水下磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖試驗

商港，劉送永，賈繼光，馬浩，顧聰聰

(1.中國礦業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇徐州，221116；2.江蘇省礦山智能采掘裝備協(xié)同創(chuàng)新中心(省部共建)，江蘇徐州，221008)

常規(guī)巖石破碎方法，如截齒截割、鉆進沖擊和滾刀擠壓等在破碎硬度不大的巖石時取得了良好效果[1?3]，但在飽和單軸抗壓強度大于60 MPa 的硬巖隧道掘進時，由于荷載急劇增大，沖擊與振動劇烈，機械刀具磨損嚴重，壽命大幅縮短，極大降低掘進速度[4?5]。為提高掘進效率，水射流、電脈沖、微波加熱及超臨界二氧化碳射流等先進技術(shù)開始被用于輔助機械刀具破碎硬巖上[6?9]，其中，水射流切割具有能耗低、無污染等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于隧道掘進施工[10?11]。

科學(xué)家和工程師們對水射流破巖技術(shù)開展了大量理論、數(shù)值模擬和試驗研究。LIU等[12]基于有限元法(FEM)和光滑粒子流體動力學(xué)(SPH)建立了水射流破巖的數(shù)值模型，研究射流直徑、射流角度和射流速度對巖石破碎效率的影響；LI等[13]采用流固耦合分析方法，探究了熱應(yīng)力對水射流沖擊破碎巖石的影響，發(fā)現(xiàn)溫度場和壓力場的耦合作用可以擴大巖石的破裂體積，最佳沖蝕距離為射流直徑的10 倍。磨料漿體射流由于在水中加入高聚物，提高了射流集束性，導(dǎo)致射流動能更加集中，因而具有更好切割性能[14]。WANG等[15?16]研究了高聚物質(zhì)量分數(shù)、系統(tǒng)壓力和橫移速度對磨料漿體射流切割深度、寬度和微觀形貌的影響，揭示了磨料漿體射流沖擊下巖石的應(yīng)力應(yīng)變場；NGUYEN 等[17]研究了添加聚合物后液體性質(zhì)對磨料漿體射流(ASJ)穩(wěn)定性的影響，通過添加聚合物，射流變得更加穩(wěn)定，主要歸因于流體黏度增加；江紅祥等[18]研究了水射流沖擊速度對煤巖破碎能量和粒度分布的影響；向文英等[19]使用數(shù)碼攝像測試系統(tǒng)研究了淹沒磨料射流中空泡云的發(fā)展過程，得到了花崗巖沖蝕孔深與泵壓及圍壓的關(guān)系。

在水射流輔助機械刀具破巖領(lǐng)域，CICCU等[20?21]研究了水射流輔助刀具的聯(lián)合破巖性能，發(fā)現(xiàn)水射流輔助機械刀具破巖可有效地提高機械刀具破巖能力；STOXREITER 等[22]使用高壓射流輔助旋轉(zhuǎn)鉆井系統(tǒng)對花崗巖進行了鉆削試驗，發(fā)現(xiàn)相比于純機械鉆進，射流輔助下的鉆井速度得到了顯著提高；江紅祥等[23]開展水射流與機械刀具聯(lián)合破巖試驗，發(fā)現(xiàn)中置式射流可以更好地抑制掘進過程中灰塵的產(chǎn)生；TANG 等[24]開展了水射流、磨料水射流輔助鉆頭破巖試驗，發(fā)現(xiàn)磨料射流比純水射流更適合于硬巖破碎，鉆頭磨損明顯減??；LIU 等[25?26]采用數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法，研究水射流輔助機械刀具破巖，發(fā)現(xiàn)采用中置式射流輔助截齒截割的破巖效率最高，截齒受力最小，圍壓會降低破巖性能，阻礙裂紋擴展，增大截割阻力。

