高壓水射流破煤機理研究進展及展望

趙岳然，姜文忠，靳 鵬，都 鋒，裴 越，袁圣秋

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

高壓水射流技術具備能量損失小、作業過程不產生火花、無污染、對切割對象適應性強等優點，目前已廣泛應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，導致對水射流破煤機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力分布和固體材料裂隙擴展情況[1]。形成了4 種認可度較高的理論：“拉伸-水楔”破煤理論、“密實核-劈拉”破煤理論、應力波破煤理論、氣蝕破煤理論。之后國內學者對水射流破煤機理進行了大量研究[2-7]，但未形成系統理論。隨著近年來高壓水射流破煤工藝的發展，噴嘴結構不斷改進[8-11]，射流形態由連續穩定射流轉變為旋轉射流和脈沖射流[6,12]，射流的介質也由純水轉變為“氣-液”和“氣-固”兩相流[13-15]。現有破煤理論已無法繼續指導裝備制造和工程應用，因此需要對目前的研究成果進行梳理和總結，在此基礎上結合未來發展趨勢進一步研究高壓水射流破煤機理。

1 高壓水射流結構特性

1.1 高壓水射流的紊流特性

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

不可壓縮黏性流體連續性方程張量形式如下[19]：

式中：ρ 為流體密度，kg/m3；t 為時間，s；ui為流速，m/s，下標遵循愛因斯坦求和約定；xi為x 方向上第i 個分量。

將ui=uˉi+ui′代入式（1），uˉi為第i 個分量的時均流速，m/s；ui′為脈動速度，m/s，得到紊流時均連續性方程：

紊流時均運動方程為：

1.2 水射流結構形態

1.2.1 紊動自由水射流結構形態

在Taylor 等研究基礎上，日本學者于1974 年首先用幾何圖形描述了水射流的結構特征，經后人驗證和改進，得到目前公認的非淹沒水射流結構。紊動自由水射流結構圖如圖1[19]。

圖1 紊動自由水射流結構圖Fig.1 Structure diagram of turbulent free water jet

水射流幾何結構被分為初始段、轉折段、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域，初始段核心區各點的速度大小、方向均等于噴嘴出口的速度；②轉折段：從等速核消失的斷面到轉折斷面之間區域，該區域流動極其復雜，射流計算中通常忽略；③基本段和消散段：其區域內射流軸向速度和動壓非常低[20]。

在此基礎上國內學者將初始段劃分為緊密段和核心段，將轉折段和基本段合并為破裂段[21]。研究認為水射流核心段對沖擊性能起決定性作用[22]，據統計射流核心段長度一般是噴嘴直徑的4～9.22 倍，射流擴散角一般為26.6°～29.9°[23]。

1.2.2 旋轉水射流結構形態

王偉[12]對兩噴嘴組合幾種不同轉速下的水射流形態進行了數值模擬，兩噴嘴組合下不同轉速水射流云圖如圖2。

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

旋轉速度為30 r/min 時，射流僅有少量偏角，基本保持了紊動自由水射流結構形態；旋轉速度增加至300 r/min 時，水射流偏離噴嘴接近90°，此時水射流軸線不再呈直線，射流前后連續性變差。

研究發現：轉速較低時，僅對射流轉折段和基本段影響明顯，隨著轉速的增加，逐漸對初始段產生了影響。

1.2.3 淹沒水射流結構形態

根據水射流沖擊環境介質情況，可分為淹沒水射流和非淹沒水射流。在高壓水射流破煤應用中出現屬于同介質淹沒射流，一般認為這種射流只有基本段，稱為對稱紊流源。對稱紊流源如圖3[17]。

圖3 對稱紊流源Fig.3 Symmetrical turbulence source

常宗旭[24]描繪了雙股圓形淹沒射流的結構形態，將其分為會聚區和聯合區。會聚區內雙股射流互相產生影響，甚至造成某一股射流反向流動，研究認為其最佳破巖距離為會聚區長度。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 煤的力學特性

研究高壓水射流破煤機理，建立在對煤的破壞準則研究的基礎上[20,25]，同時需要考慮瓦斯和水等因素對煤的力學性質的影響。

2.1 煤的破壞準則

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

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

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

此外，圍壓對煤的力學特性具有顯著影響[13]，煤樣峰值強度隨圍壓增加而增加[26,29]。

2.2 瓦斯對煤力學特性的影響

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

煤體吸附瓦斯變形量經驗公式如下[30]：

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

當煤體內瓦斯發生解吸，瓦斯壓力下降，煤體將發生收縮變形，但會保留一定量的殘余變形。

含瓦斯煤體所受的應力可表示為[30]：

式中：σ 為含瓦斯煤體所受應力；σr為地應力；σc為由瓦斯引起的附加應力。

梁冰等[28]通過實驗的方法得到煤體的峰值強度、殘余強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 水對煤力學特性的影響

