高壓水射破巖石的原高壓水射是近30發(fā)展起的割、破巖、清洗、除垢（銹）新技術(shù)，正越來越廣泛地應(yīng)用于煤炭、石油、化工、機(jī)械、建筑、交通、航空和軍工等部門［1］。隨著設(shè)備研制水平的提高，射技術(shù)逐漸由高壓向超高壓方向發(fā)展，超高壓水射［2］，其應(yīng)技術(shù)已成功地應(yīng)用于唇、巖石與復(fù)合材的密割、破碎和加工用領(lǐng)域斷擴(kuò)大，應(yīng)用前景十分廣闊。但目前人們對(duì)水射沖擊破巖機(jī)的認(rèn)識(shí)仍然夠深入，造成這種局面的主要原因是水射本身的復(fù)雜性，破巖過程短暫且變化多端，再加上巖石材的透明性差，研究人員很難觀察和捕捉到水射沖擊巖石時(shí)巖石內(nèi)部應(yīng)應(yīng)變及其他相關(guān)信號(hào)。對(duì)水射作用下巖石產(chǎn)生的破壞主［2］，其應(yīng)過程仍存在廣泛的爭(zhēng)論［3-5］。水射破巖機(jī)的研究現(xiàn)狀與存在問題包括:①水射破巖機(jī)的研究，難點(diǎn)在于水射加載特性和巖石破碎機(jī)兩方面；②水射破巖機(jī)的研究現(xiàn)狀與存在問題包括:①水射破巖機(jī)的研究，難點(diǎn)在于水射加載特性和巖石破碎機(jī)兩方面；②論研究與試驗(yàn)研究手段存在局限，對(duì)水射作用下巖石破壞機(jī)的觀點(diǎn)多，還沒有形成統(tǒng)一學(xué)說；③水射的加載特性和巖石的破壞形式存在廣泛爭(zhēng)論；④射沖擊下巖石的破碎主要與應(yīng)狀態(tài)和材強(qiáng)有關(guān)，沖擊中水射產(chǎn)生的應(yīng)分布對(duì)確定破碎機(jī)十分重要；狀態(tài)和材強(qiáng)有關(guān)，沖擊中水射產(chǎn)生的應(yīng)分布對(duì)確定破碎機(jī)十分重要；⑤數(shù)值方法對(duì)射的指述較為簡(jiǎn)化，導(dǎo)致射沖擊載荷與巖石內(nèi)部應(yīng)分布計(jì)算存在誤差；⑥水射沖擊下體與巖石介質(zhì)的禍合作用分析夠。2水射破巖研究進(jìn)展2.1淹沒射的論研究具有一定尺寸的液體受固體邊界的限制在相同或同的介質(zhì)中動(dòng)稱為射。當(dāng)射射入密較射本身密小的介質(zhì)中稱為非淹沒射； 當(dāng)射射入密較大身密大或相等的介質(zhì)中稱為淹沒射。淹沒射依其射入邊界條件，又可分為自由射及非自由射。射的密與被射入介質(zhì)的密店拼目等，且未被固體邊界所限制（或這種限希可忽）時(shí)，這種射稱為淹沒自由射。反之，稱為淹沒非自由射。淹沒自由射的結(jié)構(gòu)見圖2-1。固體邊界對(duì)淹沒非自由射造成的影響見圖2-2。在油井內(nèi)，噴嘴射出的射通常是奪沒非自由射。圖2-1淹沒育由射的結(jié)構(gòu)

圖2-2淹沒非自由射的邊界淹沒自由射從噴嘴射入相同的介質(zhì)中，射斷地?cái)U(kuò)大，當(dāng)達(dá)到一定距離時(shí)，射就在介質(zhì)中消失。射自軸又水你的噴嘴噴出后呈錐形擴(kuò)散，錐形面也叫邊界面，它將射與介質(zhì)分開。隨著射離開噴嘴距離的增加， 射的直徑及水參數(shù)斷變化， 此變化的原因是射在介質(zhì)中受到粘滯勝和紊動(dòng)性的影響。射自噴嘴射出之后， 則在射與周圍介質(zhì)之間形成較大的速梯。 由于粘滯勝的作用，射與周圍介質(zhì)相混合，在邊界上形成漩渦，這時(shí)，射周圍的質(zhì)點(diǎn)一方面被射帶走，一方面產(chǎn)生垂直與射軸線的動(dòng)，發(fā)生紊動(dòng)，這就造成動(dòng)交換。當(dāng)這些質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入射范圍時(shí)就把自-的動(dòng)傳遞給與射相接觸的液層。由于射邊界上質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)交換使得射質(zhì)增加，直徑變大，又由于質(zhì)點(diǎn)一方面被射帶走，一方面產(chǎn)生垂直與射軸線的動(dòng)，發(fā)生紊動(dòng)，這就造成動(dòng)交換。當(dāng)這些質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入射范圍時(shí)就把自-的動(dòng)傳遞給與射相接觸的液層。