前人針對水下環(huán)境中磨料漿體射流以及磨料漿體射流輔助截齒聯(lián)合破巖性能的研究甚少。基于此，本文作者搭建磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖試驗臺，首先，以切割深度為指標，探究不同環(huán)境介質(zhì)中，高聚物質(zhì)量分數(shù)、橫移速度和系統(tǒng)壓力對磨料漿體射流切割性能的影響；然后，分析磨料漿體射流輔助截齒聯(lián)合破巖過程和巖石破碎形貌；最后，以巖石破碎體積和截割阻力為指標，探究水下及空氣環(huán)境中截割深度和系統(tǒng)壓力對磨料漿體射流輔助截齒聯(lián)合破巖性能的影響。

1 磨料漿體射流破巖試驗

1.1 試驗方案

磨料漿體射流破巖過程中，影響射流切割性能的因素較多，本節(jié)重點研究高聚物質(zhì)量分數(shù)、射流橫移速度和系統(tǒng)壓力對不同環(huán)境下磨料漿體射流切割性能的影響規(guī)律[16]。無論是旋轉(zhuǎn)截割還是直線截割，截齒受力特性及巖石破碎效果高度相似[27]，為簡化試驗，本文采用直線截割方式。根據(jù)文獻[25]，選擇中置式水射流截齒，如圖1所示，截齒中心加工有射流通道。

圖1 中置式水射流截齒Fig.1 Coaxial water jet pick

搭建如圖2所示的磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖試驗臺，該試驗裝置由4個部分組成：直線切割系統(tǒng)、磨料漿體射流系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。磨料漿體射流系統(tǒng)提供的射流壓力高達50 MPa。射流中磨料質(zhì)量分數(shù)可在0～8%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而添加劑質(zhì)量分數(shù)可在飽和濃度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。該試驗臺也可單獨進行磨料漿體射流破巖試驗。

圖2 磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖系統(tǒng)Fig.2 Rock breaking system with pick assisted by ASJ system

在工程應(yīng)用中，入射角度通常固定不變，考慮到實際工程應(yīng)用中截齒截割角度一般為45°，將磨料漿體射流入射角度也設(shè)為45°。由于在采掘作業(yè)中，實際淹沒水深一般較淺，且小范圍的淹沒深度變化對切割性能基本無影響，因此，將巖石淹沒深度固定為0.5 m，其他參數(shù)分別設(shè)定如下：噴嘴直徑為1 mm、垂直靶距為10 mm、磨料質(zhì)量分數(shù)為8%。

試驗采用的巖樣為分布最廣泛、最能代表硬巖的石灰?guī)r，長×寬×高為450 mm×250 mm×200 mm，經(jīng)測試該巖樣的力學(xué)性能參數(shù)如下：密度為2 630 kg/m3，彈性模量為42.09 GPa，泊松比為0.3，抗壓強度為122.23 MPa，抗拉強度為7.4 MPa。試驗過程中使用液壓缸對石灰?guī)r的側(cè)面進行固定，以免切割過程中發(fā)生移位。切割完成后，清洗切縫中的泥漿，在每條切縫上等間距采集7個數(shù)據(jù)，減少巖石性質(zhì)變化對試驗的影響。

1.2 磨料漿體射流破巖性能的影響因素

1.2.1 PAM質(zhì)量分數(shù)

聚丙烯酰胺(PAM，polyacrylamide)是一種常見的工業(yè)添加劑，能有效降低流體摩擦阻力，改善懸浮物的分布特性，且價格低廉、污染小，因此，本文選其用于制備漿體水溶液，其質(zhì)量分數(shù)w分別設(shè)定為0，1.5‰，2.0‰，2.5‰，3.0‰ 和3.5‰，設(shè)定橫移速度v為2 m/min，系統(tǒng)壓力P為50 MPa，其他參數(shù)不變，獲得不同PAM 質(zhì)量分數(shù)下的磨料漿體射流切割石灰?guī)r效果如圖3所示。

圖3 不同PAM質(zhì)量分數(shù)下磨料漿體射流破巖效果Fig.3 Rock cutting effect of underwater ASJ at different PAM mass fractions

