為驗(yàn)證高壓氣射流沖孔的能力，并進(jìn)一步分析射流沖擊后煤體破斷情況，在實(shí)驗(yàn)室中通過高壓氣射流沖孔的實(shí)驗(yàn)裝置，借助相似模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)氣射流沖孔進(jìn)行考察。

系統(tǒng)中的氣射流形成以及控制裝置是由高壓儲(chǔ)氣罐、高壓膠管、活塞式空氣壓縮機(jī)、壓力表和調(diào)壓閥組成。常溫常壓的空氣先經(jīng)空壓機(jī)反復(fù)加壓后存儲(chǔ)于3 個(gè)串聯(lián)的高壓儲(chǔ)氣罐中，通過安裝在進(jìn)氣管路上的壓力表進(jìn)行壓力的讀取和空氣壓縮機(jī)啟停的控制，當(dāng)達(dá)到指定的壓力后，通過調(diào)壓閥手動(dòng)調(diào)節(jié)到所需的氣體壓力。高壓氣射流沖孔通過瞬間釋放的高壓氣射流，在動(dòng)靜載荷共同作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖體的沖蝕破壞。

氣體若要實(shí)現(xiàn)超聲速流動(dòng)，必須借助拉瓦爾噴嘴實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中，在調(diào)壓閥出口端加裝高壓膠管和高壓鋼管，在高壓鋼管末端加工絲扣連接拉瓦爾噴嘴。噴嘴規(guī)格包括1、2、2.25、2.5、2.75、3、3.5 7 種馬赫數(shù)，噴嘴入口直徑統(tǒng)一為7 mm，后部直徑統(tǒng)一為2 mm，出口直徑各不相同，馬赫數(shù)越大，對(duì)應(yīng)噴嘴出口端截面直徑越大。

2.3 高壓氣射流正交試驗(yàn)

通過正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)選出各影響因素的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)最優(yōu)水平，之后開展最優(yōu)水平條件下的單因素變量實(shí)驗(yàn)研究。在進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，選取對(duì)應(yīng)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，借助現(xiàn)有的正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要確定考察的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，即實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用于反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果特性的指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)選取沖蝕坑深度、沖蝕坑直徑、沖蝕損失質(zhì)量作為考察沖孔破壞效果的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。其次是影響實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的因素，即實(shí)驗(yàn)過程中可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響的自變量，綜合前面章節(jié)的分析，選用射流壓力、沖擊靶距、噴嘴規(guī)格作為實(shí)驗(yàn)因素。依據(jù)氣射流破煤巖判識(shí)準(zhǔn)則，選取射流壓力與沖擊靶距的參數(shù)變量選擇范圍，為保證結(jié)果準(zhǔn)確可信，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程不過分繁瑣，實(shí)驗(yàn)各因素考慮3 個(gè)水平。最后還需考慮各因素間可能存在的交互作用的影響，根據(jù)需求選擇合適的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)因素水平見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 2 Experimental factor level table

極差分析法又叫做直觀分析法，可以對(duì)各種因素主次的順序進(jìn)行直觀明了的判斷，進(jìn)行極差分析的時(shí)候，需要先明確幾個(gè)指標(biāo)的數(shù)值，包括Kjm、kjm和Rj。其中：Kjm為正交表中第j列因素和第m水平所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之和；kjm為Kjm的均值，正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以通過Kjm、kjm的大小來選取在正交表中第j列因素的最優(yōu)水平和實(shí)驗(yàn)范圍之內(nèi)各因素的最優(yōu)水平的組合；Rj為第j列因素的極差。

Rj值可通過式（1）求得。

Rj為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)伴隨著正交表中第j列因素水平變動(dòng)而產(chǎn)生的幅度大小，Rj的數(shù)值越大，表示其對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響就越大，也就越重要。通過對(duì)Rj值大小的比較，可得出不同因素對(duì)結(jié)果指標(biāo)影響的主次順序。實(shí)驗(yàn)選用配比號(hào)為1#試塊進(jìn)行射流沖孔正交試驗(yàn)，將正交試驗(yàn)的結(jié)果以及極差分析統(tǒng)一進(jìn)行匯總，實(shí)驗(yàn)因素及結(jié)果指標(biāo)見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)因素及結(jié)果指標(biāo)Table 3 Experimental factors and outcome indicators