當水射流接觸煤體表面時，首先進入煤體中連通的大孔中，之后滲入小孔和微孔[31]。水進入孔隙裂隙中后，潤濕煤塊自由面上的每個顆粒，水分子的侵入導致顆粒間的聯系削弱[32-33]，同時煤中黏土質礦物遇水會發生軟化和泥化，煤骨架的結構力將會降低[34]，進入孔隙中的水分越多，削弱程度越強[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性質越差[36]，煤層的潤濕性[37]對吸水性也有一定影響。

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

2.4 煤層不同節理面力學特性

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

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

3 高壓水射流破煤機理

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

3.1 高壓水射流破煤過程研究進展

眾多學者對高壓水射流破煤過程進行了劃分，常宗旭[24]將破煤過程劃分為裂隙產生和裂隙發育2個階段，同時考慮了水對煤體的軟化作用和煤體自身孔隙結構對水射流破煤的影響，基于煤體的非均質性提出高強度單元失效準則。梁運培[20]將破煤過程劃分為沖擊動載作用和準靜態壓力作用2 個階段，并考慮到淹沒條件對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育射流侵蝕2 個階段。司鵠等[42]研究表明水射流破巖過程所用時間為毫秒量級，破煤過程更短。穆朝民等[43]通過數值模擬的方法研究了水射流沖擊下煤體損傷演化規律，提出高壓水射流對煤體的損傷呈階梯式發展。王偉[12]根據水射流沖擊作用，將破煤過程劃分為應力波破煤、滯止應力破煤和裂紋擴展3個階段；根據煤體損傷情況，將破煤過程劃分為凹面、圓錐坑體和圓柱坑體3 個階段。曹佐勇等[44]應用電磁輻射技術監測水力沖孔過程，根據電磁輻射信號的強弱將破煤過程劃分為微破裂、穩定破碎及異常破碎3 個階段。

以上各種分類方法依據不同，大致可分為水射流沖擊作用和煤體損傷演化2 種，其中梁運培的觀點被普遍認同。在此基礎上從水射流沖擊特性的研究入手，結合破煤效果影響因素，針對高壓水射流連續垂直沖擊煤體的情況，對各階段高壓水射流破煤機理進行研究。

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，可簡化為紊動射流對固體壁面的沖擊過程，水射流的結構在該過程中發生改變，稱為紊動沖擊射流形態。

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

圖5 紊動沖擊射流結構圖[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個水滴，為方便研究，將水滴形狀簡化為標準圓柱體。圓柱形液滴垂直沖擊煤體表面過程，根據時間層次將碰撞后分為3 個階段：無橫流階段、穩定流動階段及卸載階段[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

假設水射流作用于物體表面后，以相同速度反射，根據動量守恒定理，射流對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程度發生改變，射流總打擊力也將發生改變。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，對于剛性固體壁面，由動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。

水錘壓力持續時間可表示為：

式中：tr為水錘壓力的持續時間，s；r 為射流半徑，m。

隨著水錘壓力消失，進入滯止壓力階段，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載作用和準靜態壓力作用2 個階段，其中沖擊動載作用階段根據時間層次又可劃分為無橫流、穩定流動及卸載階段，準靜態壓力作用階段同時存在滯止壓力破煤作用和裂紋擴展破煤作用。

3.3 沖擊動載作用階段破煤機理

3.3.1 無橫流階段

高速水滴與煤體接觸瞬間產生載荷，觸發沖擊波在煤體內傳播，產生水錘壓力，當水滴對煤體的打擊力大于煤體破碎門限壓力時，煤體表面發生破碎，經歷第1 次強卸壓作用，該過程在5 μs 內完成[20]。

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

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

經過無橫流階段后，水射流沖擊區域產生破碎坑，煤體在天然裂隙的基礎上形成了新的裂隙，稱為初始裂隙。

3.3.2 穩定流動階段及卸載階段

1）穩定流動階段。隨著圓柱形水滴邊緣部分不斷橫流擴展，壁面射流區由壓應力向拉應力轉變，拉應力達到峰值后進入穩定流動階段，該階段煤體破壞準則服從最大拉應力破壞準則，拉應力作用下初始裂隙有了進一步擴展。

2）卸載階段。隨著圓柱形水滴不斷向外流動，在煤體沖擊坑徑向產生拉應力，壁面射流區產生壓應力，水射流對煤體的沖擊作用進入卸載階段，該階段煤體內初始裂隙繼續擴展，形成基礎裂隙。

3.3.3 破煤機理

在沖擊動載作用階段，煤體受到的應力發生變化，煤體內部產生了應力波，煤體表面產生了瑞利波。應力波在煤體中沖撞反射，破壞了煤體本身的分子結構[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，在其內部發現了3 類細觀裂紋，驗證了高壓水射流沖擊下煤體內部應力波的存在[45]。水射流沖擊作用下煤樣內外不同裂紋形狀如圖10。

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

沖擊動載作用階段同時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存了巨大能量，當高壓水射流沖擊煤體瞬間內部氣泡迅速膨脹，破裂時產生高達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理[12]。

