(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(dú)特優(yōu)勢(shì)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(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)接觸模擬高壓水射流對(duì)巖石沖擊作用[5]。褚懷保等設(shè)計(jì)并完成了模擬煤體爆炸應(yīng)力波損傷積累實(shí)驗(yàn)，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(dòng)力學(xué)與有限元分析耦合方法對(duì)水射流破碎油頁巖的三維非線性沖擊動(dòng)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(duì)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(yàn)來充分驗(yàn)證應(yīng)力波破巖理論?；诖?，本文擬開展高壓水射流沖擊砂巖試驗(yàn)與超臨界二氧化碳(Supercritical carbon dioxide,SC-CO2)射流沖擊頁巖試驗(yàn)，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(yàn)

(一)高壓水射流沖擊砂巖試驗(yàn)

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(cè)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(yàn)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(shí)間設(shè)為15s?；谀壳皩?duì)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(yàn)射流壓力。

圖1 高壓水射流破巖試驗(yàn)裝置圖

(二)SC-CO2射流沖擊頁巖試驗(yàn)

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(cè)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(yàn)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(yàn)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(yàn)裝置圖

二、破巖試驗(yàn)結(jié)果與分析

(一)高壓水射流沖擊砂巖試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)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(yàn)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(yàn)結(jié)果

為了考慮圍壓對(duì)高壓射流破巖效果的影響，在SC-CO2射流破巖試驗(yàn)中對(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(yàn)結(jié)果討論

現(xiàn)有研究表明，高壓射流撞擊固體表面時(shí)會(huì)在接觸點(diǎn)產(chǎn)生沖擊擾動(dòng)，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?jí)杭羝茐?。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(shí)，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(huì)出現(xiàn)大量的拉伸應(yīng)力。由于本次試驗(yàn)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(shì)；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(cuò)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。