高壓水射流沖孔基本規(guī)律的實驗研究

陳樹亮，黃炳香，徐 杰，劉江偉，趙興龍，王常委

(1.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

高壓水射流沖孔基本規(guī)律的實驗研究

陳樹亮1，黃炳香2，徐 杰2，劉江偉2，趙興龍2，王常委2

(1.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

采用高壓水射流實驗系統(tǒng)分別進行水壓力、射流靶距、時間等單因素影響實驗，分析這些因素對水射流沖孔效果的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明：隨著水壓力的增加，射孔深度呈線性增加；當噴嘴直徑為1.02mm時，水射流的最佳靶距為2mm；高壓水射流存在極限射流深度，在此之后，時間增加，其射流孔孔深基本不變；改變時間、靶距以及水壓力，試塊水射流孔徑基本無變化。

高壓水射流；沖孔；水壓力；射流靶距

高壓水射流技術作為一種集清洗、切割、破碎等多種功能的新技術，最早在十九世紀中葉出現(xiàn)并應用于北美的采礦行業(yè)中[1-2]，之后高壓純水射流技術的研究和應用得到廣泛關注。由于純水射流需要很高的水壓力，出于當時技術裝備發(fā)展的考慮，到二十世紀七十年代末期，由磨料與水混合的兩相介質(zhì)代替純水的磨料射流技術顯著提高了純水射流的切割、破碎能力，同時也降低了超高壓對于整個實驗系統(tǒng)及管路的要求，大大減少了作業(yè)過程的安全隱患。再者，在清洗方面[3-4]，高壓水射流具有清洗效率高、無污染、經(jīng)濟性好、對基體損傷低以及工作環(huán)境適應性好等特點；切割方面，其切割強度范圍廣，低到手術切割病變器官，高到航空航天行業(yè)的特種高強度材料切割，同時具有切割能力強、精度高、噪音小、無塵以及工作環(huán)境局限性小的特點；粉碎方面，具有粉碎能耗低、效率高、效果好以及設備結(jié)構(gòu)簡單的特點。

近幾年，高壓水切割技術開始廣泛應用于煤礦井下，主要運用于高壓水射流破巖[5]、水力沖孔防突、高壓水切槽卸壓[6]、高壓水力割縫增加煤層透氣性[7]等方面。除此之外，在一些瓦斯礦井與具有煤層自燃傾向性礦井，由于環(huán)境的局限性，一些切割作業(yè)無法利用常規(guī)的電鉆進行，因而高壓水射流在煤礦的切割作業(yè)中也有良好的應用前景。

考慮到高壓水射流切割范圍大的特點，為實現(xiàn)切割效果的更加精確，確定最佳的沖孔及切割參數(shù)，研究高壓水射流的沖孔、切割效果，分別進行了改變泵注壓力、時間、射流靶距等單因素影響實驗，分析了這些因素對水射流沖孔效果的影響，從而確定最佳的沖孔及切割參數(shù)，為后期的現(xiàn)場作業(yè)提供依據(jù)。

1 高壓水射流沖孔原理

高壓水射流是通過持續(xù)的高速流體沖擊物體表面使物體發(fā)生破裂產(chǎn)生破碎坑并逐漸加深。其對物體的作用主要包括氣蝕破壞作用、沖擊作用、動壓力作用、脈沖負荷引起的疲勞破壞作用及水楔作用等[8]。

假設射流為理想流體，射流斷面直徑為D時，高壓水以流速v垂直沖擊物體表面，當遇到作用面后，隨即改變方向轉(zhuǎn)過90°沿徑向朝兩邊流走，且流速不變(圖1)，則射流對物體表面的理論沖擊力為：

圖1 高壓水射流沖擊垂直平面的過程示意

(1)

式中，F(xiàn)為射流的沖擊力，N；ρ為水的密度，kg/m3；D為噴嘴內(nèi)徑，m；v為射流速度，m/s。

當射流的沖擊力F超過物體的極限強度時，物體表面就會開裂，形成初始裂隙，水射流進入裂隙空間，在水楔作用下，裂隙尖端產(chǎn)生拉應力集中，使得裂隙進一步擴展進而形成破裂坑。

2 高壓水射流沖孔實驗方案

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)由高壓泵、水射流裝置及監(jiān)控系統(tǒng)組成(圖2)。高壓泵的額定壓力為70MPa，排量為70L/min，水射流裝置的噴嘴直徑為1.02mm，監(jiān)控系統(tǒng)能實時監(jiān)測管路中的壓力及流量變化，同時在靠近管路出口處安裝壓力傳感器，實時監(jiān)測并記錄管路出口處的壓力變化。

