鉆孔水射流沖擊煤巖損傷特性模擬研究

張少奇，高亞斌，曹 敬，韓培壯，鄭 豪，任 杰

（太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西太原 030024）

煤炭作為我國(guó)的重要能源，在2021 年的消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的56%。據(jù)中國(guó)工程院預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，我國(guó)在未來(lái)30 年內(nèi)，煤炭能源消費(fèi)比例依舊保持在50%左右[1]。目前我國(guó)53%左右的煤層儲(chǔ)存在1 000 m以下，煤層開(kāi)采深度逐年遞增[2]。隨著開(kāi)采深度增加，煤層賦存更加復(fù)雜，高瓦斯壓力、高地應(yīng)力和低滲透率的狀況愈發(fā)凸顯，煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)增大，瓦斯災(zāi)害成為目前制約深部煤層開(kāi)采的主要問(wèn)題[3]。如何有效增加高瓦斯低滲透煤層的透氣性，提高煤層瓦斯抽采率成為解決深部煤層瓦斯災(zāi)害的關(guān)鍵問(wèn)題。

水射流技術(shù)借助其良好的卸壓增透效果和改善煤層內(nèi)部瓦斯壓力等優(yōu)勢(shì)成為眾多增加煤層透氣性、消除煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)的主要方式之一[4]。采用高壓水射流沖擊煤層鉆孔時(shí)，由于水射流的沖擊作用，使煤層周圍孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，煤層內(nèi)部原生裂隙及次生裂隙在水射流沖擊動(dòng)靜載荷的復(fù)合作用下得到發(fā)展。在水射流沖擊鉆孔煤層形成大直徑孔洞過(guò)程中，由于應(yīng)力場(chǎng)的變化，煤層內(nèi)部的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，鉆孔周圍煤體儲(chǔ)存的應(yīng)力能被釋放，周圍煤體發(fā)生損傷破壞，形成更大的損傷半徑，從而達(dá)到改善煤層透氣性，提高煤層滲透率的目的。

近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)水射流沖擊煤巖體過(guò)程進(jìn)行了研究。穆朝民等[5]通過(guò)理論研究將水射流沖擊作用下煤體的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)分為破碎區(qū)、裂紋區(qū)、彈性區(qū)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M研究得出高壓水射流在沖擊煤體時(shí)存在1 個(gè)臨界破煤壓力；黃飛等[6]基于流體動(dòng)力學(xué)與彈性力學(xué)理論研究表明水錘壓力導(dǎo)致巖石產(chǎn)生沖擊破碎坑, 滯止壓力誘發(fā)巖石內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展；薛永志[7]通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M研究提出水射流沖擊煤巖損傷破壞是剪應(yīng)力和主應(yīng)力共同作用的結(jié)果；潘越等[8]通過(guò)對(duì)脈沖射流模擬研究發(fā)現(xiàn)射流速度、脈沖長(zhǎng)度、脈沖間距及煤巖圍壓對(duì)煤巖沖蝕深度及速度具有重要影響；張路路等[9]通過(guò)對(duì)磨料空氣射流破煤深度進(jìn)行研究表明圍壓條件下射流破煤巖深度受到抑制作用；常宗旭等[10]研究表明煤巖體在水射流沖擊作用下首先在弱面發(fā)生破壞而產(chǎn)生裂隙，并在水楔作用使裂隙得到擴(kuò)展；劉佳亮等[11]通過(guò)試驗(yàn)研究揭示了水力沖擊下混凝土的致裂機(jī)理及裂紋擴(kuò)展規(guī)律；林柏泉等[12]通過(guò)對(duì)高壓氣液兩相射流破煤巖特性進(jìn)行研究表明煤巖破碎是液相射流沖擊激發(fā)起裂與氣相多級(jí)潰滅交替作用的結(jié)果。上述學(xué)者針對(duì)高壓水射流沖擊破煤巖機(jī)理及破煤巖影響因素展開(kāi)相關(guān)研究，并具有一定的指導(dǎo)意義。然而，前人研究主要集中水射流沖擊平面煤巖，而井下水射流增透技術(shù)通常被應(yīng)用于煤層鉆孔環(huán)境，且鉆孔特殊的構(gòu)造在研究水射流破煤巖過(guò)程中是不容忽略的，水射流在沖擊平面與鉆孔形成的損傷破壞范圍和內(nèi)部裂隙擴(kuò)展形式上存在明顯差異，目前針對(duì)鉆孔內(nèi)部水射流沖擊破煤巖特性及影響因素研究尚不清楚，鉆孔周圍煤體的損傷破壞演化過(guò)程缺乏合理解釋。因此，利用數(shù)值模擬方法研究在鉆孔條件下不同射流速度、不同圍壓、不同射流直徑及不同鉆孔直徑對(duì)煤巖體內(nèi)部的損傷破壞和裂隙擴(kuò)展情況影響，以期為井下水力化增透作業(yè)的優(yōu)化改進(jìn)提供指導(dǎo)。