由于射邊界上質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)交換使得射質(zhì)增加，直徑變大，又由于能消耗而使速逐漸低。然而射中心的速并非一離開噴嘴出口刻低。 在射邊界上速為，而中心附近仍保持著出口的迷， 這一核心稱為等速核。隨著距離增加，等速核直徑變小0到達(dá)一定的距離處，直徑變?yōu)椋人俸讼?。存在等速核的區(qū)域稱為射的初始核，在其后的部分叫射的基本核。射初始段的長(zhǎng)取決于噴嘴的形伏， 體的性質(zhì)， 諾數(shù)及噴嘴的體壓等因素。射自噴嘴射出后八J}}分化，產(chǎn)生擴(kuò)散，擴(kuò)散角為：u/時(shí)"式斗」：口一時(shí)流擴(kuò)散角：d-B種入口直徑;瓦TT罪出曰宜總LT度嘶=度，

射的速分布可分為兩部分， 在初始段內(nèi)，等速核內(nèi)的速變。 從等速核邊界向外速很快低，至射邊界速為。在等速核內(nèi)的速為 ：E式中：『?明出口流速；M量；九一嘖嘴出口面稅?Aq.米維奇[7]借助于氣體射的實(shí)驗(yàn)確定射基本段上的軸心速沿射長(zhǎng)方向上變化的關(guān)系:“=H料式電u—射流長(zhǎng)度上軸心速度：0—射流等速核劇度系數(shù)口據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，8=6，因此初始段長(zhǎng)Lo=6do，但對(duì)于液體射，射基本段上軸心的速是按雙曲關(guān)系在長(zhǎng)方向上變化，而是按高或曲線變化的。進(jìn)一步的研究得知，在淹沒射中，t0僅與噴嘴出口直徑有關(guān)，而且與噴嘴結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于淹沒非自由射，由于邊界上回的影響，使得射邊界在捉巨噴嘴較遠(yuǎn)的地方向中心收縮，在一定的距離上，邊界收縮到一點(diǎn)，射消失，在邊界之外，為上返的回。射結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其分布規(guī)決定射中心動(dòng)壓變化的規(guī)。大實(shí)驗(yàn)研射結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其分布規(guī)決定射中心動(dòng)壓變化的規(guī)。大實(shí)驗(yàn)研究表明，同結(jié)構(gòu)噴嘴的射中心動(dòng)壓是同的，但基本規(guī)是-致的。射的體具有一定的密，射又具有一定的速， 射前進(jìn)的方向上遇有障礙物時(shí)，射就給它-個(gè)壓，這個(gè)壓就是可的動(dòng)壓，根#水學(xué)原射的體具有一定的密，射又具有一定的速， 射前進(jìn)的方向上遇有障礙物時(shí)，射就給它-個(gè)壓，這個(gè)壓就是可的動(dòng)壓，根#水學(xué)原可知，射的速越高，動(dòng)壓越大。在射的初始段，由于速變，中心動(dòng)壓也是變的，在基本段內(nèi)，由于中心的速隨著距離 L而變化，使中心的動(dòng)壓隨 L的增加而急劇陽氏，見圖2-3。其變化規(guī)可以下式：P站%荒式中，褊一射流軸線動(dòng)壓力tP廠顧瑞出口處壓力；"?壓力衰減系數(shù).AK.柯佐多依⑻通過論推導(dǎo)得出:噴嘴的幾何形伏僅影響射等速核的長(zhǎng)，也影響射中心動(dòng)壓的分布。2.2水射結(jié)杓的研究在早期的研究［8-11］中，無論是^寸空氣中的自由小射還是淹沒水射，人們把它看作是連續(xù)射。通過大的實(shí)驗(yàn)研究及論分析，人們逐漸地認(rèn)識(shí)到單純的連續(xù)水射是極

少存在的。如，K.Yanaidaw2］在1974提出的激光中研究空氣中的自由水射時(shí)，認(rèn)為水射是連續(xù)水射。在1978，他用照相方法及電子測(cè)等技術(shù)來研究射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在空氣中的自由水射有一個(gè)從連續(xù)變?yōu)檫B續(xù)的現(xiàn)象， 他提出射“破的概。隨后紹西德的F.Eramann-Jenitgerw］及中國(guó)礦院口幻等學(xué)者及科研單位的研究，發(fā)現(xiàn)空氣中的自由水射存在一個(gè)由連續(xù)的水射變成微的過程?？拷鼑娮斐隹诘牡胤剑淇梢越频恼J(rèn)為是連續(xù)的。