高压水射流破岩的影响因素

高压水射流破岩的影响因素

高压、超高压水射流破岩或辅助破岩技术由于缺乏正确的内机和实际物理过程，开发出了高压水射流破岩的理论和应用。在深井、超深井以及复杂结构井的钻进中,如何充分发挥高压、超高压水射流破岩或辅助破岩的优势和潜力显得越来越重要。因此深入研究高压水射流破岩的过程和机理,对于水射流技术的发展和应用具有重要的实际意义,同时也是对相关基础理论很好的补充和完善。1关于高压水辐射流破岩的研究1.1水射流的作用对高压水射流或高速水滴冲击下物体的破坏进行描述形成了多种理论学说,如气蚀破坏作用、水射流的冲击作用、水射流的动压力作用、水射流脉冲负荷引起的疲劳破坏作用、水楔作用等,但目前大部分学说尚停留在假说阶段。其中,拉伸—水楔破岩和密实核—劈拉破岩学说因定性解释相对全面,且有部分宏观现象支持,在水射流破岩理论研究中获得较多认可。1.1.1水射流破岩机理该理论将水射流冲击力简化为作用于岩石半空间弹性体平面上的集中力。当拉应力与剪应力超过岩石的抗拉和抗剪的极限强度时,就会在岩石中形成裂隙。裂隙初步形成和汇交后,水射流将进入裂隙的空间,在裂隙尖端产生拉应力集中,使裂隙迅速发展和扩大,致使岩石破裂,形成圆柱状冲击坑或漏斗坑。拉伸—水楔破岩理论从有限的宏观破岩现象出发,结合岩石存在天然裂隙的性质,通过假设裂隙的分布、演化形式,运用断裂理论对水射流的破岩机理进行了分析。但该理论只定性地说明了水射流冲击岩石产生的应力场性质,而没有具体指出裂隙出现的位置及方向。如按弹性半空间中作用集中力的理论,拉应力和剪应力的极值均不会发生在冲击接触面上,水的侵入和裂隙位置存在矛盾,因而水楔入裂隙理论欠完善。1.1.2水射流破岩理论运用赫兹接触理论将脉冲射流的破岩过程简化为具有一定速度的刚体压入岩石半无限弹性体,当极限剪应力和拉应力超过岩石本身的抗剪、抗压强度时,即出现剪切和拉伸裂纹。随着水射流的继续冲击或冲击压力的增加,剪切裂纹扩展并汇接到冲击接触面,形成由剪切破碎的细岩粉组成的球形密实核。当密实核储藏的能量达到一定程度时,它将开始膨胀而释放能量,使周围的岩石产生切向拉应力。当拉应力超过岩石的抗拉强度时,岩石壁面上将出现径向裂隙。由于密实核处于高压状态,核中的岩粉将以粉流形式楔入径向裂隙,并在靠近阻力较小的自由面方向劈开岩石,从而完成脆性岩石的跃进式破碎(体积破碎)过程。该破岩理论重视了岩石强度性能的差异对水射流破碎岩石的影响,并结合能量状态的演变对部分水射流破岩过程进行了解释。其不足在于忽略了岩石的动、静态物理力学性能的差异以及水射流在破岩过程中与岩石的耦合作用。简单运用静态理论来解释脉冲射流的动态破岩过程必将带来较大偏差,因而该理论较为粗糙,对水射流的破岩研究只起定性指导作用。另外,Foreman和Secor提出,水射流冲击下岩石被破坏是由于:①在岩石介质中引起应力波和持续的水射流冲击应力场;②水对孔隙和裂隙的刺入引起与拉应力的应力场相伴的内应力。可用理想的弹性理论来计算应力分布并使用Griffith破坏准则。分析的结果说明了某些观察到的现象,但不是结论,还有待于进一步研究。1.2半理论模型和全临床模型水射流切割岩石是水射流破岩理论的一个重要方面,目前这方面的工作仅限于半经验、半理论的研究,影响较大的有Crow模型和Rehbinder模型。1.2.1crow的理论推导Crow的切割理论模型中对岩石特性考虑较为全面,包括岩石的晶粒大小、渗透率、孔隙度、剪切应力、内摩擦系数和库仑摩擦系数等。理论推导以高速水流和岩石颗粒之间存在气蚀现象的假定为前提。Crow运用经验系数法令作用在颗粒上的剪切应力等于颗粒两端的压力差,而确定这些系数须理论和实验相结合。只在某些特定的条件下实验值才与Crow的理论值相符,而在其他情况下则存在较大偏差。因此,这一假设的正确性有待进一步确认。此外,Crow模型中部分公式在因次上有矛盾之处,也有待修正。1.2.2岩石冲蚀试验和岩石渗透率试验研究是建立其静水压力的基Rehbinder的切割理论模型以全部岩石是可渗透的作为假设前提,水射流穿透晶粒之间的空隙,使晶粒受到液体压力而脱落。