1 模型介紹

采用LS-DYNA 顯式動(dòng)力學(xué)有限元軟件進(jìn)行水射流沖擊鉆孔過(guò)程的模擬。SPH 方法是1 種基于差分理論的無(wú)網(wǎng)格方法，可以避免水射流在沖擊過(guò)程中發(fā)生大變形而導(dǎo)致計(jì)算終止問(wèn)題。因此，對(duì)水射流采用SPH 算法進(jìn)行模擬計(jì)算。

1.1 SPH 理論

SPH 法是1 種無(wú)網(wǎng)格粒子算法，其粒子單元是離散化的，其定義域Ω 內(nèi)一質(zhì)點(diǎn)的函數(shù)值通過(guò)光滑核函數(shù)W（x-x′，h）近似表示為：

式中：f（x）為坐標(biāo)x 的近似函數(shù)；x-x′為粒子間距；h 為粒子光滑長(zhǎng)度。

用粒子近似方法對(duì)式（1）進(jìn)行離散化處理可得到離散化粒子近似式：

式中：mj為SPH 粒子j 的質(zhì)量，j=1，2，…，N；N為光滑長(zhǎng)度范圍內(nèi)的粒子數(shù)；pj為粒子j 的密度。

式（2）表明在離散粒子在某處的任意場(chǎng)變量值可以通過(guò)應(yīng)用光滑函數(shù)在其支持域內(nèi)所有粒子相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)變量值進(jìn)行加權(quán)平均取得。

1.2 水射流模型

采用Gruneisen 狀態(tài)方程，其水射流沖擊過(guò)程中壓力p 的表達(dá)式為：

式中：ρ0為水的初始密度，g/cm3；v 為聲速，m/s；θ 為體積應(yīng)變；γ0為Gruneisen 系數(shù)；A 為γ0的一階體積校正量；S1、S2、S3為S1相關(guān)材料的材料常數(shù)；En為初始內(nèi)能。

水射流模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水射流模型參數(shù)Table 1 Water jet model parameters

1.3 煤巖損傷模型

基于煤層材料特性，選用HJC 本構(gòu)模型，本模型可用于動(dòng)態(tài)表征材料在大應(yīng)變、高應(yīng)變率、高壓條件下的損傷破壞情況。因此，常用來(lái)表征混凝土、巖石等脆性材料在外部載荷下的力學(xué)作用。其中數(shù)值模擬過(guò)程中所用到的煤巖基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)為實(shí)驗(yàn)室測(cè)得，部分模型參數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)［13-14］確定。煤巖材料屈服面方程為：

式中：σ*為無(wú)量綱等效應(yīng)力；p*為無(wú)量綱靜水壓力；ε*為等效應(yīng)變率；A、B、C、N 為材料自身的強(qiáng)度參數(shù)；D 為材料的累計(jì)損傷度，取值0～1。

本材料模型的損傷度通常用等效塑性應(yīng)變和塑形體積應(yīng)變表征，其損傷演化方程為：

式中：△εp為等效塑性應(yīng)變?cè)隽?；△μp為塑性體積應(yīng)變?cè)隽?；T*為標(biāo)準(zhǔn)化最大靜水拉力；D1、D2為損傷常數(shù)。

煤的材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 煤的材料參數(shù)Table 2 Material parameters of coal