由于水域邊界上的空氣發(fā)能交換，空氣進(jìn)入射中就逐漸地使水射斷開，形成水片，繼續(xù)與空氣混能交換，空氣進(jìn)入射中就逐漸地使水射斷開，形成水片，繼續(xù)與空氣混摻，水片變成水柱，最后變成小水滴而霧化。從形成水片開始，射就變成連續(xù)的。對(duì)淹沒射來說，F(xiàn).Eramann-Jesnitger[i3][i6]，N.C.Franz^]，J.B.Cheungim空化學(xué)者越等人證明在使用一般的錐形噴嘴形成的射中總是有空化氣泡產(chǎn)生的?？栈瘜W(xué)者越氣泡進(jìn)入射就使射變成連續(xù)的。空化氣泡進(jìn)入射， 給射的特性帶來很大的變化，因而引起很多來越多的注意，從論及試驗(yàn)中研究空化現(xiàn)象的產(chǎn)生及應(yīng)用水在常溫下是液體，當(dāng)壓強(qiáng)一定時(shí)，溫升高到沸點(diǎn)，水汽化，形成蒸氣泡。同樣，當(dāng)溫一定時(shí)，壓低到一定值，水體也會(huì)汽化，出現(xiàn)氣泡。這種因壓強(qiáng)低而發(fā)生體中液體汽化的現(xiàn)象就叫空化現(xiàn)象(Cavitation)。天然水中含有大的溶于水的直徑為10天然水中含有大的溶于水的直徑為10-3-10-4毫米的小氣泡稱為氣核?？栈瘹馀菥褪且詺夂藶榛A(chǔ)發(fā)育起來的。寸水學(xué)［18］原可如，在速增加時(shí)，壓低，在管的收縮段，速變大，壓強(qiáng)低。當(dāng)壓強(qiáng)低到低于液體的蒸汽壓時(shí)，液體就以氣核為基礎(chǔ)形成空化氣泡。由體學(xué)原知,在速分離區(qū)的漩渦中心，壓強(qiáng)較大的低。速越大，壓強(qiáng)低越大。因而產(chǎn)生空化氣泡，因此在高速水中，凡是以產(chǎn)生漩渦的地方是于產(chǎn)生空化氣泡的。在淹沒射中，由于射邊界與靜止液體之間有速梯存在，己形成漩渦，因而產(chǎn)生空化氣泡。在噴嘴內(nèi)部，也往往由于速的突然變化而使壓低，形成空化氣泡。FEradmann-Jeanitger把在射邊界上生成的空化氣泡稱為“自由空化氣泡；把在噴嘴內(nèi)部生成的空化氣泡稱為“誘導(dǎo)空化氣泡?？栈瘹馀輧H可以在淹沒射中產(chǎn)生，而且在空氣中的自由射也可以產(chǎn)生空化氣泡。E.FBeutin[19等人證明，在空氣中的自由水射僅僅在噴嘴內(nèi)部形成空化氣泡，而在射邊界上會(huì)有空化氣泡產(chǎn)生。無論是淹沒射還是非淹沒射空化氣泡的生成下時(shí)變成連續(xù)的。近來又有脈沖射出現(xiàn)。 它是人為地使射發(fā)出一定頻的脈動(dòng)， 形成一連的自由液珠，可以明顯地提高射X對(duì)固體材的破碎作用， 由于射技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn).Eramann-Jeanitger把射分或三類：連續(xù)射、沖擊射及混合射。其形狀如圖2-4。

匚二二＞身企=o圖匚二二＞身企=o圖2-4射流的分類能引起被沖擊的固體平面上有相對(duì)穩(wěn)定的壓力，載荷的射流叫連續(xù)射流。如圖2-4(a),只能近似地認(rèn)為在空氣中的自由水射流在靠近噴嘴出口附近的一小段水流是連續(xù)射流。在空氣中產(chǎn)生液珠的自由水射流以及專門用脈沖設(shè)備產(chǎn)生的脈沖射流都屬于沖擊射流。沖擊射流對(duì)固體平面所產(chǎn)生的壓力載荷是隨著時(shí)間而發(fā)生脈動(dòng)的，如圖2-4(c)。介于兩者之間的射流稱為混合射流。例如含有空化氣泡的淹沒射流［圖2-4,b(1)］，自由射流中己出現(xiàn)水片，但尚未形成液珠的部分［圖2-4,b(2)］，都是混合射流。大部分的射流都是屬于混合射流。混合射流對(duì)固體平面所產(chǎn)生的壓力載荷，既有穩(wěn)定的部分，又有波動(dòng)的部分。3高壓水射流沖積巖石介質(zhì)流固耦合機(jī)理分析3.1數(shù)值分析理論模型與計(jì)算參數(shù)運(yùn)用全解耦流固耦合理論，建立了高壓水射流沖擊破巖系統(tǒng)的數(shù)值分析理論模型，水射流采用標(biāo)準(zhǔn)k-雙方程模型和控制體積法，巖石采用各向同性彈性意圖3-1建計(jì)算的模型，計(jì)算巖石在水射速為447.2m/s,547.7m/s意圖3-1建計(jì)算的模型，計(jì)算巖石在水射速為447.2m/s,547.7m/s和介質(zhì)和有限元法，給出水射與巖石禍臺(tái)的數(shù)值算法［20］。按水射沖擊破巖示研究奠定基礎(chǔ)研究奠定基礎(chǔ)。研究奠定基礎(chǔ)研究奠定基礎(chǔ)。