破岩的条件是晶粒间的静水压力必须克服晶粒间的内聚力。理论和实验都说明切割槽深是射流直径、射流压力和射流破岩门限压力的比值、冲击时间和岩石渗透率的函数。最关键的是岩石的冲蚀阻抗与岩石渗透率的关系。Rehbinder利用多孔介质流动模型,得到一个简化的只包含岩石渗透率和岩石粒径的经验公式。但Rehbinder公式只适用于用水浸透了的细颗粒岩石,这使得该公式的使用范围受到了限制。1.3岩石的动态破坏和破坏高压水射流破岩理论的一个重要方面是确定水射流的冲击动载荷及岩石的动态响应。有关这方面的研究甚少,目前仅有一些基本探索。1.3.1液滴冲击固体的数学模型基于非定常流体力学理论,YenC.Huang和F.G.Hammit较系统地探索了一维和二维液滴对绝对刚性靶板冲击时,液滴的形态演化及其内部瞬态压力和速度分布。在水滴的冲击作用下,岩石中产生的应力是液体密度ρ、岩石的密度ρs、液滴的冲击速度v、应力波在液体和岩石中的传播速度c、cs的函数,即σ=f(ρ,ρs,v,c,cs).研究表明,在液滴开始冲击到液滴在固体表面上产生径向运动的这段“初始期”内,在液滴与岩石的接触面内,存在一个极高的压应力区域,它对岩石的破坏有着重要的作用。初始期的长短是水滴半径、冲击速度和几何形状的函数。YenC.Huang和F.G.Hammitt所揭示的液滴冲击固体后的形态演化、速度和压力的分布规律,理论相对完备,但其所提出的物理模型中没有考虑固体的变形或只作为弹性体考虑,忽略了岩石本构关系的复杂性。美国Jia-BoHwang和F.G.Hammitt等运用弹性力学和应力波理论,将一滴水或一段水柱冲击固体的过程简化为一段刚体以一定速度撞击一固体,确定了射流冲击后固体的应力、速度和位移,以此为边界条件和初始条件,利用弹性力学半空间轴对称理论,得到射流冲击弹性体内的瞬时应力场。Jia-BoHwang和F.G.Hammitt等提出的模型中存在的缺陷是没有考虑水中声速和水的密度在高压下的变化及将岩石简单地考虑为弹性体。因而也仅可用来粗略地估计冲击固体的最大压力。Г.Л.契尔曼等将岩石方面的许多因素简化成动载强度和波阻率,将射流方面的许多因素和条件归结为喷射压力、喷射速度和射流波阻,以动压力大于或等于岩石动载强度作为破碎判据,找到射流压力、速度、波阻和岩石的动载强度、波阻率等的内在关系,从而确定破碎岩石时的射流冲击压力和速度。Г.Л.契尔曼等的公式本质上同Jia-BoHwang和F.G.Hammitt等的公式是一致的,只是其实验基础相对完备,且就公式的推导基础作了定性的解释。1.3.2冲击压力计算结果一束水是由无限个水滴组成的,其冲击岩石引起的应力场更为复杂。目前,只能通过实验对此问题进行定性分析。日本学者T.Kinoshita等认为射流是由很多带有动能的水滴和空气隙组成,它是液体和气体的束射体。当射流冲击到岩石时,水滴排挤出空气隙,而本身密实和压缩,并产生冲击波。从这个观点出发,建立起射流冲击岩石模型。根据能量守恒和动量守恒原理,按冲击波理论计算出冲击压力和速度等参数即可计算冲击岩石的压力,从计算结果来看,射流冲击速度对冲击压力影响显著。T.Kinoshita的模型说明了一束水和一滴水冲击作用的不同之处。水滴的冲击压力完全取决于其速度;一束水的冲击压力则不仅取决于速度,而且同水束中的空气含量密切相关。L.M.Daniel等用光弹高速摄影法(激光光源、哥伦比亚松香试件)研究了水射流冲击的应力场。结果表明,水射流冲击固体产生的应力场比较复杂。虽然水射流比较集中,但不能按集中力对待,用一般弹性理论不能计算水射流的应力场。此外,L.M.Daniel还做了水射流冲击混凝土实验。实验发现,在水射流冲击的正下方,开始是一压缩波,随着深度的增加,也会出现小幅度的拉伸波。在离开射流轴线的地方,则会交替出现拉伸波和压缩波。压缩波的平均作用时间为27μs。基于上述实验,L.M.Daniel对一束水冲击岩石引起的破坏过程作了定性分析:剪切应力波作用形成破碎坑;随着破碎坑的出现和扩大,膨胀波迅速减弱,破碎坑内准静态增加;准静态增压引起岩石断裂和压力释放。