圖4所示為不同PAM 質(zhì)量分數(shù)下磨料漿體射流破巖深度，圖5所示為切縫平均深度與PAM 質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系曲線。從圖4和5可見：無論是在空氣環(huán)境還是水下環(huán)境中，隨著PAM質(zhì)量分數(shù)提高，磨料漿體射流切割深度均隨之提升。但切縫深度的均勻性逐漸下降，當PAM質(zhì)量分數(shù)上升至2.5‰后，同一條切縫的深度波動劇烈上升。這是因為隨著PAM 質(zhì)量分數(shù)提高，切割能力會因磨料漿體射流集束性增加而有所提升，但當PAM 質(zhì)量分數(shù)提高到一定程度后，高速射流中過高質(zhì)量分數(shù)的漿體中PAM 分子間的纏結(jié)與撕裂更劇烈，導(dǎo)致流體噴射穩(wěn)定性有所下降，進而導(dǎo)致切割能力產(chǎn)生了較大波動。因此，實際應(yīng)用中應(yīng)避免使用過高質(zhì)量分數(shù)的聚丙烯酰胺，一方面導(dǎo)致添加劑使用量增加，另一方面，磨料漿體射流的切割深度不穩(wěn)定會導(dǎo)致截齒在截割過程中受到的切割阻力波動增大，容易為截齒帶來額外損傷。

圖4 不同PAM質(zhì)量分數(shù)下磨料漿體射流破巖深度Fig.4 Rock breaking depth of abrasive slurry jet with different PAM mass fractions

此外，從圖5可見，與空氣中磨料漿體射流切割深度相比，水下環(huán)境中的切割深度普遍偏小，且PAM 質(zhì)量分數(shù)增加對切割深度的促進作用沒有在空氣中顯著。這是因為與空氣相比，水對射流的阻礙作用更大，削弱了射流切割能力，但環(huán)境水在一定程度上抑制了射流的發(fā)散，提高了射流的集束性，因此，增大PAM 質(zhì)量分數(shù)對射流集束性的進一步提高作用較小。這就導(dǎo)致了淹沒射流時，提升切割深度沒有在空氣中顯著，水下環(huán)境中射流相對于空氣中切割深度的減小率逐漸增高。經(jīng)綜合考慮，PAM質(zhì)量分數(shù)取2.5‰左右為宜。

圖5 切縫平均深度與PAM質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between average depth of slit and PAM mass fraction

1.2.2 橫移速度

開展不同橫移速度下的水下磨料漿體射流切割試驗，并與同等條件下的空氣中磨料漿體射流切割深度進行對比。結(jié)合工程實際，將射流橫移速度v分別設(shè)定為1，2，3，4 和5 m/min，系統(tǒng)壓力P為50 MPa，PAM質(zhì)量分數(shù)C為2.5‰，其他參數(shù)保持不變。

不同橫移速度下空氣中及水下磨料漿體射流切割效果如圖6所示，平均切割深度隨橫移速度變化關(guān)系如圖7所示。從圖6和7 可見：在空氣中，隨著橫移速度從1 m/min 提高至5 m/min，磨料漿體射流切割深度逐步由17.18 mm 降至2.03 mm，而在水下環(huán)境中則由13.15 mm 降至1.87 mm。這種減小趨勢在不同環(huán)境介質(zhì)中均存在，這是由于提高橫移速度導(dǎo)致磨料漿體射流與巖石的接觸時間變短，在射流尚未達到最大的切割深度時，射流已移動至新位置進行切割，引起了切割深度降低。

圖6 不同橫移速度下磨料漿體射流破巖效果Fig.6 Rock breaking effect by ASJ at different transverse velocities

圖7 磨料漿體射流破巖平均截深隨橫移速度變化關(guān)系Fig.7 Relationship between mean cutting depth of ASJ and transverse velocities

此外，當橫移速度從1 m/min 上升至5 m/min時，水下環(huán)境相較于空氣中磨料漿體射流切割深度的減小率從12.62%上升至22.65%。這表明隨著橫移速度提高，環(huán)境水對射流的切割能力的影響程度會增強，這是由于在較低橫移速度下，射流噴射在環(huán)境水中會形成相對穩(wěn)定的渦旋，在一定程度上對射流起到減阻作用，而更高橫移速度引發(fā)了更強湍流，加劇了渦旋的不穩(wěn)定性，進而導(dǎo)致環(huán)境水對射流的干擾增強，最終進一步降低了切割能力。

