高壓水射流破煤機(jī)理研究進(jìn)展及展望

趙岳然，姜文忠，靳 鵬，都 鋒，裴 越，袁圣秋

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

高壓水射流技術(shù)具備能量損失小、作業(yè)過程不產(chǎn)生火花、無污染、對(duì)切割對(duì)象適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用在煤礦開采和鉆探等方面。水射流破煤過程短暫、破碎模式多變且涉及“氣-液-固”耦合問題，導(dǎo)致對(duì)水射流破煤機(jī)理的研究存在很大難度。早期水射流破煤理論研究主要集中在應(yīng)力分布和固體材料裂隙擴(kuò)展情況[1]。形成了4 種認(rèn)可度較高的理論：“拉伸-水楔”破煤理論、“密實(shí)核-劈拉”破煤理論、應(yīng)力波破煤理論、氣蝕破煤理論。之后國內(nèi)學(xué)者對(duì)水射流破煤機(jī)理進(jìn)行了大量研究[2-7]，但未形成系統(tǒng)理論。隨著近年來高壓水射流破煤工藝的發(fā)展，噴嘴結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)[8-11]，射流形態(tài)由連續(xù)穩(wěn)定射流轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)射流和脈沖射流[6,12]，射流的介質(zhì)也由純水轉(zhuǎn)變?yōu)椤皻?液”和“氣-固”兩相流[13-15]?，F(xiàn)有破煤理論已無法繼續(xù)指導(dǎo)裝備制造和工程應(yīng)用，因此需要對(duì)目前的研究成果進(jìn)行梳理和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合未來發(fā)展趨勢進(jìn)一步研究高壓水射流破煤機(jī)理。

1 高壓水射流結(jié)構(gòu)特性

1.1 高壓水射流的紊流特性

高壓水射流問題屬于紊動(dòng)沖擊射流問題，射流介質(zhì)為純水。在10～60 MPa 壓力范圍內(nèi)，可將水看成不可壓縮的流體[16]，密度為998 kg/m3，黏性以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下動(dòng)力黏度來衡量[17-18]。

不可壓縮黏性流體連續(xù)性方程張量形式如下[19]：

式中：ρ 為流體密度，kg/m3；t 為時(shí)間，s；ui為流速，m/s，下標(biāo)遵循愛因斯坦求和約定；xi為x 方向上第i 個(gè)分量。

將ui=uˉi+ui′代入式（1），uˉi為第i 個(gè)分量的時(shí)均流速，m/s；ui′為脈動(dòng)速度，m/s，得到紊流時(shí)均連續(xù)性方程：

紊流時(shí)均運(yùn)動(dòng)方程為：

1.2 水射流結(jié)構(gòu)形態(tài)

1.2.1 紊動(dòng)自由水射流結(jié)構(gòu)形態(tài)

在Taylor 等研究基礎(chǔ)上，日本學(xué)者于1974 年首先用幾何圖形描述了水射流的結(jié)構(gòu)特征，經(jīng)后人驗(yàn)證和改進(jìn)，得到目前公認(rèn)的非淹沒水射流結(jié)構(gòu)。紊動(dòng)自由水射流結(jié)構(gòu)圖如圖1[19]。

圖1 紊動(dòng)自由水射流結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of turbulent free water jet

水射流幾何結(jié)構(gòu)被分為初始段、轉(zhuǎn)折段、基本段、消散段。①初始段：由噴嘴出口至等速核末端斷面之間區(qū)域，初始段核心區(qū)各點(diǎn)的速度大小、方向均等于噴嘴出口的速度；②轉(zhuǎn)折段：從等速核消失的斷面到轉(zhuǎn)折斷面之間區(qū)域，該區(qū)域流動(dòng)極其復(fù)雜，射流計(jì)算中通常忽略；③基本段和消散段：其區(qū)域內(nèi)射流軸向速度和動(dòng)壓非常低[20]。

在此基礎(chǔ)上國內(nèi)學(xué)者將初始段劃分為緊密段和核心段，將轉(zhuǎn)折段和基本段合并為破裂段[21]。研究認(rèn)為水射流核心段對(duì)沖擊性能起決定性作用[22]，據(jù)統(tǒng)計(jì)射流核心段長度一般是噴嘴直徑的4～9.22 倍，射流擴(kuò)散角一般為26.6°～29.9°[23]。