1.4 幾何模型

本次建立水射流沖擊煤巖鉆孔1/4 模型，水射流沖擊煤巖體三維模型如圖1。

水射流的直徑和長(zhǎng)度分別為Dimm 和50 mm；對(duì)射流粒子采用對(duì)稱面約束。煤巖體模型長(zhǎng)度為15 mm，寬度為15 mm，高度為20 mm。鉆孔直徑為Djmm。對(duì)煤巖體采用全局對(duì)稱約束，對(duì)其底部和側(cè)面采用透射邊界，對(duì)四周側(cè)面分別添加不同大小圍壓。水射流與煤巖體之間的接觸采用侵蝕接觸類型，失效類型采用塑性應(yīng)變失效準(zhǔn)則，以此為基礎(chǔ)研究不同條件下水射流沖擊煤層鉆孔損傷特性研究。

2 不同條件下鉆孔損傷特性

2.1 模型驗(yàn)證

為確保數(shù)值模擬結(jié)果可靠性，在相似條件下進(jìn)行1 組水射流沖擊煤樣試驗(yàn)。

1）試驗(yàn)煤樣。試驗(yàn)煤樣為型煤，主要由煤粉、水泥、石膏按照一定比例配比而成，煤樣尺寸為150 mm×150 mm×100 mm，試驗(yàn)測(cè)得煤樣基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，后續(xù)模擬所需煤巖基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)均采用本次試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果。

2）試驗(yàn)過(guò)程。采用自主研發(fā)的發(fā)水射流破煤巖系統(tǒng)進(jìn)行水射流沖擊煤巖試驗(yàn)，系統(tǒng)中噴頭直徑為2 mm，水射流速度控制為300 m/s，沖擊時(shí)間為15 s。

3）試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)煤巖在水射流沖擊下的損傷破壞結(jié)果如圖2。同時(shí)，進(jìn)行相似條件下鉆孔水射流沖擊煤巖數(shù)值模擬，考慮到模擬計(jì)算精度及計(jì)算效率，在數(shù)值模擬中對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽邕M(jìn)行等比例縮放，其余條件與試驗(yàn)條件保持一致，模擬結(jié)果如圖2（c）和2（d）。

從圖2 中試驗(yàn)與模擬對(duì)比結(jié)果可以看出，煤巖沖擊坑形態(tài)相似，即數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果具有相似性。由此說(shuō)明，本模擬可用于開(kāi)展鉆孔水射流沖擊煤巖的損傷破壞研究。

2.2 水射流沖擊下鉆孔損傷演化形態(tài)

水射流的破煤巖過(guò)程實(shí)質(zhì)是高速狀態(tài)的水射流與靜態(tài)煤巖相互作用的過(guò)程，是水射流的沖擊載荷和準(zhǔn)靜態(tài)載荷共同作用的結(jié)果[15]。

鉆孔水射流沖擊煤巖損傷破壞過(guò)程如圖3，在高速水射流接觸煤巖初期, 煤巖體受沖擊載荷影響不斷發(fā)生變形，在拉壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力共同作用下發(fā)生破壞，從而在煤巖表面形成一定范圍沖擊坑。在射流壓力的持續(xù)作用下沖擊坑不斷向深部發(fā)展。

在高速水射流豎直沖擊靜態(tài)煤巖體時(shí)，由于兩者相對(duì)速度差異，導(dǎo)致沖擊過(guò)程中水射流在煤巖體接觸表面形成具有一定速度的反射流，反射流沿射流中心向上向外發(fā)散，對(duì)入射流形成一定影響。同時(shí)向外發(fā)散的反射流不斷沖擊坑壁，對(duì)坑壁形成切削作用促進(jìn)煤巖損傷區(qū)域進(jìn)一步向兩側(cè)發(fā)展。在入射流與反射流的相互作用下最終在煤巖中形成塔形的損傷破壞區(qū)。

2.3 水射流速度對(duì)鉆孔損傷影響

水射流速度是決定射流沖擊載荷的重要因素，而沖擊載荷同時(shí)又影響煤層損傷破壞情況。為此，進(jìn)行了不同射流速度沖擊煤層鉆孔的模擬研究。分別利用100、200、300、400 m/s 射流速度沖擊煤巖，不同射流速度沖擊下煤巖損傷情況如圖4。

從圖4 可以看出，煤巖損傷深度受射流速度影響顯著，隨射流速度增加，沖擊深度顯著提升。同時(shí)，煤巖破壞存在最小水射流速度閾值，100 m/s 的水射流僅對(duì)煤巖接觸表面產(chǎn)生小范圍損傷而未能破壞煤巖體。