2.2 試樣加工

水射流試樣采用水泥砂漿試塊，由32.5號水泥和篩選后的細沙按質(zhì)量配比1∶3.5∶0.3(水泥∶沙∶水)澆筑為300mm×300mm×300mm立方體試塊。試塊澆筑成形后自然養(yǎng)護28d，減少試塊物理力學參數(shù)的離散性。水泥砂漿試樣的力學參數(shù)見表1。

表1 水泥砂漿試塊的物理力學參數(shù)

2.3 實驗方法

高壓水射流實驗方案見表2。采用清水進行射流實驗，分別改變泵注壓力、時間、射流靶距，分析3種因素對水射流沖孔效果的影響，從而確定最佳的高壓水射流施工參數(shù)。

表2 高壓水射流實驗方案

實驗前連接好管路，安裝壓力傳感器，調(diào)節(jié)好射流的靶距，并固定好噴嘴，系統(tǒng)調(diào)試正常后按照實驗方案開始實驗。實驗過程中勿靠近噴嘴，并采取防護措施確保實驗人員安全。實驗結(jié)束后關泵卸壓，測量射孔深度并觀察射孔形態(tài)(圖3)。

圖3 水射流實驗過程及射孔形態(tài)

3 實驗結(jié)果分析

3.1 射流水壓力的影響規(guī)律

水壓力是水射流的一項重要參數(shù)，通過增大水壓力可以增加水射流對物體表面的有效沖擊力。實驗過程中將泵壓依次設置為20，30，40，50，60MPa，射流時間均為5min，射流靶距設置為2mm，通過5組實驗研究水壓力對射流效果的影響規(guī)律。不同泵壓對應的射孔深度如圖4，可以看出隨著水壓力的增加，射孔深度基本呈線性增加。

高壓水射流沖擊水泥砂漿、巖石等脆性材料的過程中，沖擊接觸區(qū)邊界周圍產(chǎn)生拉應力。由于巖石抗拉強度和抗剪強度遠小于其抗壓強度，因此，當高壓水沖擊試塊表面時，由于水的高速沖擊產(chǎn)生的拉應力或剪應力達到其抗拉或抗剪強度時，試塊即發(fā)生破裂。因此，水射流沖擊物體存在一個使物體產(chǎn)生破壞的最小沖擊壓力，即門限壓力。當沖擊壓力大于門限壓力時，隨著射流壓力的增加，水的射流速度增大，攜帶能量增強，產(chǎn)生的射流孔深度亦增加。

3.2 射流靶距的影響規(guī)律

靶距為水射流噴嘴到被沖擊物體表面之間的距離，也是影響射流效果的重要參數(shù)之一。通常認為射流最大作用力位置不是在噴嘴出口而是在離噴嘴一點距離的地方，但靶距過大，射流對物體表面的有效沖擊力會降低。因此，水射流存在一個最佳的射流靶距。實驗中設置水壓力為40MPa，沖孔時間為5min，分別進行靶距為1，2，3，4，5，6mm時的水射流實驗，分析靶距對射流效果的影響。

對比不同靶距時射流孔的孔深(圖5)，可知當水射流的靶距小于等于2mm時，射孔深度相差很小，當靶距大于2mm時，水射流孔深顯著減小，因此，得到水射流的最佳靶距為2mm。靶距較小時，噴嘴與物料表面距離小，在其噴射水柱的有限射程內(nèi)，水柱較為集聚，沖擊水壓力及能量較大，射孔深度較大，之后，隨著靶距的增加，沖擊水壓力及能量衰減嚴重，水射流孔深明顯減小。

圖5 射流靶距對射孔深度的影響

但靶距也不能過小，靶距過小，噴嘴與試塊表面距離過小，試塊表面只受到水射流動壓的作用，而沖蝕作用不顯著，導致水射流沖孔的效果較差。同時靶距過小會導致噴嘴裝置受到的反作用力增大，可能會發(fā)生反沖的危險。

3.3 射流時間的影響規(guī)律

為分析射流時間對射流效果的影響規(guī)律，設置水壓力為40MPa，靶距2mm，分析沖孔時間分別為3，5，10，20，40，60，120，180，300s時射流的孔深變化規(guī)律。