632.5m/s沖擊下場(chǎng)規(guī)和巖石內(nèi)部的應(yīng)分布，為超高壓水射破巖機(jī)的圖3-1米射沖積成巖元意圖數(shù)值計(jì)算基本計(jì)算參數(shù)為：噴嘴直徑d=2.2mm，水射驅(qū)動(dòng)壓分別為100MPa、150MPa和200MPa，按Bernoulli方程，其對(duì)應(yīng)的噴嘴出口速取v=447.2m/s、547.7m/s、632.5m/s，噴距（噴嘴出口到?jīng)_擊面距離））h=20?100mm，水的密p=1000kg/m3，粘以「0.001Pa?s，巖石介質(zhì)彈性模E=90GPa，泊松比v=0.25。3.2米射沖積作用下巖石介質(zhì)應(yīng)分布覬在水射沖擊的作用下，巖石介質(zhì)的應(yīng)分布規(guī)主要可歸納為如下兒方面。（1）沖擊壓分布。圖3-2給出同噴距下沖擊面上壓分布現(xiàn)。 可以看出，最大沖擊壓位于沖擊中心，隨徑向距離增加沖擊壓迅速衰減，有效沖擊范圍隨噴距的增加而有增加。圖3-3為同噴距下軸心沖擊壓的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比［21］?？梢钥闯觯瑑烧呋疚呛?，數(shù)值計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的值偏大，主要原因有兩個(gè)：一是試驗(yàn)中的小孔法測(cè)本身存在的試驗(yàn)誤差，由其試驗(yàn)原可知，小孔測(cè)壓中心很難與噴嘴軸線對(duì)中，而且沖擊壓徑向衰減曲線陡峭，所測(cè)壓也只是沖擊區(qū)平均值，測(cè)值顯然比實(shí)際小；另外一個(gè)原因是

k-雙方程數(shù)值模型在預(yù)測(cè)高速水射流也存在計(jì)算誤差。但從總體」說，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明數(shù)值計(jì)算是可行的。更3芷更3芷yH啟*!圖3-2不同噴距下沖擊面上徑向壓力分布規(guī)律(v=632.5m/s) 礎(chǔ)“門蛔 礎(chǔ)“門蛔II■弄沛flij-■-v-AKAe姐14髓站果I一p-U?,1e妞1|■耳始鼎I-*-I-+47.2H^atJtWSl圖3-3不同速度不同噴距下軸心沖擊壓力^一尹i-童％捂#(2)最大和最小主應(yīng)力分布。圖3-4給出了射流速度為v=632.5m/s巖石介質(zhì)內(nèi)部最大主應(yīng)力分布。可以看出，在射流沖擊區(qū)，巖石介質(zhì)處于受壓狀態(tài)(壓力值為負(fù))，在沖擊中心，壓應(yīng)力值最大，隨徑向距離的增加，應(yīng)力值迅速下降，并逐漸轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力位于沖擊表面邊緣某個(gè)位置。最大拉應(yīng)力位置離沖擊中心的徑向距離與噴距呈線性關(guān)系(圖3-5)。對(duì)于像巖石類的脆性材料，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，在水射流作用下，介質(zhì)表面存在拉仲破壞，拉仲裂紋在水射流沖擊邊緣開始產(chǎn)生，許多試驗(yàn)所觀察到的現(xiàn)象是-致的。圖3-4固體介質(zhì)內(nèi)部最大主應(yīng)力分布(MPa)(v=632.5m/s，h=20mm)20 40停㈱20 40停㈱IM120圖3-5最大控應(yīng)位置隨噴距的變化關(guān)系(v=632.5m/s)(3)最大應(yīng)分布。圖3-6為射v=632.5m/s,h=20mm時(shí)最大應(yīng)分布現(xiàn)。同樣可以看出，應(yīng)在徑向方向陡距離的增加而斷減小， 應(yīng)是由介質(zhì)內(nèi)部向表面擴(kuò)展。圖3-7給出同速下巖石介質(zhì)對(duì)稱軸線上的最大應(yīng)分布，可以看出，最大應(yīng)并在介質(zhì)表面，而是在表面沖擊中心下部約0.5倍噴嘴直徑。如果以抗剪強(qiáng)來表征介質(zhì)的破壞，那么介質(zhì)剪破壞將從內(nèi)部開始，形成剪紋，紋進(jìn)一步向沖擊接觸面擴(kuò)展，使碎塊脫離介質(zhì)基體。八扉林旅中八扉林旅中圖3-6巖石介質(zhì)內(nèi)部最大應(yīng)分布( MPa)(v=632.5m/s，h=20mm)_r墾E+t?_r墾E+t?