1.2.2 旋轉(zhuǎn)水射流結(jié)構(gòu)形態(tài)

王偉[12]對(duì)兩噴嘴組合幾種不同轉(zhuǎn)速下的水射流形態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，兩噴嘴組合下不同轉(zhuǎn)速水射流云圖如圖2。

圖2 兩噴嘴組合下不同轉(zhuǎn)速水射流云圖[12]Fig.2 Cloud diagrams of water jet at different speeds with two nozzles

旋轉(zhuǎn)速度為30 r/min 時(shí)，射流僅有少量偏角，基本保持了紊動(dòng)自由水射流結(jié)構(gòu)形態(tài)；旋轉(zhuǎn)速度增加至300 r/min 時(shí)，水射流偏離噴嘴接近90°，此時(shí)水射流軸線不再呈直線，射流前后連續(xù)性變差。

研究發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)速較低時(shí)，僅對(duì)射流轉(zhuǎn)折段和基本段影響明顯，隨著轉(zhuǎn)速的增加，逐漸對(duì)初始段產(chǎn)生了影響。

1.2.3 淹沒水射流結(jié)構(gòu)形態(tài)

根據(jù)水射流沖擊環(huán)境介質(zhì)情況，可分為淹沒水射流和非淹沒水射流。在高壓水射流破煤應(yīng)用中出現(xiàn)屬于同介質(zhì)淹沒射流，一般認(rèn)為這種射流只有基本段，稱為對(duì)稱紊流源。對(duì)稱紊流源如圖3[17]。

圖3 對(duì)稱紊流源Fig.3 Symmetrical turbulence source

常宗旭[24]描繪了雙股圓形淹沒射流的結(jié)構(gòu)形態(tài)，將其分為會(huì)聚區(qū)和聯(lián)合區(qū)。會(huì)聚區(qū)內(nèi)雙股射流互相產(chǎn)生影響，甚至造成某一股射流反向流動(dòng)，研究認(rèn)為其最佳破巖距離為會(huì)聚區(qū)長度。雙股圓形淹沒射流流場如圖4。

圖4 雙股圓形淹沒射流流場Fig.4 Double-strand circular submerged jet flow field

2 煤的力學(xué)特性

研究高壓水射流破煤機(jī)理，建立在對(duì)煤的破壞準(zhǔn)則研究的基礎(chǔ)上[20,25]，同時(shí)需要考慮瓦斯和水等因素對(duì)煤的力學(xué)性質(zhì)的影響。

2.1 煤的破壞準(zhǔn)則

煤樣的破壞屬于多重剪切破壞[26]，煤樣的強(qiáng)度應(yīng)用抗剪強(qiáng)度來表示[27-28]：

式中：R 為試樣的抗剪強(qiáng)度，MPa；σz為破裂面上的正壓力，MPa；φ 為內(nèi)摩擦角；C 為黏聚力，MPa。

由式（4）可知：煤的強(qiáng)度與黏聚力C 和內(nèi)摩擦角φ 有關(guān)。煤樣受到的剪應(yīng)力克服內(nèi)摩擦力后，剩余剪應(yīng)力大于煤樣黏聚力時(shí)，煤樣將會(huì)破裂[26]。

此外，圍壓對(duì)煤的力學(xué)特性具有顯著影響[13]，煤樣峰值強(qiáng)度隨圍壓增加而增加[26,29]。

2.2 瓦斯對(duì)煤力學(xué)特性的影響

瓦斯是成煤過程的伴生物，根據(jù)周世寧院士的相關(guān)研究成果，含瓦斯煤的力學(xué)特性包括煤的變形特性和力學(xué)特性[30]。

煤體吸附瓦斯變形量經(jīng)驗(yàn)公式如下[30]：

式中：S 為煤體吸附瓦斯后的膨脹比，‰；aˉ為吸附變形常數(shù)，表示瓦斯達(dá)到極限吸附量時(shí)煤體的變形量，MPa；bˉ為吸附變形常數(shù)，MPa-1；p 為煤體瓦斯壓力，MPa。