為更直觀的體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)因素及因素對(duì)應(yīng)水平對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)的影響，借助數(shù)據(jù)分析軟件Origin 繪制主效應(yīng)圖。主效應(yīng)圖是以實(shí)驗(yàn)因素及對(duì)應(yīng)水平為橫坐標(biāo)，以kjm為縱坐標(biāo)，主效應(yīng)圖曲線的波動(dòng)代表實(shí)驗(yàn)因素對(duì)射流沖蝕效果影響的大小，曲線的增減趨勢一定程度上也反映實(shí)驗(yàn)因素及水平對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)的影響趨勢。沖蝕坑深度的主效應(yīng)圖如圖1，沖蝕坑直徑的主效應(yīng)圖如圖2，沖蝕損失質(zhì)量的主效應(yīng)圖如圖3。

圖1 沖蝕坑深度的主效應(yīng)圖Fig.1 The main effect diagrams of erosion pit depth

圖2 沖蝕坑直徑的主效應(yīng)圖Fig.2 Main effect diagrams of erosion pit diameter

圖3 沖蝕損失質(zhì)量的主效應(yīng)圖Fig.3 Main effect diagrams of erosion loss mass

由表3 和圖1 可知，3 個(gè)實(shí)驗(yàn)因素中對(duì)沖蝕坑深度這個(gè)指標(biāo)的影響，射流壓力影響最大，沖擊靶距次之，噴嘴規(guī)格影響最小；射流壓力的最優(yōu)水平對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值高于沖擊靶距和噴嘴規(guī)格最優(yōu)水平對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值，即針對(duì)沖蝕坑深度指標(biāo)而言，同等沖擊靶距和噴嘴規(guī)格條件下，射流壓力越大，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)值越大，沖蝕坑越深。

由表3 和圖2 可知，實(shí)驗(yàn)因素對(duì)沖蝕坑直徑指標(biāo)的影響規(guī)律為：射流壓力影響最大，沖擊靶距次之，噴嘴規(guī)格影響最小，噴嘴規(guī)格和沖擊靶距對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)的影響差別不大。

由表3 和圖3 可知，實(shí)驗(yàn)因素對(duì)沖蝕損失質(zhì)量指標(biāo)的影響規(guī)律為：射流壓力影響最大，噴嘴規(guī)格次之，沖擊靶距影響最小。噴嘴規(guī)格和沖擊靶距兩者最優(yōu)水平對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)值差距很小，即兩者對(duì)實(shí)驗(yàn)沖蝕損失質(zhì)量的影響差距不大，且均小于射流壓力對(duì)應(yīng)最優(yōu)水平對(duì)指標(biāo)值的影響。

射流沖擊沖蝕坑深度指標(biāo)均值隨射流壓力的增加而增大，射流壓力達(dá)到12 MPa 時(shí)，沖蝕坑深度指標(biāo)均值達(dá)到最大值。進(jìn)一步觀察可發(fā)現(xiàn)，隨著射流壓力的增加，沖蝕坑深度指標(biāo)增長的趨勢有所減緩，這是由于氣體壓力增加時(shí)，氣流在噴嘴中的流動(dòng)產(chǎn)生波動(dòng)效應(yīng)，一定程度上對(duì)射流能量造成衰減。此時(shí)射流壓力的最優(yōu)水平為12 MPa。

射流沖孔沖蝕坑深度指標(biāo)均值隨著沖擊靶距的增加逐漸減小，沖擊靶距為30 mm 時(shí)，射流沖孔沖蝕坑深度指標(biāo)值達(dá)到最大值。當(dāng)沖擊靶距不斷增加時(shí)，射流自噴嘴向試塊沖擊的行程加大，高壓氣體和空氣介質(zhì)間的能量交換加劇，射流能量不斷降低，體現(xiàn)在射流對(duì)試塊沖蝕破壞指標(biāo)沖蝕坑深度的減小。此時(shí)沖擊靶距的最優(yōu)水平為30 mm。