為進(jìn)一步探究射流速度對(duì)鉆孔損傷破壞過(guò)程影響，針對(duì)不同射流速度下煤巖損傷情況提取沖擊深度隨時(shí)間演化時(shí)序圖，不同射速下的沖擊深度演化如圖5。

從圖5 可以看出，在較大射流沖擊速度下，煤巖在射流接觸瞬間發(fā)生破壞，而在較小射流速度下，煤巖在射流沖擊一段時(shí)間后才開(kāi)始破壞，煤巖破碎效率較低。煤巖鉆孔在400 m/s 的射流沖擊下形成的沖擊坑深度達(dá)10.207 mm，約為200 m/s 水射流沖擊深度10 倍。因此，適當(dāng)提升水射流初始速度能夠大幅提升破煤效率。考慮到實(shí)際井下作業(yè)環(huán)境及各項(xiàng)成本，300 m/s 射流速度可作為井下作業(yè)參考速度。

水射流破煤巖過(guò)程是沖擊動(dòng)載荷和準(zhǔn)靜態(tài)靜載共同作用的結(jié)果[16]。當(dāng)射流沖擊速度較大時(shí)，水射流所形成沖擊動(dòng)載荷較大，此時(shí)，水射流沖擊動(dòng)載在煤巖損傷破壞過(guò)程中占據(jù)主要優(yōu)勢(shì)。從而在較高的射流沖擊鉆孔時(shí)能夠迅速突破煤巖體強(qiáng)度極限，在煤層表面形成沖擊坑，并且在準(zhǔn)靜態(tài)載荷聯(lián)合作用下沖擊坑不斷向兩側(cè)和深部發(fā)展。同時(shí)，較高的射流速度在沖擊煤層內(nèi)部時(shí)造成的沖擊應(yīng)力大于煤巖體裂紋擴(kuò)展的閾值，使得裂紋快速發(fā)展，從而加快了煤巖體的破壞速度。

當(dāng)水射流速度較小時(shí)，水射流的沖擊動(dòng)載荷較小，從而對(duì)煤巖體形成的損傷較小，不足以在短時(shí)間內(nèi)破壞煤體。此時(shí)，煤巖體的損傷破壞依賴于射流沖擊載荷與準(zhǔn)靜態(tài)載荷的聯(lián)合作用。因此，200 m/s的射流速度沖擊鉆孔煤巖時(shí)，在射流沖擊前30 μs時(shí)煤體并未發(fā)生破壞，隨著射流沖擊持續(xù)進(jìn)行，射流沖擊動(dòng)載和靜載的疊加作用增強(qiáng)，使得煤巖體內(nèi)部的損傷得到發(fā)展，從而使煤巖體發(fā)生破壞，但煤巖破壞速度遠(yuǎn)小于較高射流速度沖擊下的煤巖。因此，在較低射流速度沖擊下，煤巖形成的沖擊坑深度較淺。隨著射流速度增加，沖擊坑深度增加。

2.4 圍壓對(duì)鉆孔損傷影響

由于水射流技術(shù)常被應(yīng)用于井下鉆孔的擴(kuò)孔割縫等方面，而井下煤層環(huán)境處于一定圍壓狀態(tài)，為了更好模擬井下鉆孔煤層實(shí)際情況，分別進(jìn)行了不同圍壓狀態(tài)下射流沖擊鉆孔煤巖的研究。采用300 m/s 射流速度分別沖擊0、5、10、15 MPa 圍壓下的鉆孔煤巖，不同圍壓下煤巖損傷情況如圖6。不同圍壓下的沖擊深度演化如圖7。

從圖6 中可以明顯看出，圍壓對(duì)煤巖鉆孔在水射流沖擊下沿深部擴(kuò)展存在顯著抑制作用，隨著圍壓增加，沖擊深度明顯減小。

從圖7 中看出，無(wú)圍壓狀態(tài)下射流沖擊深度為5.405 mm，隨著圍壓持續(xù)增加，水射流沖擊深度減小趨勢(shì)放緩，最終在15 MPa 圍壓下水射流沖擊深度為2.104 mm，相較于10 MPa 圍壓下沖擊深度變化不明顯。

相關(guān)研究[17-21]表明，圍壓能夠增加煤體的峰值強(qiáng)度,提高煤巖抵抗破壞能力，且在圍壓較小時(shí)，煤巖的強(qiáng)度增加更為明顯，而隨圍壓的不斷增加，煤巖強(qiáng)度的增加趨于平緩。因此，在圍壓狀態(tài)下煤巖沖擊坑深度相對(duì)減小。同時(shí)，煤巖鉆孔沖擊深度遞減趨勢(shì)隨圍壓增加而減小。