當(dāng)煤體內(nèi)瓦斯發(fā)生解吸，瓦斯壓力下降，煤體將發(fā)生收縮變形，但會(huì)保留一定量的殘余變形。

含瓦斯煤體所受的應(yīng)力可表示為[30]：

式中：σ 為含瓦斯煤體所受應(yīng)力；σr為地應(yīng)力；σc為由瓦斯引起的附加應(yīng)力。

梁冰等[28]通過實(shí)驗(yàn)的方法得到煤體的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和彈性模量都隨著孔隙瓦斯壓力的增加而降低，煤體的脆性度卻隨著瓦斯壓力的增加而顯著升高。

2.3 水對(duì)煤力學(xué)特性的影響

當(dāng)水射流接觸煤體表面時(shí)，首先進(jìn)入煤體中連通的大孔中，之后滲入小孔和微孔[31]。水進(jìn)入孔隙裂隙中后，潤濕煤塊自由面上的每個(gè)顆粒，水分子的侵入導(dǎo)致顆粒間的聯(lián)系削弱[32-33]，同時(shí)煤中黏土質(zhì)礦物遇水會(huì)發(fā)生軟化和泥化，煤骨架的結(jié)構(gòu)力將會(huì)降低[34]，進(jìn)入孔隙中的水分越多，削弱程度越強(qiáng)[35]。

通常用吸水率ωa來表征煤巖的吸水性，吸水率越大表明煤巖的力學(xué)性質(zhì)越差[36]，煤層的潤濕性[37]對(duì)吸水性也有一定影響。

通過對(duì)不同煤巖試樣飽水前后單軸抗壓強(qiáng)度和剪切參數(shù)的測試，驗(yàn)證了水對(duì)煤體強(qiáng)度的軟化作用[34,38]，得到巖樣浸水弱化程度比煤樣更大[36]。

2.4 煤層不同節(jié)理面力學(xué)特性

煤是一種沉積巖，在力學(xué)上可將其看作橫觀各向同性巖體[39]。在對(duì)煤的抗壓強(qiáng)度測試中發(fā)現(xiàn)，垂直層理煤樣的抗壓強(qiáng)度是平行層理的2 倍左右[36]。因此水射流與層理面夾角的變化，將產(chǎn)生不同的破煤效果[40]。

孫清德等[15]采用Hoffman 準(zhǔn)則作為判斷巖石破碎的條件，通過數(shù)值模擬方法得到入射角在35°～40°之間時(shí)破巖效率最高。黃飛等[23]采用橫觀各向同性良好的砂巖進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，沖擊后的宏觀現(xiàn)象與理論分析結(jié)果基本一致。

3 高壓水射流破煤機(jī)理

高壓水射流破煤過程可劃分為不同的階段，每個(gè)階段可能存在1 種或多種破壞形式[41]，高壓水射流破煤機(jī)理主要從水射流沖擊特性和煤體破壞準(zhǔn)則2 方面開展研究。

3.1 高壓水射流破煤過程研究進(jìn)展

眾多學(xué)者對(duì)高壓水射流破煤過程進(jìn)行了劃分，常宗旭[24]將破煤過程劃分為裂隙產(chǎn)生和裂隙發(fā)育2個(gè)階段，同時(shí)考慮了水對(duì)煤體的軟化作用和煤體自身孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)水射流破煤的影響，基于煤體的非均質(zhì)性提出高強(qiáng)度單元失效準(zhǔn)則。梁運(yùn)培[20]將破煤過程劃分為沖擊動(dòng)載作用和準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用2 個(gè)階段，并考慮到淹沒條件對(duì)水射流破煤效果的影響。王新新[40]將破煤過程劃分為煤體失效破裂和裂隙發(fā)育射流侵蝕2 個(gè)階段。司鵠等[42]研究表明水射流破巖過程所用時(shí)間為毫秒量級(jí)，破煤過程更短。穆朝民等[43]通過數(shù)值模擬的方法研究了水射流沖擊下煤體損傷演化規(guī)律，提出高壓水射流對(duì)煤體的損傷呈階梯式發(fā)展。王偉[12]根據(jù)水射流沖擊作用，將破煤過程劃分為應(yīng)力波破煤、滯止應(yīng)力破煤和裂紋擴(kuò)展3個(gè)階段；根據(jù)煤體損傷情況，將破煤過程劃分為凹面、圓錐坑體和圓柱坑體3 個(gè)階段。曹佐勇等[44]應(yīng)用電磁輻射技術(shù)監(jiān)測水力沖孔過程，根據(jù)電磁輻射信號(hào)的強(qiáng)弱將破煤過程劃分為微破裂、穩(wěn)定破碎及異常破碎3 個(gè)階段。