圖3-7巖石介節(jié)對(duì)稱軸劣上的最大應(yīng)分布( h=20mm)4水射沖蝕巖石的影響因素高壓淹沒射沖蝕巖石等脆性材， 其破壞機(jī)是十分復(fù)雜的，影響其破巖效果的因素也很多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者看法拐嬌目同。盡管近幾夾大學(xué)者在這方面做許多研究工作，普遍認(rèn)為射壓、噴嘴直徑、噴射距離、噴射角、噴嘴移動(dòng)速等幾方面影響比較大。射引起巖石的破壞主要是通過水楔作用，當(dāng)水楔形成的應(yīng)與剪應(yīng)超過巖石的抗和抗剪的極限強(qiáng)時(shí)就會(huì)在巖石中形成隙。 隙初步形成和匯交后，水射將進(jìn)入隙的空間，在隙尖端產(chǎn)生應(yīng)集中，使隙迅速發(fā)展和擴(kuò)大致使巖石破形成圓柱狀沖擊坑或斗坑。另外，F(xiàn)oreman和Secor提出，水射沖擊下巖石被破壞是由于：在巖石介質(zhì)中引起應(yīng)波和持續(xù)的水射沖擊應(yīng)場(chǎng)；水對(duì)孔隙和隙的入引起與應(yīng)的應(yīng)場(chǎng)相伴的內(nèi)應(yīng)。 總的說來，射壓是影響破巖效果的一個(gè)相當(dāng)重要的因素。噴嘴直徑也是影口向破巖效果的又一重要因素，如果噴嘴直徑過大勢(shì)必影響射壓的提高， 過小則能有效地清潔井底，能產(chǎn)生足夠大的水功， 這能有效提高破巖效，所以適當(dāng)?shù)膰娮熘睆降倪x取在石油鉆井中顯得尤為重要。噴射距離是破巖的一個(gè)至關(guān)重要的因素，加拿大N.C.Franz及M.M.Vijay提出用淹沒射沖蝕固體時(shí)有一個(gè)“最優(yōu)距離，在這個(gè)“最有距離上，沖蝕體積達(dá)到最大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是與淹沒射中產(chǎn)生的空化現(xiàn)象有關(guān)。在淹沒射中，錐形噴嘴在局部低壓區(qū)產(chǎn)生空化氣泡，當(dāng)空化氣泡移動(dòng)到某個(gè)高壓區(qū)，空化氣泡就會(huì)爆破，如果在固體邊界附近有.空化氣泡爆破時(shí)，高壓沖擊波斷的傳遞到固體界面上，造感職寸材的破壞，這種現(xiàn)象叫空在現(xiàn)象。如果沒有合適的噴距，即使壓超過巖石的門限壓， 也無助于破巖效

的提高。在淹沒狀態(tài)下射的等速核要比在空氣中短得多， 所以刻門盡要使射噴距在等速核以內(nèi)，這樣才能發(fā)揮水射的破巖作用，提高破巖效，但是這面還存在是說只要保證噴距在射等速核以內(nèi)就可達(dá)到最優(yōu)的破巖效，一個(gè)最優(yōu)噴距的問題。這面還存在另外噴射角也是一個(gè)影響破巖很重要的因素，國(guó)內(nèi)外少學(xué)者就這一問題作許多研究工作，普遍認(rèn)為在100左右最優(yōu)。一些割實(shí)驗(yàn)表明，水射垂直沖擊物件時(shí)(0 )，割深較大，隨著噴射角的加大，割深逐漸減小，他們認(rèn)為這是由于過大的噴射角加劇射的反射作用， 從而低射的沖蝕能。 同時(shí)還應(yīng)指出的是，噴射角還與噴嘴移動(dòng)方向有關(guān)，這是由于割過后的水射攜帶屑以一定的速?zèng)_制被割材，從而使割深進(jìn)一步增加。同時(shí)，當(dāng)水射的噴射角偏向噴嘴移動(dòng)方向時(shí)，延長(zhǎng)高速射與被害吻體的接觸時(shí)間，從而使害深超過垂直噴射時(shí)的深。日松木浩二的試驗(yàn)表明，射噴射角向噴嘴移動(dòng)方向傾斜 100左右時(shí)，其害蛛較會(huì)直射是提高20%，反之，射噴射角與噴嘴移動(dòng)方向相反時(shí)，由于射與被判物體的接觸時(shí)間大大減少，其割深明顯如垂直噴射時(shí)深。在其它條件變的情況下，圖 4-1為前人所作的一組噴嘴方位角與射清洗效果試驗(yàn)結(jié)果圖。圖4-1圖4-1噴嘴方位角和噴嘴傾角對(duì)村清洗影響5高壓水射破巖論盡管水射破巖技術(shù)已廣泛應(yīng)用于礦山開采、石油鉆探和巷道挖掘、巖石割等有關(guān)工程領(lǐng)域，但是，人們對(duì)水射作用下巖石的破碎機(jī)的認(rèn)識(shí)依然是眾說紛紜、莫衷一是，還沒有形成一種較為統(tǒng)一的學(xué)說，其中最主要的原因是水射破巖過程的復(fù)雜性，因?yàn)樗诙虝旱倪^程中涉及到體、固體和目藕臺(tái)等眾多學(xué)科。