為進(jìn)一步探究圍壓對(duì)水射流沖擊作用下煤巖的應(yīng)力狀態(tài)的影響，分別對(duì)不同圍壓下的煤巖在射流沖擊正下方2 mm 處設(shè)置單元測(cè)點(diǎn)，獲取其有效應(yīng)力、最大主應(yīng)力和累計(jì)損傷值，不同圍壓下煤巖應(yīng)力及損傷值演化結(jié)果如圖8。

從圖8 可以看出，單元累計(jì)損傷量出現(xiàn)時(shí)間明顯滯后于各應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間，這是由于應(yīng)力波在煤巖中的傳播使得單元應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間較早，但由于單元距離射流沖擊點(diǎn)存在一定距離，應(yīng)力在傳播過(guò)程中一部分轉(zhuǎn)化為煤體的內(nèi)能而出現(xiàn)衰減。

受應(yīng)力衰減影響，初期應(yīng)力值較小，煤體受應(yīng)力作用僅發(fā)生彈性變形，損傷值并未開(kāi)始累積。隨著沖擊點(diǎn)距離單元位置越近，單元受到的應(yīng)力作用越明顯，此時(shí)單元發(fā)生塑形變形，損傷值開(kāi)始累積。同時(shí)觀察單元的各應(yīng)力值處于小范圍波動(dòng)趨勢(shì)，主要由于在射流沖擊下，各單元應(yīng)變狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，使其不斷處于加載卸載循環(huán)作用之下，進(jìn)而使單元應(yīng)力處于小范圍波動(dòng)趨勢(shì)。

從圖8 可以看出，隨著圍壓增加，單元的損傷失效時(shí)間出現(xiàn)后延趨勢(shì)，在無(wú)圍壓狀態(tài)下單元最先失效，15 MPa 下最后失效，此結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了相同時(shí)間內(nèi)不同圍壓下射流沖擊深度存在差異，且沖擊深度隨圍壓增大而減小。同時(shí)，隨著圍壓增加，煤巖破壞的臨界應(yīng)力值出現(xiàn)增大趨勢(shì)，其有效應(yīng)力與最大主應(yīng)力峰值隨圍壓增加而變大。其主要原因是在圍壓作用下煤巖峰值強(qiáng)度得到增加。

2.5 水射流直徑對(duì)鉆孔損傷影響

在水射流應(yīng)用的過(guò)程中依據(jù)噴嘴直徑不同形成的射流直徑存在差異,而射流直徑對(duì)煤巖的損傷破壞具有較大影響。為此，分別模擬了0.8、1.2、1.6、2 mm射流直徑下的煤巖損傷破壞情況，煤巖鉆孔損傷情況如圖9。不同射流直徑損傷破壞情況如圖10。

從圖9 可以看出：隨著水射流直徑增加，沖擊深度和側(cè)向?qū)挾入S之增加。從圖10 可以看出，隨射流直徑增加，射流沖擊深度增加趨勢(shì)逐漸放緩。

水射流沖擊下，煤巖鉆孔沖擊坑范圍擴(kuò)展主要依賴水射流沖擊煤體產(chǎn)生的拉伸與剪切作用，隨射流直徑增大，射流所形成沖擊載荷增加，射流邊緣與煤體沖擊形成的拉剪區(qū)域增大，拉剪聯(lián)合效果增強(qiáng)，從而形成更大范圍的沖擊深度和寬度。因此，射流直徑越大，水射流沖擊深度和寬度較大。同時(shí)，隨射流直徑持續(xù)增加，反射流在沖擊坑中不能及時(shí)排出，導(dǎo)致水墊效應(yīng)增強(qiáng)，削弱水射流的沖擊載荷，影響沖擊深度的持續(xù)擴(kuò)展。因此，選擇合理的噴嘴直徑即能夠保證水力擴(kuò)孔增透效果又能降低對(duì)水射流設(shè)備要求。