1.2.3 系統(tǒng)壓力

考慮到較大橫移速度降低了磨料漿體射流的切割能力，會減弱對截齒截割巖石的輔助能力，增大截齒的磨損和折斷的風(fēng)險，而較小橫移速度則引起截齒截割效率低。因此，綜合考慮下將橫移速度設(shè)定為2 m/min，系統(tǒng)壓力分別設(shè)定為10，20，30，40和50 MPa，其他條件保持不變。

不同橫移速度下空氣及水下環(huán)境中磨料漿體射流切割效果如圖8所示，平均切割深度隨系統(tǒng)壓力變化關(guān)系如圖9所示。從圖9可見：隨著系統(tǒng)壓力提高，在空氣和水下環(huán)境中的磨料漿體射流切割能力皆有所提高，當系統(tǒng)壓力P從10 MPa 提高到50 MPa時，空氣中的切割深度由0.76 mm上升到7.14 mm，而水下環(huán)境中的切割深度則由0.58 mm上升到6.08 mm。

圖8 不同系統(tǒng)壓力下磨料漿體射流破巖效果Fig.8 Rock breaking effect of ASJ under different system pressures

圖9 磨料漿體射流平均切割深度隨系統(tǒng)壓力變化關(guān)系Fig.9 Relationship between average cutting depth of ASJ and system pressure

更高系統(tǒng)壓力可提高射流速度，射流沖擊巖石的動能更大，在相同橫移速度下，導(dǎo)致射流切縫更深。隨著系統(tǒng)壓力P從10 MPa 升高至50 MPa，水下環(huán)境中磨料漿體射流切割深度相比于空氣環(huán)境中的減小率逐步從33.0%下降到21.5%，這是因為系統(tǒng)壓力導(dǎo)致射流動能增大，有利于在環(huán)境水中形成更大漩渦，漩渦越大，對射流形成的間接輔助作用越強。

2 磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖試驗

為了研究水下磨料漿體射流輔助截齒破巖的機理，分析環(huán)境介質(zhì)、截割深度和系統(tǒng)壓力對磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖阻力的影響規(guī)律，利用所搭建的射流?截齒聯(lián)合破巖試驗臺開展聯(lián)合破巖試驗研究。

2.1 巖石破碎過程

在切割深度D為5 mm的條件下進行聯(lián)合截割試驗，設(shè)定高聚物質(zhì)量分數(shù)C為2.5‰，橫移速度v為2 m/min，系統(tǒng)壓力P為30 MPa，其他參數(shù)與上述一致，切割破巖效果如圖10所示，從巖石破碎的宏觀形態(tài)分析石灰?guī)r破碎過程。

從圖10可見：在水下磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖過程中，磨料漿體射流先于截齒在巖石上切出一條切縫，隨后截齒與巖石接觸，擠壓、研磨導(dǎo)致巖石破碎，形成截割槽。巖石在磨料漿體射流?截齒的聯(lián)合作用下出現(xiàn)明顯損傷，截割槽從始端位置基本均勻的貫穿到切割末端位置，在截割槽底部有磨料漿體射流切割出相對較深的切縫。但在截割始端位置、截割末端位置以及切割槽中間部位出現(xiàn)了不同程度的崩落區(qū)，其中，切割始端位置的崩落區(qū)相對明顯。上述崩落區(qū)產(chǎn)生的原因有2個方面。

圖10 磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖形態(tài)Fig.10 Rock breaking form of ASJ?pick combination

1)當截齒作用于巖石時，由于巖石自由面效應(yīng)的影響，截齒施加給巖石的一部分壓縮應(yīng)力波經(jīng)自由面反射轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞈?yīng)力波，導(dǎo)致巖石趨于向切割始端自由面破碎，故切割始端位置崩落區(qū)較大；切割末端位置的崩落區(qū)由于切割槽的存在，一定程度上充當了自由面，使巖石向切割末端自由面破碎的趨勢降低，故崩落區(qū)相對較小。

