高压水射流冲孔基本规律的实验研究

陈树亮，黄炳香，徐 杰，刘江伟，赵兴龙，王常委

(1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

高压水射流冲孔基本规律的实验研究

陈树亮1，黄炳香2，徐 杰2，刘江伟2，赵兴龙2，王常委2

(1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

采用高压水射流实验系统分别进行水压力、射流靶距、时间等单因素影响实验，分析这些因素对水射流冲孔效果的影响规律。实验结果表明：随着水压力的增加，射孔深度呈线性增加；当喷嘴直径为1.02mm时，水射流的最佳靶距为2mm；高压水射流存在极限射流深度，在此之后，时间增加，其射流孔孔深基本不变；改变时间、靶距以及水压力，试块水射流孔径基本无变化。

高压水射流；冲孔；水压力；射流靶距

高压水射流技术作为一种集清洗、切割、破碎等多种功能的新技术，最早在十九世纪中叶出现并应用于北美的采矿行业中[1-2]，之后高压纯水射流技术的研究和应用得到广泛关注。由于纯水射流需要很高的水压力，出于当时技术装备发展的考虑，到二十世纪七十年代末期，由磨料与水混合的两相介质代替纯水的磨料射流技术显著提高了纯水射流的切割、破碎能力，同时也降低了超高压对于整个实验系统及管路的要求，大大减少了作业过程的安全隐患。再者，在清洗方面[3-4]，高压水射流具有清洗效率高、无污染、经济性好、对基体损伤低以及工作环境适应性好等特点；切割方面，其切割强度范围广，低到手术切割病变器官，高到航空航天行业的特种高强度材料切割，同时具有切割能力强、精度高、噪音小、无尘以及工作环境局限性小的特点；粉碎方面，具有粉碎能耗低、效率高、效果好以及设备结构简单的特点。

近几年，高压水切割技术开始广泛应用于煤矿井下，主要运用于高压水射流破岩[5]、水力冲孔防突、高压水切槽卸压[6]、高压水力割缝增加煤层透气性[7]等方面。除此之外，在一些瓦斯矿井与具有煤层自燃倾向性矿井，由于环境的局限性，一些切割作业无法利用常规的电钻进行，因而高压水射流在煤矿的切割作业中也有良好的应用前景。

考虑到高压水射流切割范围大的特点，为实现切割效果的更加精确，确定最佳的冲孔及切割参数，研究高压水射流的冲孔、切割效果，分别进行了改变泵注压力、时间、射流靶距等单因素影响实验，分析了这些因素对水射流冲孔效果的影响，从而确定最佳的冲孔及切割参数，为后期的现场作业提供依据。

1 高压水射流冲孔原理

高压水射流是通过持续的高速流体冲击物体表面使物体发生破裂产生破碎坑并逐渐加深。其对物体的作用主要包括气蚀破坏作用、冲击作用、动压力作用、脉冲负荷引起的疲劳破坏作用及水楔作用等[8]。

假设射流为理想流体，射流断面直径为D时，高压水以流速v垂直冲击物体表面，当遇到作用面后，随即改变方向转过90°沿径向朝两边流走，且流速不变(图1)，则射流对物体表面的理论冲击力为：

图1 高压水射流冲击垂直平面的过程示意

(1)

式中，F为射流的冲击力，N；ρ为水的密度，kg/m3；D为喷嘴内径，m；v为射流速度，m/s。

当射流的冲击力F超过物体的极限强度时，物体表面就会开裂，形成初始裂隙，水射流进入裂隙空间，在水楔作用下，裂隙尖端产生拉应力集中，使得裂隙进一步扩展进而形成破裂坑。

2 高压水射流冲孔实验方案

2.1 实验系统

实验系统由高压泵、水射流装置及监控系统组成(图2)。高压泵的额定压力为70MPa，排量为70L/min，水射流装置的喷嘴直径为1.02mm，监控系统能实时监测管路中的压力及流量变化，同时在靠近管路出口处安装压力传感器，实时监测并记录管路出口处的压力变化。

2.2 试样加工

水射流试样采用水泥砂浆试块，由32.5号水泥和筛选后的细沙按质量配比1∶3.5∶0.3(水泥∶沙∶水)浇筑为300mm×300mm×300mm立方体试块。试块浇筑成形后自然养护28d，减少试块物理力学参数的离散性。水泥砂浆试样的力学参数见表1。

表1 水泥砂浆试块的物理力学参数

2.3 实验方法

高压水射流实验方案见表2。采用清水进行射流实验，分别改变泵注压力、时间、射流靶距，分析3种因素对水射流冲孔效果的影响，从而确定最佳的高压水射流施工参数。

表2 高压水射流实验方案

实验前连接好管路，安装压力传感器，调节好射流的靶距，并固定好喷嘴，系统调试正常后按照实验方案开始实验。实验过程中勿靠近喷嘴，并采取防护措施确保实验人员安全。实验结束后关泵卸压，测量射孔深度并观察射孔形态(图3)。

图3 水射流实验过程及射孔形态

3 实验结果分析

3.1 射流水压力的影响规律

水压力是水射流的一项重要参数，通过增大水压力可以增加水射流对物体表面的有效冲击力。实验过程中将泵压依次设置为20，30，40，50，60MPa，射流时间均为5min，射流靶距设置为2mm，通过5组实验研究水压力对射流效果的影响规律。不同泵压对应的射孔深度如图4，可以看出随着水压力的增加，射孔深度基本呈线性增加。