以上各種分類方法依據(jù)不同，大致可分為水射流沖擊作用和煤體損傷演化2 種，其中梁運(yùn)培的觀點(diǎn)被普遍認(rèn)同。在此基礎(chǔ)上從水射流沖擊特性的研究入手，結(jié)合破煤效果影響因素，針對(duì)高壓水射流連續(xù)垂直沖擊煤體的情況，對(duì)各階段高壓水射流破煤機(jī)理進(jìn)行研究。

3.2 高壓水射流破煤過程劃分

3.2.1 水射流與煤體相互作用過程

高壓水射流破煤過程，可簡化為紊動(dòng)射流對(duì)固體壁面的沖擊過程，水射流的結(jié)構(gòu)在該過程中發(fā)生改變，稱為紊動(dòng)沖擊射流形態(tài)。

研究表明，紊動(dòng)沖擊射流的幾何結(jié)構(gòu)可分為：自由射流區(qū)（Ⅰ區(qū)）、沖擊區(qū)（Ⅱ區(qū)）和壁面射流區(qū)（Ⅲ區(qū)）[20]，紊動(dòng)沖擊射流結(jié)構(gòu)圖如圖5。

圖5 紊動(dòng)沖擊射流結(jié)構(gòu)圖[40]Fig.5 Turbulence impact jet structure diagram

噴嘴射出的高速水流在微觀上可以看成無數(shù)個(gè)水滴，為方便研究，將水滴形狀簡化為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。圓柱形液滴垂直沖擊煤體表面過程，根據(jù)時(shí)間層次將碰撞后分為3 個(gè)階段：無橫流階段、穩(wěn)定流動(dòng)階段及卸載階段[20]。圓柱形液滴與固體壁面碰撞過程如圖6。

圖6 圓柱形液滴與固體壁面碰撞過程Fig.6 Cylindrical droplet collides with a solid wall

3.2.2 射流打擊力

假設(shè)水射流作用于物體表面后，以相同速度反射，根據(jù)動(dòng)量守恒定理，射流對(duì)物體表面的總打擊力可表示為[1]：

式中：F 為射流打擊力，N；q 為射流流量，L/s；v為射流速度，m/s；β 為水射流反射后與入射方向夾角。

隨著煤體表面不斷破壞，水射流沖擊壁面后的折轉(zhuǎn)程度發(fā)生改變，射流總打擊力也將發(fā)生改變。垂直射流沖擊煤體表面后反射情況如圖7[24，45]。

圖7 垂直射流沖擊煤體表面后反射情況Fig.7 Reflection of vertical jet impinging on coal surface

水射流沖擊巖石的過程可劃分為水錘壓力階段和滯止壓力階段，對(duì)于剛性固體壁面，由動(dòng)量守恒定理推得水錘壓力為[12]：

式中：pwh為水錘壓力，Pa；ρw為水的密度，kg/m3；cw為沖擊波在水中的傳播速度，m/s。

水錘壓力持續(xù)時(shí)間可表示為：

式中：tr為水錘壓力的持續(xù)時(shí)間，s；r 為射流半徑，m。

隨著水錘壓力消失，進(jìn)入滯止壓力階段，滯止壓力可表示為：

式中：ps為伯努利滯止壓力，Pa。

綜上，通過分析水滴撞擊煤體的作用過程，將高壓水射流破煤過程劃分為沖擊動(dòng)載作用和準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用2 個(gè)階段，其中沖擊動(dòng)載作用階段根據(jù)時(shí)間層次又可劃分為無橫流、穩(wěn)定流動(dòng)及卸載階段，準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用階段同時(shí)存在滯止壓力破煤作用和裂紋擴(kuò)展破煤作用。

3.3 沖擊動(dòng)載作用階段破煤機(jī)理

3.3.1 無橫流階段

高速水滴與煤體接觸瞬間產(chǎn)生載荷，觸發(fā)沖擊波在煤體內(nèi)傳播，產(chǎn)生水錘壓力，當(dāng)水滴對(duì)煤體的打擊力大于煤體破碎門限壓力時(shí)，煤體表面發(fā)生破碎，經(jīng)歷第1 次強(qiáng)卸壓作用，該過程在5 μs 內(nèi)完成[20]。