2.6 不同鉆孔直徑對(duì)鉆孔煤巖的損傷破壞影響

前文基于三維模型研究了射流速度、圍壓以及射流直徑對(duì)鉆孔損傷破壞的影響，其意義在于探究水射流在擴(kuò)孔效果上的差異。根據(jù)水射流沖擊形成的擴(kuò)孔直徑不同，本節(jié)進(jìn)一步探究不同鉆孔直徑在水射流沖擊下?lián)p傷情況。為了深入分析不同鉆孔直徑在水射流沖擊下?lián)p傷及裂紋演化情況，對(duì)水射流和煤巖體均采用SPH 算法建立鉆孔水射流沖擊煤巖二維模型，分別模擬不同孔徑煤巖的水射流沖擊過(guò)程，不同鉆孔直徑下煤巖損傷及裂隙擴(kuò)展情況如圖11。

在射流載荷沖擊下，在鉆孔煤巖接觸射流面附近形成碗狀破碎坑，此區(qū)域出現(xiàn)的原因主要是由于在射流載荷沖擊下，煤巖受到較大壓縮作用，由于煤巖抵抗剪切破壞的能力遠(yuǎn)小于抗壓能力，因此，煤巖在接觸面附近最先由于剪切作用發(fā)生破壞，在射流持續(xù)沖擊下，剪切裂紋不斷貫通形成破碎坑。

隨著距離射流接觸面距離增加，應(yīng)力在傳播過(guò)程中一部分轉(zhuǎn)化為煤體的內(nèi)能而出現(xiàn)衰減。煤巖受到剪切破壞減弱，難以形成貫通損傷區(qū)。此時(shí)，煤巖由于應(yīng)力波傳播作用持續(xù)受到拉伸應(yīng)力作用，隨著射流不斷沖擊，受拉伸作用失效產(chǎn)生的環(huán)向裂紋和縱向裂紋成為煤巖失效主要形式。

由圖11 中可以看出，受鉆孔尺寸影響，不同鉆孔直徑下煤巖破碎坑有明顯差異，隨鉆孔直徑增加，破碎坑寬度減小，深度有所增加，且在較小孔徑下，煤巖損傷形式主要以環(huán)狀裂紋為主，隨鉆孔直徑增加，環(huán)狀裂紋逐步轉(zhuǎn)化為縱向裂紋。其主要原因是，較小的孔徑會(huì)影響射流回流，從而削弱入射流的沖擊作用，增加反射流對(duì)兩側(cè)的沖擊作用，使其在兩側(cè)損傷擴(kuò)展上具有一定優(yōu)勢(shì)，形成眾多環(huán)狀裂紋。隨鉆孔直徑增加，反射流主要向兩側(cè)擴(kuò)散，反射流抑制作用得到削弱，其射流沖擊載荷得到增強(qiáng)，破碎坑向兩側(cè)擴(kuò)展范圍減小，裂紋擴(kuò)展形式逐步由環(huán)狀裂紋演化為縱向裂紋。

3 結(jié) 論

1）煤巖鉆孔破壞存在水射流速度閾值，當(dāng)水射流速度小于該值時(shí)，煤巖僅在沖擊表面形成小范圍損傷，而并未破壞。隨射流速度增加，煤巖沖擊深度隨之增加，而在較小的水射流速度下，煤巖破壞需要一定的時(shí)間積累，在較大射流速度下，射流能夠快速破壞煤巖，最終在400 m/s 水射流沖擊下煤巖鉆孔破壞深度約為200 m/s 水射流沖擊深度10 倍。

2）在水射流和煤巖參數(shù)一定時(shí)，圍壓能夠抑制沖擊坑沿深度方向上的擴(kuò)展，隨圍壓持續(xù)增加，沖擊深度減小趨勢(shì)變緩，同時(shí)煤巖破壞的有效應(yīng)力峰值相應(yīng)增加。

3）水射流直徑對(duì)煤巖鉆孔損傷破壞范圍影響顯著，隨射流直徑增加，沖擊深度寬度均有所擴(kuò)展，隨射流直徑持續(xù)增加，水墊效應(yīng)增加，沖擊深度擴(kuò)展趨勢(shì)減小。

4）鉆孔尺寸對(duì)射流沖擊下的煤巖損傷破壞具有一定影響，在較小鉆孔直徑下，煤巖破碎坑范圍更大，裂紋擴(kuò)展以環(huán)向裂紋為主，隨鉆孔直徑增加，破碎坑范圍有所減小，裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳碌目v向裂紋。