射孔深度隨射流時間的變化規(guī)律如圖6，可知在3～5s內(nèi)水射流孔深已經(jīng)達到34mm，基本達到了極限深度，在此之后，時間增加，其射流孔孔深基本不變。因此，射流過程中存在沖孔的極限射流時間t0，在時間t0以內(nèi)，深度變化比較明顯，超過t0，深度變化不明顯。

圖6 射孔時間對射孔深度的影響

在水射流沖孔過程中，由于水泥砂漿自身強度較低，而沖擊水壓力明顯大于其抗拉及抗剪的極限強度，因此，在射孔瞬間試塊即發(fā)生破壞，并在射流沖擊力的作用下，射孔深度快速增大。在此之后，一方面由于水射流噴嘴結(jié)構(gòu)的局限性，噴射水柱最終會呈發(fā)散狀態(tài)，所以當沖孔深度超出其有效噴射距離之后，沖擊水壓力及能量衰減明顯，此時沖擊水壓力小于等于試塊的門限強度，沖孔深度不再增加，達到其射流孔的極限深度；另一方面，當破壞產(chǎn)生之后，隨著水射流沖擊時間增加，越容易在射流孔底部集聚壓力水，這些壓力水起到“水墊”作用，從而減弱了水射流沖孔的破壞能力，達到極限深度。

4 結(jié) 論

(1)在高壓水射流過程中，隨著水壓力的增加，射孔深度基本呈線性增加。

(2)對比不同靶距時射流孔的孔深，得到水射流的最佳靶距為2mm。

(3)對水泥砂漿進行水射流沖孔時，在3～5s孔深已經(jīng)達到34mm，基本達到了極限深度，在此之后，時間增加，其射流孔孔深基本不變。

(4)對同一種材料而言，改變泵注壓力、靶距及射流時間，試塊水射流孔徑基本無變化。

[1]楊 林，唐川林，張鳳華.高壓水射流技術的發(fā)展及應用[J].洗凈技術，2004，2(1)：9-14.

[2]莊靜偉，王 強，史 亮，等.高壓水射流的發(fā)展與應用[J].中國水運(學術版)，2007，7(6)：124-125.

[3]李 震，李 鋒，汪建新.高壓水射流技術及應用[J].機械工程師，2009，41(11)：33-36.

[4]陳玉凡.高壓水射流清洗技術現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].中國設備工程，2013，29(2)：6-8.

[5]王新新.高壓水射流破煤作用及水力沖孔防突技術研究[D].淮南：安徽理工大學，2012.

[6]李忠華，潘一山，張 嘯，等.高壓水射流切槽煤層卸壓機理[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，2009，28(1)：43-45.

[7]沈春明，林柏泉，吳海進.高壓水射流割縫及其對煤體透氣性的影響[J].煤炭學報，2011，36(12)：2058-2063.

[8]崔謨慎，孫家駿.高壓水射流技術[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1992.

[責任編輯：施紅霞]

Experimental Study of Basic Law of High Pressure Water Jet Punching

CHEN Shu-liang1，HUANG Bing-xiang2,XU Jie2，LIU Jiang-wei2,ZHAO Xing-long2,WANG Chang-wei2

(1.Safety Engineering School，China University of Mining Technology，Xuzhou 221116，China； 2.Sate Key Laboratory of Coal Resource and Safety Mining，Xuzhou 221116，China)

Single factor influencing experiments of water pressure，jet target distance and time were done under high pressure water jet experimental system，influence rule to water jet punching effects by these factors.The results showed that punching depth appeared linearly increasing with water pressure increasing，when nozzle diameter was 1.02mm，the best target distance of water jet was 2mm，and the limitation depth existed of high pressure water jet，and then punching hole depth would not changed with time increasing，water jet hole diameter would not changed with time，target and water pressure changed.

high pressure water jet；punching；water pressure；jet target distance

2017-04-27

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.001

江蘇省“六大人才高峰”資助項目(2014-ZBZZ-007)

陳樹亮(1989-)，男，山東萊蕪人，助理實驗師，碩士，主要從事煤巖體水力致裂方面的研究。

黃炳香(1978-)，男，湖北通城人，工學博士，教授，博士導師，主要從事煤巖體水力致裂方面的研究。

陳樹亮，黃炳香，徐 杰，等.高壓水射流沖孔基本規(guī)律的實驗研究[J].煤礦開采，2017，22(4)：1-3，38.

TD712.63

A

1006-6225(2017)04-0001-03

基礎研究