水錘壓力產(chǎn)生過程如圖8。第Ⅰ～第Ⅲ階段為水錘壓力階段，第Ⅳ階段進(jìn)入滯止壓力階段[23]。

圖8 水錘壓力產(chǎn)生過程示意圖[23]Fig.8 Schematic diagrams of water hammer pressure generation process

經(jīng)過無橫流階段后，水射流沖擊區(qū)域產(chǎn)生破碎坑，煤體在天然裂隙的基礎(chǔ)上形成了新的裂隙，稱為初始裂隙。

3.3.2 穩(wěn)定流動(dòng)階段及卸載階段

1）穩(wěn)定流動(dòng)階段。隨著圓柱形水滴邊緣部分不斷橫流擴(kuò)展，壁面射流區(qū)由壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變，拉應(yīng)力達(dá)到峰值后進(jìn)入穩(wěn)定流動(dòng)階段，該階段煤體破壞準(zhǔn)則服從最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，拉應(yīng)力作用下初始裂隙有了進(jìn)一步擴(kuò)展。

2）卸載階段。隨著圓柱形水滴不斷向外流動(dòng)，在煤體沖擊坑徑向產(chǎn)生拉應(yīng)力，壁面射流區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力，水射流對(duì)煤體的沖擊作用進(jìn)入卸載階段，該階段煤體內(nèi)初始裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，形成基礎(chǔ)裂隙。

3.3.3 破煤機(jī)理

在沖擊動(dòng)載作用階段，煤體受到的應(yīng)力發(fā)生變化，煤體內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力波，煤體表面產(chǎn)生了瑞利波。應(yīng)力波在煤體中沖撞反射，破壞了煤體本身的分子結(jié)構(gòu)[12,40,46]。水射流沖擊初期沖擊波示意圖如圖9[47]。

圖9 水射流沖擊初期沖擊波示意圖[47]Fig.9 Schematic diagram of initial shock wave of water jet impact

通過剖析高壓水射流破碎的煤樣，在其內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了3 類細(xì)觀裂紋，驗(yàn)證了高壓水射流沖擊下煤體內(nèi)部應(yīng)力波的存在[45]。水射流沖擊作用下煤樣內(nèi)外不同裂紋形狀如圖10。

圖10 水射流沖擊作用下煤樣內(nèi)外不同裂紋形狀Fig.10 Different crack shapes inside and outside coal samples under water jet impact

沖擊動(dòng)載作用階段同時(shí)伴隨著氣蝕破煤作用。由于高壓水射流中往往含有氣泡，該部分氣泡被壓縮后儲(chǔ)存了巨大能量，當(dāng)高壓水射流沖擊煤體瞬間內(nèi)部氣泡迅速膨脹，破裂時(shí)產(chǎn)生高達(dá)680～6 800 MPa 的沖擊力[24]，在煤體表面形成沖擊坑[40]，稱為氣蝕破煤理論，該理論從微觀層面上很好的解釋了水射流破煤機(jī)理[12]。

綜上，沖擊動(dòng)載作用階段內(nèi)，應(yīng)力波破煤作用為主，氣蝕破煤起到促進(jìn)作用。但由于應(yīng)力波作用時(shí)間非常短，無法解釋水射流破煤過程中大面積煤體沖蝕破碎的現(xiàn)象。同時(shí)在對(duì)彈塑性較好的松軟煤體和中低速水射流破煤機(jī)理的分析中，應(yīng)力波破煤理論存在不足。

3.4 準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用階段破煤機(jī)理

3.4.1 滯止壓力破煤作用

經(jīng)過沖擊動(dòng)載作用階段后，高壓水射流對(duì)煤體的沖擊作用可以看作為準(zhǔn)靜態(tài)的集中力，其大小等于滯止壓力，被沖擊的煤體可以看作為半無限彈性體。因此，基于彈性強(qiáng)度理論和煤的力學(xué)性質(zhì)建立煤體失效準(zhǔn)則。當(dāng)作用在煤體上的準(zhǔn)靜態(tài)集中力超過該準(zhǔn)則時(shí)，煤體發(fā)生失效破壞，即準(zhǔn)靜態(tài)彈性破煤理論[48]。

