高压射流冲击应力波破岩试验研究

(湖南科技大学，资源环境与安全工程学院 湖南 湘潭 411201)

引言

高压射流喷射破岩技术因其独特优势成为岩石切割等领域的一种重要技术。在诸多射流破岩机理的理论中，应力波理论可以很好的阐释高压射流作用下岩石宏观破碎现象。因此，探索应力波在破岩过程中的形成与传播对促进高压射流破岩技术的进一步发展具有十分重要的意义。

刘佳亮通过数值模拟研究了高压射流冲击下应力波在煤岩体内的波形特征、应力峰值与传播规律[1]。廖志毅等通过采用RFPA数值分析软件，建立了岩体孔内爆破数值模拟，分析了岩体爆炸应力波作用下的破碎特征[2]。刘勇等通过建立应力波在煤体内传播的弥散方程，分析了孔隙率和渗透率对应力波在煤体内传播的影响[3]。张树川等分析了爆炸应力波入射控制孔的反射规律，揭示深孔控制爆破控制孔的作用机制[4]。司鹄等利用非线性有限元法，采用动态接触模拟高压水射流对岩石冲击作用[5]。褚怀保等设计并完成了模拟煤体爆炸应力波损伤积累实验，分析了煤体爆炸应力波作用的损伤过程与机理[6]。王维等采用光滑粒子流体动力学与有限元分析耦合方法对水射流破碎油页岩的三维非线性冲击动力学问题进行了模拟研究，得到了水射流破碎油页岩过程中应力波传播和衰减规律[7]。卢义玉等[8]数值模拟研究了脉冲射流在破岩过程中应力波的形成、传播及衰减过程，分析了岩石在应力波效应下的破坏行为。以上研究表明，应力波在岩石中的形成与传播过程是导致岩石破碎的主因。

现有文献主要从理论层面对射流冲击应力波破岩效应开展了研究，尚缺乏大量的破岩试验来充分验证应力波破岩理论。基于此，本文拟开展高压水射流冲击砂岩试验与超临界二氧化碳(Supercritical carbon dioxide,SC-CO2)射流冲击页岩试验，以此来探究射流冲击应力波作用下岩石的破碎规律。

一、高压射流冲击破岩试验

(一)高压水射流冲击砂岩试验

岩样取自重庆某在建隧道，将其加工制备成φ50mm×50mm的圆柱体，测得其单轴抗压强度σc=68MPa，抗拉强度σt=2.17MPa。高压水射流破岩试验系统如图1所示，其中喷嘴内径为2mm，冲击靶距设置为3mm，冲击时间设为15s。基于目前对砂岩临界损伤压力的研究，选取12、50、100、150、200、250和300MPa作为试验射流压力。

图1 高压水射流破岩试验装置图

(二)SC-CO2射流冲击页岩试验

岩样取自重庆东南部露头的黑色炭质页岩，采用岩芯钻机制备成φ100mm×200mm规格的圆柱体试件，测得其单轴抗压强度σc=16.3MPa，弹性模量E=7.5MPa，泊松比v=0.3。图2为SC-CO2射流破岩试验装置示意图。根据相关文献研究，选取30、35、40、45、50、55MPa泵压作为试验的工作压力；热交换器的温度为恒温80度，岩心围压恒为8MPa，喷嘴出口直径为2mm，冲击靶距设为3mm。

图2 SC-CO2射流破岩试验装置图

二、破岩试验结果与分析

(一)高压水射流冲击砂岩试验结果

本试验中砂岩试件处于无围压的条件下，在不同压力的射流冲击下，砂岩试件依次出现破碎坑、横向裂纹与纵向裂纹等破碎形式(见图3)。试件在受冲击前完整性良好，表面没有裂纹；经50MPa的射流冲击后，试件端面开始产生破碎坑与环形裂纹，冲击中心区域岩石呈片状剥落；经200MPa的射流冲击后，试件内部产生数条贯通的横向环形裂纹，岩石出现体积破碎；经300MPa的射流冲击后，试件呈现出近似劈裂的破碎模式，产生较少的纵向裂纹。

