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(yáng) 457001)

水射流和機(jī)械齒聯(lián)合破巖的機(jī)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(yáng) 457001)

高壓水射流和機(jī)械齒聯(lián)合破巖的機(jī)理，既和水射流及機(jī)械齒單獨(dú)作用時(shí)各自的機(jī)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(jī)械齒配合工作可以按水射流作用點(diǎn)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(yuǎn)，結(jié)合工作距離較近。

水射流；機(jī)械齒；聯(lián)合破巖；破碎機(jī)理

高壓水射流結(jié)合機(jī)械齒工作與高壓水射流輔助機(jī)械齒工作中，射流對(duì)目標(biāo)物所施加的載荷性質(zhì)及破碎機(jī)理是不相同的。輔助工作是水射流輔助盤(pán)形滾刀破碎巖石的預(yù)截槽間滾壓破碎法。該法的基本原理是在盤(pán)形滾刀的兩側(cè)一定距離處，用連續(xù)細(xì)射流光切割出一定深度的預(yù)截槽，然后在兩個(gè)預(yù)截槽中間，用盤(pán)形滾刀的方法破碎巖石。這樣被破碎下來(lái)的巖屑中，一部分是依靠盤(pán)形滾刀滾壓破碎下來(lái)的；另一部分是依靠細(xì)射流切割出預(yù)截槽后，造成了自由面，在滾刀滾壓過(guò)程中剪切崩裂下來(lái)，無(wú)射流預(yù)槽時(shí)，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(jī)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(jī)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(kuò)展裂紋，對(duì)高應(yīng)力狀態(tài)的粉核區(qū)域進(jìn)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(shí)機(jī)有兩種：一是刀具載荷足夠，達(dá)到突進(jìn)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(jìn)破碎后的巖面卻再次產(chǎn)生破碎體。這說(shuō)明仍有一些裂紋未擴(kuò)展開(kāi)，實(shí)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(dá)到臨界尺寸，而首先擴(kuò)展開(kāi)來(lái)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(duì)高應(yīng)力狀態(tài)的粉核區(qū)域進(jìn)行水力沖蝕和對(duì)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(lái)自粉核區(qū)域。粉碎體雖然又被重新壓實(shí)成粉核體，但粉核體的組成顆粒間已無(wú)聯(lián)系，而且粉核體的密度小于巖體密度，并未因壓實(shí)而增大，因而射流很容易沖蝕粉核區(qū)域。若當(dāng)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(méi)有裂紋擴(kuò)展結(jié)果的大塊破碎，更談不上水楔作用。

當(dāng)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(xué)的觀點(diǎn)，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(kāi)力，當(dāng)它超過(guò)巖石的抗拉、抗剪強(qiáng)度極限時(shí)，裂紋便會(huì)迅速擴(kuò)展，最后導(dǎo)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(yīng)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(jī)理是射流先射入切頭前的裂紋中，然后使它們擴(kuò)展。射流最有效的打擊點(diǎn)是刀頭主刃面前最近點(diǎn)，而通常在這點(diǎn)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(jī)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(jìn)方向，直接沖射在或稍超前于截齒造成的破碎區(qū)上。試驗(yàn)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(shí)射流的主要作用是對(duì)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(duì)高應(yīng)力狀態(tài)的粉核區(qū)域進(jìn)行水力沖蝕，故推力、切割力大幅度降低。同時(shí)，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(jìn)入裂紋的水量相對(duì)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(yùn)動(dòng)方向平行于切割方向，推力方向無(wú)運(yùn)動(dòng)，故切割力減小程度相對(duì)較小。

2 射流在截齒后作用

這時(shí)射流方向?qū)Ρ庑谓佚X來(lái)說(shuō)基本上平行于其切割力方向，對(duì)鎬形截齒來(lái)說(shuō)基本上平行于其軸線方向。資料表明，當(dāng)射流從截齒后射向刃端高應(yīng)力區(qū)域時(shí)，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(duì)粉核區(qū)域沖蝕作用的擴(kuò)展裂紋的水楔作用。這時(shí)的射流幾乎正對(duì)刃端部分的裂紋。高壓水由動(dòng)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(yuǎn)小于侵入的水量，故裂紋內(nèi)水壓不斷上升。當(dāng)作用在裂紋表面的水壓力在裂紋尖端所引起的應(yīng)力集中超過(guò)巖石斷裂破壞的臨界值時(shí)，裂紋也就以穩(wěn)定或失穩(wěn)的形式擴(kuò)展，裂紋的最終失穩(wěn)擴(kuò)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(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，需要同時(shí)運(yùn)用斷裂力學(xué)、流體力學(xué)和固體力學(xué)等工具，配合試驗(yàn)進(jìn)行研究。不過(guò)有一點(diǎn)可以說(shuō)明問(wèn)題，這就是擴(kuò)展深部裂紋的阻力比擴(kuò)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(kuò)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(gè)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(wú)傾角，則射流可能打在粉核體外而成輔助工作方式。當(dāng)截齒切入巖石較深時(shí)，這傾角過(guò)大達(dá)不到結(jié)合工作目的，這時(shí)截齒破巖通常存在崩落角，側(cè)向射流傾斜角只要在這個(gè)角度，就可使射流達(dá)到刃端粉核區(qū)域。

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