射流沖孔沖蝕坑深度指標(biāo)均值隨著噴嘴規(guī)格即噴嘴出口直徑的增加呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，當(dāng)噴嘴出口馬赫數(shù)為3.5 時(shí)，沖蝕實(shí)驗(yàn)指標(biāo)沖蝕坑深度均值達(dá)到最大值。需要注意的是，隨著噴嘴規(guī)格即噴嘴出口直徑的增加，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)增加的趨勢減緩，可通過噴嘴規(guī)格和射流壓力間的最優(yōu)匹配關(guān)系得到解釋，并不是噴嘴規(guī)格即噴嘴出口直徑越大，沖蝕效果越明顯，這一現(xiàn)象和水射流沖孔存在差別。此時(shí)噴嘴出口馬赫數(shù)最優(yōu)水平為3.5。

結(jié)合表3 和圖1～圖3，將極差分析中各Rj值從大到小依次排列，得出影響實(shí)驗(yàn)指標(biāo)因素的主次順序，同時(shí)選擇各列因素所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)水平，最終確定最優(yōu)的組合。實(shí)驗(yàn)因素及水平最優(yōu)組合見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)因素及水平最優(yōu)組合Table 4 Experimental factors and horizontal optimal combination

由表4 可知，對(duì)射流沖蝕實(shí)驗(yàn)沖蝕坑深度而言，射流壓力的影響最大，沖擊靶距次之，噴嘴規(guī)格的影響最小?？紤]到射流沖孔卸壓增透技術(shù)中，沖蝕孔洞的深度即射流影響半徑和沖蝕暴露自由空間大小是影響增透的關(guān)鍵因素，故而確定實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)射流關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)水平組合為：射流壓力12 MPa，沖擊靶距30 mm，噴嘴出口馬赫數(shù)為3.5。

3 射流參數(shù)對(duì)沖孔影響規(guī)律

以正交分析為基礎(chǔ)，分析對(duì)影響實(shí)驗(yàn)指標(biāo)因素的主次順序，得到了實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)射流參數(shù)的最優(yōu)水平組合。但考慮到正交試驗(yàn)次數(shù)相對(duì)較少，可能存在實(shí)驗(yàn)誤差等情況，因此將結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)，開展射流關(guān)鍵參數(shù)對(duì)射流沖孔破煤影響規(guī)律的分析，即通過控制變量法，進(jìn)行單因素變量的實(shí)驗(yàn)分析。

用1#試塊在相同沖擊靶距（30 mm），相同噴嘴規(guī)格（3.5 出口馬赫數(shù)），不同射流壓力下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行6 組，射流壓力分別為2、4、6、8、10、12 MPa，同時(shí)以沖蝕坑深度、直徑和沖蝕損失質(zhì)量為量化指標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，射流壓力和沖蝕坑特性擬合曲線如圖4。

圖4 射流壓力和沖蝕坑特性擬合曲線Fig.4 Fitting curves of jet pressure and erosion pit characteristics

由圖4 可以看出：在保持其他變量不變的情況下，隨著射流壓力的提高，沖蝕坑深度呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。對(duì)射流沖孔沖蝕坑深度和射流壓力間數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到兩者間近似符合指數(shù)函數(shù)的關(guān)系，即沖蝕坑深度增加率不斷上升；在射流壓力達(dá)到12 MPa 時(shí)，試塊被貫穿，試塊尺寸即為沖蝕坑深度值。進(jìn)一步對(duì)射流壓力和沖蝕坑直徑間關(guān)系進(jìn)行擬合，觀察發(fā)現(xiàn)沖蝕坑直徑隨著射流壓力的提高呈現(xiàn)正比例增加的趨勢。射流沖孔沖蝕損失質(zhì)量和沖蝕坑形態(tài)密切相關(guān)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理后，可以看出隨著射流壓力的提升，射流沖孔沖蝕剝離的區(qū)域不斷增加，沖蝕損失的質(zhì)量增加率不斷上升；當(dāng)壓力達(dá)到10 MPa 時(shí)，沖蝕剝離范圍明顯增加，試塊發(fā)生破裂，直至壓力上升至12 MPa 時(shí)，出現(xiàn)如圖4 的沖蝕結(jié)果。從射流動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，當(dāng)射流壓力提升時(shí)，射流集束性加強(qiáng)，射流斷面減小、能量增加，射流軸向沖蝕破壞效果明顯，體現(xiàn)在沖蝕坑深度的增長幅度變大；射流徑向剪切拉伸作用也增加，但幅度不大，體現(xiàn)在沖蝕坑直徑的增長率較為平緩；在射流軸向和徑向雙重維度的作用下，射流沖孔呈現(xiàn)整體不斷增加的趨勢，反映到實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)上即為沖蝕損失質(zhì)量的不斷增加。