其中最具有代表性的是“密實(shí)核-劈拉”破煤理論[17]，該理論認(rèn)為，煤體在滯止壓力的持續(xù)作用下產(chǎn)生密實(shí)核，隨著密實(shí)核膨脹對(duì)周圍煤體產(chǎn)生切向拉應(yīng)力，促進(jìn)了基礎(chǔ)裂隙擴(kuò)展，甚至產(chǎn)生新的裂隙，密實(shí)核也在膨脹過程中消失?！懊軐?shí)核-劈拉”破煤機(jī)理模型如圖11。

圖11 “密實(shí)核-劈拉”破煤機(jī)理模型[12]Fig.11 Coal breaking mechanism model of“dense core - split pull”

3.4.2 裂紋擴(kuò)展破煤作用

隨煤體破碎，水射流沖擊煤體靶距增加，滯止壓力逐漸降低，同時(shí)破碎坑底部聚積的水減緩了射流沖擊力，進(jìn)入煤體孔裂隙內(nèi)部的高壓水，促使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段，普遍認(rèn)為該階段內(nèi)“拉伸-水楔”[12,40]破煤發(fā)揮主要作用，“拉伸-水楔”作用破煤模型如圖12。

圖12 “拉伸-水楔”作用破煤模型[12]Fig.12 Model of coal breaking by“extension-water wedge”action

“拉伸-水楔”破煤理論認(rèn)為，進(jìn)入裂隙內(nèi)的水促使煤體內(nèi)部裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，同時(shí)削弱了煤體的強(qiáng)度，對(duì)于灰分較大和松軟煤體效果更明顯。

當(dāng)水射流沖擊煤體產(chǎn)生的破碎坑達(dá)到一定深度，滯止壓力低于破煤門限壓力，坑體深度不再增加。

綜上，滯止壓力破煤作用和裂紋擴(kuò)展破煤作用同時(shí)存在于準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用階段，并且相互影響。準(zhǔn)靜態(tài)彈性破煤理論考慮了煤體強(qiáng)度等自身性能對(duì)水射流破煤的影響，闡述了水射流破煤過程中的能量變化，但該理論中忽略了射流沖擊動(dòng)載影響，在描述高壓水射流動(dòng)態(tài)破煤過程中存在誤差。

3.5 其它破煤理論

3.5.1 高壓水射流破煤門限壓力

第1 門限壓力被稱為臨界破煤壓力，第2 門限壓力被稱為最佳破煤壓力，其大小與煤的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

當(dāng)射流壓力未達(dá)到第1 門限壓力時(shí)，只能引起煤體表面變形；當(dāng)射流壓力超過第1 門限壓力時(shí)，表現(xiàn)為煤體的沖蝕破碎；當(dāng)射流壓力超過第2 門限壓力時(shí)，表現(xiàn)為錘沖破碎[15]。

A M Hypabcknh 依據(jù)“密實(shí)核-劈拉”破煤理論，對(duì)水射流破煤門限壓力給出定量分析，滿足式（11）時(shí)煤體發(fā)生破碎[49]：

式中：p0為射流沖擊壓力，MPa；μ 為泊松比；τs為煤體抗剪強(qiáng)度，MPa。

巖石損傷破碎體積為：

式中：V 為巖石損傷破碎體積，m3；r′為沖擊區(qū)域半徑，m。

3.5.2 高強(qiáng)度單元失效準(zhǔn)則

基于愈滲理論分析得知，水射流沖擊煤體時(shí)，煤體內(nèi)強(qiáng)度較低的微元直接發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂隙；高強(qiáng)度微元以剝離的方式脫離煤體，被破壞單元超過一定比例后，導(dǎo)致煤體破碎和失效[24-25]。