整个破碎坑形成时间约为1.5~6ms;破碎坑的大小和形状与射流的比长(射流长度与喷嘴直径之比)和比压(射流的冲击压力与岩石的抗压强度的比值)有关。这点已为国内外许多试验所证实。有关水射流冲击作用下岩石动态响应的研究较为粗泛,各物理模型也相对简单。由于将岩石作为刚体或弹性体考虑,忽略了流体和固体的耦合作用,因而只能定性指导和粗略估计。2损伤模型理论岩石在水射流冲击载荷作用下的损伤、破坏规律是水射流破岩机理研究中的一个核心问题,目前这方面的研究甚少。比较有代表性的岩石动态破碎研究是在岩石爆破领域。岩石在爆炸动载荷作用下的响应及其破坏机理具有多种理论模型。目前在爆破理论研究中应用最多的仍是弹塑性模型和流体弹塑性模型,二者的主要差别在于静水压力的计算。断裂力学的发展为岩石断裂和裂纹扩展的处理提供了判断准则和理论工具,尽管断裂力学模型在爆破理论研究中实际应用存在较大困难,但断裂力学原理和断裂韧性的概念仍被大量应用。损伤模型理论的出现为岩石爆破破碎的研究提供了新的理论工具和思维方法。损伤模型的突出特点是不研究单个裂纹的力学行为而注重研究裂纹结合的宏观力学效应。损伤模型的另一优点是可以退化为弹塑性模型(当损伤系数为零时),这使得损伤模型可直接应用弹塑性理论的研究结果和实验参数[13,14,15,16,17,18,19,20,21]。虽然水射流破岩与岩石爆破所研究的均是高动载、高应变率作用下岩石的动态响应及其损伤演化和破坏的规律,但是从真实物理过程分析,水射流破岩与岩石爆破在研究对象的尺度、动载荷的作用方式及影响作用范围方面均存在较大差异,因而在应用、借鉴岩石爆破领域中的理论方法和研究手段时,应根据水射流破岩的具体情况加以分析。值得注意的是,由于岩石的严重不均质性,使得岩石本构关系的研究一直为岩石力学研究中的薄弱环节,尤其在动态下,岩石的本构关系研究难度更大。岩石破碎微观机理的探索具有重要的理论意义,但是宏观和微观之间一直存在较难对应的问题。虽然相关领域的一些研究成果、研究方法和研究手段可以借鉴,但由于动态破碎中岩石的尺度都相对较大,如岩体、岩块等,因而研究中更注重的是宏观物理力学性能的变化,对于微观、局部性能的变化对岩石整体性能的影响则考虑较少。受设备能力的限制,水射流直径相对比较小,与岩石孔隙、颗粒等尺度范围相差不大,这时岩石孔隙、颗粒等性能的变化已不可忽略,水射流破碎岩石表现出明显的局部效应,有关研究也证实了这点。因此,水射流动态破碎岩石的研究重点应是水射流的冲击作用、岩石孔隙流体与岩石骨架颗粒的相互作用规律以及岩石的局部与整体性能的差异与联系,进而建立符合水射流破岩特点的动态本构关系。3高压水射流破岩机理高压水射流破岩是一个涉及诸多因素的非线性冲击动力学问题,解析描述的力度十分有限。运用数值计算手段,基于较少假设,模拟实际物理过程是探索复杂事物运动变化规律的一个重要途径,这点在诸多研究领域中已有体现。水射流破岩机理的研究中也初步开展了数值模拟研究,但是其中还存在许多有待商榷之处。因为高压水射流破岩是一个非线性冲击动力学问题,具有瞬时强值动载荷、柔性撞击、大变形、高应变率等特点,其结构惯性影响、撞击载荷与结构动态响应之间的耦合现象、结构大变形引起的几何非线性现象以及岩石的动态本构关系等问题不可忽略。目前有关水射流的数值模拟研究中通常将水射流破岩过程简化为静态,将岩石作为刚体或弹性体考虑,而对于岩石在水射流的冲击动载作用下的物理力学性能变化以及流体和固体的耦合作用等基本没有考虑,所以当前各物理、数学模型相对简单,与实际有较大的误差,尚不能为实际应用提供有效的指导。4流破岩理论的进一步研究由于水射流破岩体系的复杂性,在理论分析和实验研究方面均有较大困难,使得水射流的破岩机理难以客观揭示。现有的理论模型对水射流破岩过程的简化过多,许多研究要点因为存在较大难度而被忽略,如流固耦合作用、岩石的动态性能等,因而研究所得结论不可避免地与实际有较大出入。在水射流破岩理论的进一步研究中,以下几个方面值得重视:①水射流的冲击动载分布变化规律;②在高压水射流冲击作用下,岩石和高速冲击流体之间的耦合作用机理;③符合水射流冲击特征的岩石的动态本构关系,以及岩石的破碎、损伤和失效的形成和发展理论;④运用数值模拟