5.1準(zhǔn)靜態(tài)彈性破碎論該論將有戶對(duì)巖石的沖擊看作準(zhǔn)靜態(tài)的集中， 大小等于射滯止壓，作用于半無限彈性體上，以彈性強(qiáng)論為基礎(chǔ)，將巖石的抗壓、抗、抗剪強(qiáng)作為巖石破碎的判據(jù)，當(dāng)射液沖擊在巖石上產(chǎn)生的應(yīng)超過巖石的強(qiáng)時(shí)，巖石發(fā)生破壞。靜態(tài)彈性破碎論認(rèn)為，巖石在射的沖擊作用下，其內(nèi)部的應(yīng)分布情況與半空間彈性體在集中載荷作用下的應(yīng)分布相似，在沖擊區(qū)正下方某一深處將產(chǎn)生最大剪應(yīng)，沖擊接觸區(qū)邊界周圍產(chǎn)生應(yīng)，由于巖石抗、抗剪強(qiáng)遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)，雖然沖擊產(chǎn)生的壓應(yīng)達(dá)到巖石抗壓強(qiáng)， 而應(yīng)和剪應(yīng)卻分別超過巖石的抗和抗剪的極限強(qiáng)，導(dǎo)致巖石破壞。較有代表性的論有密實(shí)核一劈破巖論， 即運(yùn)用赫茲接觸論將水射破巖過程簡(jiǎn)化為具有一定速的剛體壓入巖石半無限件，當(dāng)最大剪應(yīng)和應(yīng)超過巖石的抗、抗剪強(qiáng)時(shí)，出現(xiàn)紋并擴(kuò)展到?jīng)_擊接觸面，形成由巖粉組成的密實(shí)核，在水射與未破壞的巖石之間起“巖墊作用。當(dāng)射繼續(xù)沖擊它時(shí)，密實(shí)核的體積縮小，密增大而儲(chǔ)能，形狀變成橢球體，當(dāng)密實(shí)核儲(chǔ)蓄的能達(dá)到一定程時(shí)，它將開始膨脹而釋放能，使它周圍的巖石產(chǎn)生向應(yīng)，應(yīng)超過巖石的抗強(qiáng)時(shí)， 巖石壁上將出現(xiàn)徑向隙，由于密實(shí)核處于高壓狀態(tài)，核中的巖粉以粉形式鍥入徑向隙， 并在靠近阻較小的自由面方向劈開巖石，從而完成脆性巖石的躍進(jìn)式破碎（體積破碎）。準(zhǔn)靜態(tài)破巖論能解釋一些水射破巖石機(jī)，特別是對(duì)于連續(xù)射破巖中門限壓的存在。過門限壓總和巖石的強(qiáng)存在關(guān)系， 而且很多試驗(yàn)現(xiàn)象與準(zhǔn)靜態(tài)論存在很大差異，如脈沖、間斷和超音速等射沖擊引起大塊巖石的破碎，空氣和淹沒條件下射破巖存在最優(yōu)噴距、水錘效應(yīng)等，準(zhǔn)靜態(tài)破巖論顯然存在局限性。5.2應(yīng)波破碎論與準(zhǔn)靜態(tài)破巖石論同， 應(yīng)波破碎論認(rèn)為， 水射沖擊的沖擊載荷是動(dòng)載，在巖石中產(chǎn)生應(yīng)波，應(yīng)波的作用是造成巖石破壞的主要原因。應(yīng)波破碎論最早用來解釋高速液滴、 脈沖射等引起的破巖現(xiàn)象。 很多學(xué)者對(duì)液滴和脈沖射引起的壓分布作過深入研究，如 ：YenCHuang和FGHarrmitt等用非定常論建二維液滴沖擊固定的剛性平板時(shí)，液滴的形態(tài)變化及其內(nèi)部瞬態(tài)壓分布和速分布。FJHeymann建水錘壓計(jì)算式并得到廣泛應(yīng)用，他認(rèn)為沖擊波的速對(duì)射的沖擊壓影響很大。 FPBowderg，JFField，S-WKang等也對(duì)超音速射沖擊下物體的變形與破壞、應(yīng)波的作用等進(jìn)過大研究， 得出很多有用的結(jié)論。應(yīng)波破碎論的基本觀點(diǎn)是在高壓水射作用下，被沖擊區(qū)在強(qiáng)大壓縮波的作用下處于絕對(duì)受壓狀態(tài)，直到液滴向外作徑向動(dòng)，作用在固液表面的壓才由水錘壓至滯止壓，由于壓急劇下，壓縮波被反射后形成強(qiáng)大的徑向， 當(dāng)值超過巖石的破強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生紋。應(yīng)波論對(duì)解釋超高速（音速 ）射的破巖機(jī)是合適的，它解釋許多靜態(tài)論無法解釋的現(xiàn)象。但由于水射沖擊產(chǎn)生的應(yīng)波作用范圍與固體撞擊或爆炸沖擊產(chǎn)生的應(yīng)波存在差異，對(duì)于水射沖擊下應(yīng)波產(chǎn)生的條件、在巖石內(nèi)的傳播及作用范圍等的認(rèn)識(shí)還存在局限。另外，對(duì)于中低速射特別是淹沒射作用下巖石中是否有應(yīng)波存在及應(yīng)波對(duì)巖石破碎所起的作用的研究有待進(jìn)-步深入。