煤體微元強(qiáng)度分布服從Weibull 分布，煤體單元抗壓強(qiáng)度分布函數(shù)f（Rc）可表示為：

式中：Rc為單元抗壓強(qiáng)度，MPa；m 為煤體非均質(zhì)參數(shù)；RC0為煤體單元的平均抗壓強(qiáng)度，MPa。

4 研究展望

1）完善水射流破煤機(jī)理。應(yīng)力波破煤理論僅適用于沖擊動(dòng)載作用階段，“密實(shí)核-劈拉”破煤理論僅適用于準(zhǔn)靜態(tài)彈性作用階段，氣蝕破煤作用和裂紋擴(kuò)展破煤作用貫穿全過程，但只起到促進(jìn)作用，高強(qiáng)度單元失效準(zhǔn)則應(yīng)用難度大。同時(shí)，當(dāng)前破煤理論未充分考慮射流速度、射流尺寸、靶距、沖擊時(shí)間、入射角度等因素對(duì)水射流破煤效果的影響，以及水、瓦斯和圍壓對(duì)破煤門限壓力的影響。由于水射流破煤動(dòng)態(tài)過程中涉及多因素耦合，可以采用數(shù)值模擬的方法研究各階段煤體損傷演化規(guī)律，通過相似物理模擬實(shí)驗(yàn)修正數(shù)值模擬結(jié)果，完善高壓水射流破煤機(jī)理。

2）兩相射流破煤機(jī)理的研究。純水射流在破煤過程中容易出現(xiàn)淹沒射流、排渣難及塌孔的情況，同時(shí)由于水封效果抑制瓦斯解吸，影響抽采效果。針對(duì)以上情況，有學(xué)者提出采用“氣-液”和“氣-固”兩相射流增透措施，試驗(yàn)研究表明，一定條件下兩相射流破煤效果優(yōu)于純水射流。應(yīng)加強(qiáng)兩相射流破煤機(jī)理研究，確定最優(yōu)的含氣率，對(duì)比兩相射流和純水射流的破煤特點(diǎn)，針對(duì)不同物性煤體采取不同增透措施，破煤前期使用純水射流，利用水錘壓力對(duì)煤體造成破壞，破煤后期使用兩相射流，避免出現(xiàn)淹沒射流和塌孔情況。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)加氣單元的研究，使純水射流和兩相射流實(shí)現(xiàn)自由切換和智能控制。

3）新型射流方式破煤機(jī)理的研究。目前水射流結(jié)構(gòu)形態(tài)和破煤機(jī)理的研究對(duì)象主要為單股穩(wěn)定連續(xù)射流，在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)演化出多種新型射流方式，其中具有代表性的有旋轉(zhuǎn)射流、脈沖射流和多股射流。對(duì)于旋轉(zhuǎn)射流，旋轉(zhuǎn)速度過快使得有效破煤距離變短，降低破煤效率；旋轉(zhuǎn)速度過慢，增加成本同時(shí)減弱應(yīng)力波破煤作用。對(duì)于脈沖射流，沖擊時(shí)間過短時(shí)產(chǎn)生的裂紋來不及傳播；沖擊時(shí)間過長時(shí)增加了破碎能耗。新型射流參數(shù)選擇主要依靠經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致產(chǎn)生的誤差較大，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)新型射流方式破煤機(jī)理的研究。

5 結(jié) 語

1）高壓水射流問題屬于紊動(dòng)沖擊射流問題，對(duì)射流結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究包括紊動(dòng)自由射流結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)射流結(jié)構(gòu)、淹沒射流結(jié)構(gòu)和雙股射流結(jié)構(gòu)。非淹沒射流主要研究核心段長度和擴(kuò)散規(guī)律，淹沒射流主要研究基本段長度，雙股射流主要研究會(huì)聚區(qū)長度。

2）煤是一種具有孔隙-裂隙雙重系統(tǒng)的復(fù)雜多孔介質(zhì)，煤的強(qiáng)度用抗剪強(qiáng)度來表示?？紫短匦院屯咚箤?duì)煤的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，水對(duì)煤體具有軟化作用，不同煤種遇水軟化效果存在差異，垂直層理方向上煤體強(qiáng)度大于平行層理方向。

3）高壓水射流破煤機(jī)理主要有應(yīng)力波破煤理論、準(zhǔn)靜態(tài)彈性破煤理論、氣蝕破煤理論和裂紋擴(kuò)展破煤理論，根據(jù)水射流沖擊特性將破煤過程劃分為沖擊動(dòng)載作用階段和準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用階段，詳細(xì)描述了各階段水射流破煤機(jī)理，對(duì)各種破煤理論的適用性和局限性進(jìn)行了分析。

4）下一階段應(yīng)從完善水射流破煤機(jī)理，兩相射流破煤機(jī)理和新型射流方式破煤機(jī)理3 個(gè)方向開展研究。