用1#試塊在相同射流壓力（4 MPa）、相同噴嘴規(guī)格（3.5 出口馬赫數(shù)），不同沖擊靶距（10～70 mm）下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射流壓力過高時(shí)，試塊受沖蝕破壞嚴(yán)重，沖蝕坑形態(tài)難以量化考慮，因此本次實(shí)驗(yàn)選定的射流壓力為4 MPa。實(shí)驗(yàn)考察的沖擊靶距選值為10～70 mm，同時(shí)以沖蝕坑深度、直徑和沖蝕損失質(zhì)量為量化指標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，沖擊靶距和沖蝕坑特性擬合曲線如圖5。

圖5 沖擊靶距和沖蝕坑特性擬合曲線Fig.5 Fit curves of impact target distance and characteristics of erosion pit

從圖5 可以看出：沖蝕坑深度在沖擊靶距為30 mm 時(shí)達(dá)到最大值，沖蝕坑深度總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得出，當(dāng)沖擊靶距在一定范圍內(nèi)不斷增加時(shí)，沖蝕坑深度趨于穩(wěn)定值；當(dāng)超過這一范圍后，射流能量不足以對(duì)試塊造成破壞。在對(duì)沖蝕坑直徑進(jìn)行擬合處理時(shí)，當(dāng)沖擊靶距取10 mm，試塊被剝離范圍較大，為使擬合曲線更符合射流沖蝕特性規(guī)律，將該組數(shù)據(jù)剔除并取靶距20 mm 的沖蝕坑直徑作為起始點(diǎn)。依據(jù)擬合曲線可以得出：沖蝕坑直徑在沖擊靶距為30 mm 時(shí)可以得到最大值，并且伴隨靶距的增加，沖蝕坑直徑逐漸減小，直至由于射流能量衰減至不足以對(duì)試塊造成破壞；沖蝕損失質(zhì)量總體呈現(xiàn)隨沖擊靶距增加先增加后減小的趨勢，同樣的，沖蝕損失質(zhì)量最終也會(huì)隨著沖擊靶距的增加直至為0。依據(jù)射流力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識(shí)，高壓氣體自噴嘴向外噴出后，一定范圍內(nèi)存在能量近似保持不變射流核心區(qū)，之后由于和空氣介質(zhì)間發(fā)生物質(zhì)和能量的交換，射流能量逐漸衰竭，體現(xiàn)在沖蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果上為沖蝕坑深度、直徑和沖蝕損失質(zhì)量的先增加后減小，最終為0。

參照正交試驗(yàn)分析結(jié)果，噴嘴規(guī)格是對(duì)射流破煤實(shí)驗(yàn)影響最小的實(shí)驗(yàn)因素，但需要注意到的是，它與沖擊靶距對(duì)實(shí)驗(yàn)影響大小差距不大。在考慮噴嘴規(guī)格對(duì)射流破煤的影響規(guī)律時(shí)，保持射流壓力8 MPa、沖擊靶距30 mm 不變，噴嘴出口馬赫數(shù)取2、2.25、2.5、2.75、3、3.5，共進(jìn)行6組實(shí)驗(yàn)，同時(shí)以沖蝕坑深度、直徑和沖蝕損失質(zhì)量為量化指標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，噴嘴規(guī)格和沖蝕坑特性擬合曲線如圖6。

圖6 噴嘴規(guī)格和沖蝕坑特性擬合曲線Fig.6 Fitting curves of nozzle specification and erosion pit characteristics