5.3氣蝕（空化）破碎論所謂氣蝕就是由充滿蒸汽或空氣的負(fù)壓空穴在固體表面破而產(chǎn)生的，根#Rayleigh的論，如果氣泡的破能集中在一點(diǎn)上，它產(chǎn)生的壓非常大，可達(dá)680-6800MPa，Crow認(rèn)為氣蝕作用是造成巖石破壞的主要原因，在水射沖擊下，巖石表面受到很高的壓住用，巖石顆前后的壓同， 兩者的壓差就具備氣蝕條件。由于水射沖擊下巖石表面同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)的氣蝕破壞，所以巖石表面的顆又受到剪的作用。氣蝕破壞包括機(jī)械作用、化學(xué)作用和熱作用等，但以機(jī)械作用為主為大多數(shù)人所接受。氣蝕射所產(chǎn)生的破壞很大程上是由于液體的微射沖擊巖石表面所產(chǎn)生的，其破壞機(jī)與連續(xù)射有許多相似之處。 當(dāng)氣蝕射沖擊到物件表面，小坑邊緣四周突起，呈一環(huán)形紋，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)徑向紋和液體在巖石表面的動(dòng)。氣蝕破壞論與生氣中的一束水破壞論基本相同，只是大小同而已，氣蝕破壞是微觀的，但有效破壞大。淹沒射所產(chǎn)生的生化破壞能大大提高破巖效，這已被許多試驗(yàn)所證實(shí)。但由于生泡破的強(qiáng)大， 用實(shí)驗(yàn)手段很難測(cè)得氣蝕射x對(duì)巖石的破壞強(qiáng)， 加上淹沒條件特別是圍壓條件下生化的初生、發(fā)展與破壞還存在同的認(rèn)識(shí)，射中空泡的密難以確定，空泡的實(shí)際破壞只能作定性分析，氣蝕破巖論還沒形成論模型。5.4紋擴(kuò)展破碎論紋擴(kuò)屐論認(rèn)為， 水射作用前巖石中存在的初始紋， 巖石的破壞是紋擴(kuò)屐而破的結(jié)果。因紋擴(kuò)屐機(jī)同，紋擴(kuò)屐破碎論包括兩種論 ：一種是斷破碎論， 認(rèn)為巖石在水射沖擊作用下產(chǎn)生紋， 紋在沖擊應(yīng)作用下擴(kuò)屐、交匯，最后形成破碎坑；另一種論是伸水楔作用論，認(rèn)為射沖擊下，高壓水射能有效地順著紋尖端傳播， 水度入隙空間以后，對(duì)隙產(chǎn)生一應(yīng)場(chǎng)， 在隙尖端產(chǎn)生應(yīng)集中區(qū)，它使隙迅速發(fā)屐擴(kuò)大，致使巖石破碎。紋擴(kuò)屐破碎論比彈性強(qiáng)論，恰當(dāng)?shù)孛枋鰩r石的破巖過程， 而且有很多試驗(yàn)現(xiàn)象支持。水射作用下巖石的破碎是紋擴(kuò)屐的結(jié)果基本上成為共識(shí)，存在的分歧是引起紋的擴(kuò)屐的原因。對(duì)于巖石中孔隙壓的分布以及孔隙壓對(duì)巖石破壞的貢獻(xiàn)還沒有具有說服的論。 另外，如果能從論上考慮破碎坑的形成與紋擴(kuò)屐傳播存在關(guān)聯(lián)將好地證明巖石破碎是紋擴(kuò)屐的結(jié)果， 從而使該論具有說服。5.5損傷破碎論倪紅堅(jiān)［22采用有限元法，對(duì)水射的破巖機(jī)進(jìn)數(shù)值模擬。 通過對(duì)連續(xù)射、旋轉(zhuǎn)射和脈沖射破巖過程的模擬， 認(rèn)為水射作用下巖石的破碎是射沖擊載荷在巖石內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)波和射準(zhǔn)靜態(tài)壓共同作用的結(jié)果， 其中以應(yīng)波為主，準(zhǔn)靜態(tài)壓為輔。水射破巖分為兩個(gè)階段，初期以沖擊載荷為主，形成巖石損傷的主體，后期主要是準(zhǔn)靜態(tài)壓使巖石內(nèi)已有的微孔隙、微紋等損傷二次擴(kuò)展。他以JLanaitRe損傷論為基礎(chǔ)，建巖石宏微觀損傷藕臺(tái)模式，并以損傷變作為巖石破壞的判據(jù)，為水射破巖機(jī)的研究提供一種新T的方法。6結(jié)語由于水射破巖體系的復(fù)雜性，在論分析和實(shí)驗(yàn)研究方面均有較大困難，使得水射破巖機(jī)難以客觀揭示。 水射破巖過程短暫，此過程中水射的特性和巖石的形體模型和受形式也在發(fā)生改變，從靜態(tài)的觀點(diǎn)來研究顯然存在足。由于水射破巖過程中局部效應(yīng)明顯，以彈塑性論和斷學(xué)論作為水射破碎巖石的判據(jù)存在局限，巖石損傷學(xué)的發(fā)展為該問題的研究提供新的方法。