图3 砂岩的宏观破碎图

根据试验结果可得横向裂纹数量、岩石损伤深度与射流冲击压力的关系(见图4)。横向裂纹的数量与射流压力呈非线性分布。当射流压力较小时，横向裂纹数量较少；随着射流压力的增加，横向裂纹数量随之缓慢增加；当射流压力达到200MPa左右时，横向裂纹数量随之达到最大值；当射流压力继续增加时，横向裂纹数量随之迅速减少。砂岩的损伤深度与射流压力呈线性正相关的关系，即水射流压力越大，岩石损伤深度越大。

图4 横向裂纹数量、岩石损伤深度与射流压力的关系

(二)SC-CO2射流冲击页岩试验结果

为了考虑围压对高压射流破岩效果的影响，在SC-CO2射流破岩试验中对页岩试件施加了8MPa的围压。在不同压力的射流冲击下，试件依次出现破碎坑、端面网状裂纹与横向环形裂纹等破碎形态(见图5)。

图5 页岩的宏观破碎图

页岩试件在冲击前具有良好完整性，表面无破碎。在35MPa的SC-CO2射流冲击下，页岩端面首先产生破碎坑，并在破碎坑附近产生少量径向裂纹；同时，页岩侧面出现了环形的横向裂纹。当射流压力增加至45MPa时，页岩端面的径向裂纹更加明显，在破碎坑附近产生了片状剥落现象；同时，页岩侧面环形横向裂纹数量增多、深度增大。继续增加射流压力至55MPa后，页岩端面出现了网格状的碎裂形态，页岩试件出现了大体积破碎现象，环形横向裂纹愈加明显。

(三)试验结果讨论

现有研究表明，高压射流撞击固体表面时会在接触点产生冲击扰动，并以应力波的形式在固体内部传播，如图6所示。当高压射流冲击到岩石表面的瞬间，在受到冲击的岩石中心区域形成压缩剪切波，并导致该区域产生初始压剪破坏。在射流的持续冲击下，部分受剪切破坏的岩块剥离岩体后被流体冲刷带走，逐渐形成了图6所示的破碎坑；另外一部分由压剪作用而导致的裂纹沿着径向传播至端面，导致部分端面的岩块剥离。同时，高压射流冲击诱导的拉伸波分量以纵波的形式向岩石内部传播。因此，可以推断出在岩石内部必然会出现大量的拉伸应力。由于本次试验的砂岩和页岩均属于沉积岩，其层理面是一种抗拉强度极小的弱面。这些弱面在拉伸应力的作用下，极易形成拉伸裂纹。初始拉伸裂纹形成后，在后续高压射流的冲击下沿着岩石的层理面继续扩展，最终形成了图7所示的锥形裂纹。通过以上分析表明，高压射流主要以两种形式的应力波来破碎岩石。第一种为剪切应力波导致出现破碎坑与密集破碎带，第二种为拉伸应力波导致岩石内部出现拉伸锥形裂纹，扩展至自由面后形成宏观的横向裂纹。

图6 高压射流冲击下岩石内部应力波传播示意图

三、结论

在高压射流的冲击下，圆柱形岩石试件依次出现端面破碎坑与侧面横向裂纹两种典型的宏观破碎形态，且岩石的宏观损伤深度随射流压力的增加呈线性增大的趋势；通过剖视图发现，岩石内部依次产生了两类典型的裂纹：即破碎坑附近交错分布的密集型细小裂纹与内部的锥形裂纹，其中密集型细小裂纹是宏观破碎坑的内部表现形态，而锥形裂纹是宏观横向裂纹的内部表现形态。分析表明，第一种裂纹是由高压射流冲击应力波的压剪分量所导致的，第二种裂纹是由冲击应力波的拉伸分量所导致的，因此可以推断高压射流的冲击应力波是岩石破碎的主导因素。