高压水射流冲击水泥砂浆、岩石等脆性材料的过程中，冲击接触区边界周围产生拉应力。由于岩石抗拉强度和抗剪强度远小于其抗压强度，因此，当高压水冲击试块表面时，由于水的高速冲击产生的拉应力或剪应力达到其抗拉或抗剪强度时，试块即发生破裂。因此，水射流冲击物体存在一个使物体产生破坏的最小冲击压力，即门限压力。当冲击压力大于门限压力时，随着射流压力的增加，水的射流速度增大，携带能量增强，产生的射流孔深度亦增加。

3.2 射流靶距的影响规律

靶距为水射流喷嘴到被冲击物体表面之间的距离，也是影响射流效果的重要参数之一。通常认为射流最大作用力位置不是在喷嘴出口而是在离喷嘴一点距离的地方，但靶距过大，射流对物体表面的有效冲击力会降低。因此，水射流存在一个最佳的射流靶距。实验中设置水压力为40MPa，冲孔时间为5min，分别进行靶距为1，2，3，4，5，6mm时的水射流实验，分析靶距对射流效果的影响。

对比不同靶距时射流孔的孔深(图5)，可知当水射流的靶距小于等于2mm时，射孔深度相差很小，当靶距大于2mm时，水射流孔深显著减小，因此，得到水射流的最佳靶距为2mm。靶距较小时，喷嘴与物料表面距离小，在其喷射水柱的有限射程内，水柱较为集聚，冲击水压力及能量较大，射孔深度较大，之后，随着靶距的增加，冲击水压力及能量衰减严重，水射流孔深明显减小。

图5 射流靶距对射孔深度的影响

但靶距也不能过小，靶距过小，喷嘴与试块表面距离过小，试块表面只受到水射流动压的作用，而冲蚀作用不显著，导致水射流冲孔的效果较差。同时靶距过小会导致喷嘴装置受到的反作用力增大，可能会发生反冲的危险。

3.3 射流时间的影响规律

为分析射流时间对射流效果的影响规律，设置水压力为40MPa，靶距2mm，分析冲孔时间分别为3，5，10，20，40，60，120，180，300s时射流的孔深变化规律。

射孔深度随射流时间的变化规律如图6，可知在3～5s内水射流孔深已经达到34mm，基本达到了极限深度，在此之后，时间增加，其射流孔孔深基本不变。因此，射流过程中存在冲孔的极限射流时间t0，在时间t0以内，深度变化比较明显，超过t0，深度变化不明显。

图6 射孔时间对射孔深度的影响

在水射流冲孔过程中，由于水泥砂浆自身强度较低，而冲击水压力明显大于其抗拉及抗剪的极限强度，因此，在射孔瞬间试块即发生破坏，并在射流冲击力的作用下，射孔深度快速增大。在此之后，一方面由于水射流喷嘴结构的局限性，喷射水柱最终会呈发散状态，所以当冲孔深度超出其有效喷射距离之后，冲击水压力及能量衰减明显，此时冲击水压力小于等于试块的门限强度，冲孔深度不再增加，达到其射流孔的极限深度；另一方面，当破坏产生之后，随着水射流冲击时间增加，越容易在射流孔底部集聚压力水，这些压力水起到“水垫”作用，从而减弱了水射流冲孔的破坏能力，达到极限深度。

4 结 论

(1)在高压水射流过程中，随着水压力的增加，射孔深度基本呈线性增加。

(2)对比不同靶距时射流孔的孔深，得到水射流的最佳靶距为2mm。

(3)对水泥砂浆进行水射流冲孔时，在3～5s孔深已经达到34mm，基本达到了极限深度，在此之后，时间增加，其射流孔孔深基本不变。

(4)对同一种材料而言，改变泵注压力、靶距及射流时间，试块水射流孔径基本无变化。

[1]杨 林，唐川林，张凤华.高压水射流技术的发展及应用[J].洗净技术，2004，2(1)：9-14.

[2]庄静伟，王 强，史 亮，等.高压水射流的发展与应用[J].中国水运(学术版)，2007，7(6)：124-125.

[3]李 震，李 锋，汪建新.高压水射流技术及应用[J].机械工程师，2009，41(11)：33-36.

[4]陈玉凡.高压水射流清洗技术现状及发展前景[J].中国设备工程，2013，29(2)：6-8.

[5]王新新.高压水射流破煤作用及水力冲孔防突技术研究[D].淮南：安徽理工大学，2012.

[6]李忠华，潘一山，张 啸，等.高压水射流切槽煤层卸压机理[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2009，28(1)：43-45.

[7]沈春明，林柏泉，吴海进.高压水射流割缝及其对煤体透气性的影响[J].煤炭学报，2011，36(12)：2058-2063.

[8]崔谟慎，孙家骏.高压水射流技术[M].北京：煤炭工业出版社，1992.

[责任编辑：施红霞]

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

江苏省“六大人才高峰”资助项目(2014-ZBZZ-007)

陈树亮(1989-)，男，山东莱芜人，助理实验师，硕士，主要从事煤岩体水力致裂方面的研究。

黄炳香(1978-)，男，湖北通城人，工学博士，教授，博士导师，主要从事煤岩体水力致裂方面的研究。

陈树亮，黄炳香，徐 杰，等.高压水射流冲孔基本规律的实验研究[J].煤矿开采，2017，22(4)：1-3，38.

TD712.63

A

1006-6225(2017)04-0001-03

基础研究