另外，對(duì)水射破巖過程簡(jiǎn)化得過多，許多研究要點(diǎn)因?yàn)榇嬖谳^大的困難而被忽，如目藕合作用、巖石的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等，因而研究所得出的結(jié)論可避免地與實(shí)際有較大出入。要提高對(duì)水射破巖機(jī)的認(rèn)識(shí)，需要重視兩個(gè)問題：一是水射與巖石的藕合作用；二是巖石動(dòng)態(tài)破碎的微觀機(jī)。水射破巖是一個(gè)涉及諸多因素的非線性沖擊動(dòng)學(xué)問題，用論和實(shí)驗(yàn)手段描述的十分有限， 數(shù)值模擬為該問題的研究提供一種新的研究方法。對(duì)于水射破巖石論的進(jìn)一步研究中，有幾個(gè)方面值得重視：a水射沖擊動(dòng)載特性和應(yīng)分布現(xiàn)； b.巖石在水射沖擊破碎過程中的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系；c.水射破巖過程的數(shù)值分析；d.水射結(jié)構(gòu)參數(shù)和巖石性質(zhì)對(duì)破巖效果的影響規(guī)。對(duì)于這些問題，可以借助目藕合論和巖石損傷論來研究?？傊?，要進(jìn)一步加5冷對(duì)水射破巖論的研究， 需要將體和固體兩個(gè)學(xué)科結(jié)合起來，從動(dòng)態(tài)的角對(duì)破巖過程進(jìn)分析， 才能促進(jìn)論和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。通過學(xué)習(xí)碎巖工程學(xué)這門課程及查閱相關(guān)資的基礎(chǔ)上，本文歸納高壓水射破碎巖石機(jī)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)， 主要包括水射技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展、水射破碎巖石的研究進(jìn)展、高壓水射巖石介質(zhì)目的耦臺(tái)機(jī)分析、 水射沖蝕巖石的影響因素及現(xiàn)今主要的高壓水射破碎論。 通過此次寫論文，讓我加深入的解以上的知識(shí)點(diǎn)和相關(guān)的概， 對(duì)碎巖工程學(xué)這門課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。參考文獻(xiàn)THOMASJK.Anoverviewofwaterjetfundamentalsandapplications[M].St.Louis:WaterjetTechnologyAssociation,2005.廖華，根生，熊偉.超高壓射輔助破巖鉆孔研究進(jìn)展[[J].巖石學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002,21(增2):583-587.KANGS議REITTER工CARLSONG.Targetresponsestotheimpactofhigh-velocity,non-abrasivewaterjets[C]//Proceedingsof7thAmericanWaterJetConference,Washington,USA,August,1993:71-86.AGUSM,BORTOLUSSIA,CICCU,etal.Theinfluenceofrockpropertiesonwaterjetperformance[C]//Proceedingsof7thAmericanWaterJetConference,Seattle,Washington,August,1993:427-442.倪紅堅(jiān)，土瑞和，張延慶.高壓水射作用下巖石破碎機(jī)及過程的數(shù)值模擬研究 [J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和學(xué)，2005,26(12):1445-1452.GUOZ,RAMULUM,JENKINSMG.Modelingthewaterjetcontact/impactontargetmaterial[C]//ProceedingsoflOthAmericanWaterjetConference,TexasUSA,1999:1-21.阿格羅斯.水學(xué)上開.石油工業(yè)出版社，1964.吳望一體學(xué).京大學(xué)出版社，1990.K.Yanaida.Flow