2)由于巖石為非均質(zhì)材料，當巨大切割力作用于巖石時，在其自身脆性特性的影響下易產(chǎn)生崩落區(qū)，但崩落區(qū)的位置和范圍沒有規(guī)律。

水下磨料漿體射流?截齒聯(lián)合截割與在空氣中聯(lián)合截割的石灰?guī)r破碎過程和宏觀形貌基本一致。

2.2 聯(lián)合破巖性能的影響因素

2.2.1 截割深度

結(jié)合采掘作業(yè)的工程實際，將截割深度D分別設(shè)定為3，6，9 和15 mm，其他參數(shù)保持不變，分別在空氣和水下環(huán)境中開展對照試驗，分析在不同截割深度下水下環(huán)境對截割性能的影響。

不同環(huán)境中和不同截割深度下磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖效果見圖11，采用測量簡單且結(jié)果較準確的砂石回填法測量巖石的破碎體積，圖12所示為不同截割深度下磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖體積。隨著截割深度增加，巖石破碎體積逐漸增加，且增加趨勢不斷加快，同時產(chǎn)生巖石崩落現(xiàn)象更明顯，這種現(xiàn)象在空氣和水下磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖時都存在。這是由于隨著深度增加，磨料漿體射流?截齒聯(lián)合作用的范圍更廣，截齒受力和振動更大，交變載荷下巖石更容易崩落。

圖11 不同截割深度下磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖效果Fig.11 Rock breaking effect of ASJ?pick combination under different cutting depths

圖12 不同截割深度下磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖體積Fig.12 Rock breaking volume of ASJ?pick combination under different cutting depths

不同截割深度下截割阻力如圖13所示，圖14所示為不同截割深度與截割阻力的關(guān)系。從圖13和圖14可見：不論在何種環(huán)境中，隨著截割深度增加，截割阻力均明顯增大，截割阻力波動也逐漸增加；同等截割深度下，相較于空氣中的磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖，水下環(huán)境中的截割阻力明顯增大，且隨著截割深度增加，水下破巖相對于空氣中破巖的截割阻力增長率由18.9%逐漸下降至8.7%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：水下磨料漿體射流的切割能力比在空氣中顯著降低，導(dǎo)致切縫內(nèi)形成的集中應(yīng)力降低，不利于巖石的進一步破碎，從而導(dǎo)致截割阻力變大[28]。

圖14 截割深度與截割阻力的關(guān)系Fig.14 Relationship between cutting depth and cutting resistance

截割深度增加導(dǎo)致截割阻力迅速增大，磨料漿體射流的輔助減阻性能相對減弱，截齒磨損更加嚴重，截齒發(fā)生變形、斷齒的風(fēng)險也更大，從經(jīng)濟性和安全性來說，截割深度不宜過大，結(jié)合破巖效率因素，截割深度取6 mm為宜。通過數(shù)據(jù)擬合得到截割深度與截割阻力的數(shù)學(xué)表達式為

式中：Rc為截割阻力，N；D為截割深度，mm。

2.2.2 系統(tǒng)壓力

在其他條件不變的情況下，將系統(tǒng)壓力P分別為10，20，30，40和50 MPa時進行截割深度為6 mm 的磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖試驗，圖15所示為不同系統(tǒng)壓力下磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖效果，圖16所示為相應(yīng)的巖石破碎體積。

圖16 不同系統(tǒng)壓力下磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖體積Fig.16 Rock breaking volume of ASJ?pick combination under different system pressures

由圖15和16可見：隨著系統(tǒng)壓力升高，無論在空氣中還是水下，巖石破碎體積均逐漸增加。一方面，磨料漿體射流系統(tǒng)壓力升高，增強了射流的切割能力，導(dǎo)致射流引起的破碎體積增加；另一方面，隨著切縫深度增加，切縫周圍的應(yīng)力集中更明顯，在截齒作用下更容易破碎。由于截割深度不變，巖石破碎體積增加主要是由巖石剝落面積增大和磨料漿體射流切割深度增加引起。