由圖6 可知：沖蝕坑深度隨著噴嘴出口馬赫數(shù)的增加，在噴嘴出口馬赫數(shù)取3 之前近似成線性增長；當(dāng)噴嘴出口馬赫數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，沖蝕坑深度值開始減??；在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，沖蝕坑深度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)噴嘴出口馬赫數(shù)在3～3.5 之間；沖蝕坑直徑隨著噴嘴出口馬赫數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，噴嘴出口馬赫數(shù)取2.75 時(shí)，沖蝕坑直徑達(dá)到最大值。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)值可以看出，沖蝕坑直徑的差值不大，最大值與最小值之間僅差4 mm。綜合沖蝕坑深度和直徑的變化規(guī)律、沖蝕損失質(zhì)量的擬合曲線可以看出，當(dāng)噴嘴出口馬赫數(shù)增加至某一數(shù)值后，沖蝕損失質(zhì)量近似保持恒定。從空氣動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，超聲速氣流在加速時(shí)會(huì)產(chǎn)生膨脹波，減速時(shí)出現(xiàn)激波，當(dāng)高壓氣體流經(jīng)不同規(guī)格的噴嘴時(shí)，會(huì)受到不同程度的波動(dòng)影響，出現(xiàn)幾種不同的狀態(tài)，如完全膨脹狀態(tài)和未完全膨脹狀態(tài)，這在一定程度上會(huì)影響射流的動(dòng)能，進(jìn)而影響沖蝕破碎效果。

4 結(jié) 語

1）以L9（34）正交表為依據(jù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，采用極差分析法和借助Origin 軟件繪制主效應(yīng)圖對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)進(jìn)行分析。對(duì)沖蝕坑深度指標(biāo)均值而言，影響因素的顯著性排序?yàn)椋荷淞鲏毫?沖擊靶距>噴嘴出口馬赫數(shù)，對(duì)應(yīng)的優(yōu)水平組合為射流壓力12 MPa、沖擊靶距30 mm、噴嘴出口馬赫數(shù)3.5；對(duì)沖蝕坑直徑指標(biāo)均值而言，影響因素的顯著性排序?yàn)椋荷淞鲏毫?沖擊靶距>噴嘴出口馬赫數(shù)，對(duì)應(yīng)的優(yōu)水平組合為射流壓力12 MPa、沖擊靶距50 mm、噴嘴出口馬赫數(shù)2.75；對(duì)沖蝕損失質(zhì)量指標(biāo)均值而言，影響因素的顯著性排序?yàn)椋荷淞鲏毫?噴嘴出口馬赫數(shù)>沖擊靶距，對(duì)應(yīng)的優(yōu)水平組合為射流壓力12 MPa、噴嘴出口馬赫數(shù)3.5、沖擊靶距30 mm?？紤]到射流沖蝕孔洞深度和沖蝕暴露自由空間大小是影響增透的關(guān)鍵因素，最終確定實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)射流關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)水平組合為：射流壓力12 MPa、沖擊靶距30 mm、噴嘴出口馬赫數(shù)為3.5。

2）在正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)射流關(guān)鍵參數(shù)最優(yōu)水平組合的基礎(chǔ)上，開展射流關(guān)鍵參數(shù)對(duì)沖孔破煤影響規(guī)律分析研究。隨著射流壓力的增加，沖蝕坑深度、直徑和沖蝕損失質(zhì)量均不斷增加，當(dāng)射流壓力達(dá)到10 MPa 及以上時(shí)，相似材料試塊發(fā)生破碎。高壓氣射流沖孔破煤存在最優(yōu)的沖擊靶距，當(dāng)沖孔距離大于臨界靶距時(shí)，沖蝕坑直徑、深度和沖蝕損失質(zhì)量均不斷減小。

3）在保持其余2 個(gè)射流參數(shù)不變的情況下，沖蝕實(shí)驗(yàn)效果指標(biāo)與射流壓力間成正相關(guān)關(guān)系；射流沖蝕效果指標(biāo)隨著沖擊靶距的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；噴嘴出口馬赫數(shù)是實(shí)驗(yàn)選定范圍內(nèi)對(duì)結(jié)果指標(biāo)影響最小的因素。

4）相似材料試件沒有原煤發(fā)育的層理和節(jié)理結(jié)構(gòu)，無法完全代替原煤，且實(shí)驗(yàn)室條件無法模擬井下煤體實(shí)際的應(yīng)力場和裂隙滲流場，有待后續(xù)研究。