圖15 不同系統(tǒng)壓力下磨料漿體射流?截齒聯(lián)合破巖效果Fig.15 Rock breaking effect of ASJ?pick combination under different system pressures

不同系統(tǒng)壓力下的截割阻力如圖17所示，圖18所示為截割阻力隨系統(tǒng)壓力的變化關(guān)系。從圖17 和18 可見：無論在水下還是空氣環(huán)境中，截割阻力與系統(tǒng)壓力呈負相關(guān)，總體而言，截割阻力的波動也逐漸減弱。在相同系統(tǒng)壓力下，水下環(huán)境中的截割阻力更大，這是因為：一方面，水下射流阻力更大，降低了射流對截齒的輔助作用；另一方面，滑臺在水下移動的阻力也比空氣中稍大。此外，隨著系統(tǒng)壓力增加，水下相對于空氣環(huán)境中的截割阻力增長率由20.60%逐漸下降至11.44%，這是由于磨料漿體射流的切割深度是影響其輔助減阻作用的主要因素，根據(jù)前文研究可知，系統(tǒng)壓力增加削弱了環(huán)境介質(zhì)對射流切割能力的影響，導(dǎo)致了水下與空氣環(huán)境中的截割阻力逐漸接近。綜合而言，增大系統(tǒng)壓力有利于提高破巖效率，減小截割阻力，延長截齒使用壽命，在工程應(yīng)用中應(yīng)盡量選用較高系統(tǒng)壓力。在系統(tǒng)壓力為10～50 MPa范圍內(nèi)，通過數(shù)據(jù)擬合得到系統(tǒng)壓力與截割阻力的數(shù)學(xué)表達式為

圖17 不同系統(tǒng)壓力下的截割阻力Fig.17 Cutting resistance under different system pressures

圖18 系統(tǒng)壓力與截割阻力的關(guān)系Fig.18 Relationship between system pressure and cutting resistance

3 結(jié)論

1)隨著PAM 質(zhì)量分數(shù)增加，磨料漿體射流切割深度隨之提升，水下環(huán)境中的切縫深度較空氣中普遍減小12%以上，PAM 質(zhì)量分數(shù)增加會導(dǎo)致切縫深度的均勻性逐漸下降；當橫移速度從1 m/min 上升至5 m/min 時，水下環(huán)境相較于空氣中磨料漿體射流切割深度減小率從12.62%上升至22.65%；當系統(tǒng)壓力從10 MPa 升高至50 MPa 時，水下環(huán)境中磨料漿體射流比空氣環(huán)境中的切割深度減小率逐步從33.0%下降到21.5%，隨著系統(tǒng)壓力提高，磨料漿體射流切割能力受環(huán)境水的影響減弱。

2)在磨料漿體射流?截齒聯(lián)合截割作用下，石灰?guī)r上的截割槽從始端貫穿到末端，截割槽底部有較深切縫；在截割始端、截割末端以及切割槽中部出現(xiàn)了不同程度的崩落區(qū)，其中始端的崩落區(qū)相對明顯；水下環(huán)境與空氣環(huán)境的石灰?guī)r破碎過程和宏觀形貌基本一致。

3)隨著截割深度從3 mm增至15 mm，巖石破碎體積增加約10 倍，同時截割阻力呈冪函數(shù)式增大，截割阻力的波動更劇烈，這導(dǎo)致截齒磨損更嚴重，截齒發(fā)生變形、斷齒的風(fēng)險也更大，結(jié)合破巖效率因素，截割深度選擇6 mm附近為宜；提高系統(tǒng)壓力，可降低截割阻力，減小截割阻力的波動，相同系統(tǒng)壓力下，水下環(huán)境中的截割阻力更大，巖石破碎體積更??；隨著系統(tǒng)壓力從10 MPa升至50 MPa，水下相對于空氣環(huán)境中的截割阻力增長率由20.60%逐漸下降至11.44%，因此，在工程應(yīng)用中，應(yīng)盡可能使用更高的系統(tǒng)壓力。