綜上，沖擊動載作用階段內，應力波破煤作用為主，氣蝕破煤起到促進作用。但由于應力波作用時間非常短，無法解釋水射流破煤過程中大面積煤體沖蝕破碎的現象。同時在對彈塑性較好的松軟煤體和中低速水射流破煤機理的分析中，應力波破煤理論存在不足。

3.4 準靜態壓力作用階段破煤機理

3.4.1 滯止壓力破煤作用

經過沖擊動載作用階段后，高壓水射流對煤體的沖擊作用可以看作為準靜態的集中力，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，基于彈性強度理論和煤的力學性質建立煤體失效準則。當作用在煤體上的準靜態集中力超過該準則時，煤體發生失效破壞，即準靜態彈性破煤理論[48]。

其中最具有代表性的是“密實核-劈拉”破煤理論[17]，該理論認為，煤體在滯止壓力的持續作用下產生密實核，隨著密實核膨脹對周圍煤體產生切向拉應力，促進了基礎裂隙擴展，甚至產生新的裂隙，密實核也在膨脹過程中消失。“密實核-劈拉”破煤機理模型如圖11。

圖11 “密實核-劈拉”破煤機理模型[12]Fig.11 Coal breaking mechanism model of“dense core - split pull”

3.4.2 裂紋擴展破煤作用

隨煤體破碎，水射流沖擊煤體靶距增加，滯止壓力逐漸降低，同時破碎坑底部聚積的水減緩了射流沖擊力，進入煤體孔裂隙內部的高壓水，促使裂隙進一步擴展，進入裂紋擴展階段，普遍認為該階段內“拉伸-水楔”[12,40]破煤發揮主要作用，“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”破煤理論認為，進入裂隙內的水促使煤體內部裂隙繼續擴展，同時削弱了煤體的強度，對于灰分較大和松軟煤體效果更明顯。

當水射流沖擊煤體產生的破碎坑達到一定深度，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展破煤作用同時存在于準靜態壓力作用階段，并且相互影響。準靜態彈性破煤理論考慮了煤體強度等自身性能對水射流破煤的影響，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載影響，在描述高壓水射流動態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，其大小與煤的力學性質有關。

當射流壓力未達到第1 門限壓力時，只能引起煤體表面變形；當射流壓力超過第1 門限壓力時，表現為煤體的沖蝕破碎；當射流壓力超過第2 門限壓力時，表現為錘沖破碎[15]。

A M Hypabcknh 依據“密實核-劈拉”破煤理論，對水射流破煤門限壓力給出定量分析，滿足式（11）時煤體發生破碎[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′為沖擊區域半徑，m。

3.5.2 高強度單元失效準則

基于愈滲理論分析得知，水射流沖擊煤體時，煤體內強度較低的微元直接發生破壞，產生裂隙；高強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，導致煤體破碎和失效[24-25]。

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

式中：Rc為單元抗壓強度，MPa；m 為煤體非均質參數；RC0為煤體單元的平均抗壓強度，MPa。

4 研究展望

1）完善水射流破煤機理。應力波破煤理論僅適用于沖擊動載作用階段，“密實核-劈拉”破煤理論僅適用于準靜態彈性作用階段，氣蝕破煤作用和裂紋擴展破煤作用貫穿全過程，但只起到促進作用，高強度單元失效準則應用難度大。同時，當前破煤理論未充分考慮射流速度、射流尺寸、靶距、沖擊時間、入射角度等因素對水射流破煤效果的影響，以及水、瓦斯和圍壓對破煤門限壓力的影響。由于水射流破煤動態過程中涉及多因素耦合，可以采用數值模擬的方法研究各階段煤體損傷演化規律，通過相似物理模擬實驗修正數值模擬結果，完善高壓水射流破煤機理。

2）兩相射流破煤機理的研究。純水射流在破煤過程中容易出現淹沒射流、排渣難及塌孔的情況，同時由于水封效果抑制瓦斯解吸，影響抽采效果。針對以上情況，有學者提出采用“氣-液”和“氣-固”兩相射流增透措施，試驗研究表明，一定條件下兩相射流破煤效果優于純水射流。應加強兩相射流破煤機理研究，確定最優的含氣率，對比兩相射流和純水射流的破煤特點，針對不同物性煤體采取不同增透措施，破煤前期使用純水射流，利用水錘壓力對煤體造成破壞，破煤后期使用兩相射流，避免出現淹沒射流和塌孔情況。同時應加強加氣單元的研究，使純水射流和兩相射流實現自由切換和智能控制。

3）新型射流方式破煤機理的研究。目前水射流結構形態和破煤機理的研究對象主要為單股穩定連續射流，在實際應用中已經演化出多種新型射流方式，其中具有代表性的有旋轉射流、脈沖射流和多股射流。對于旋轉射流，旋轉速度過快使得有效破煤距離變短，降低破煤效率；旋轉速度過慢，增加成本同時減弱應力波破煤作用。對于脈沖射流，沖擊時間過短時產生的裂紋來不及傳播；沖擊時間過長時增加了破碎能耗。新型射流參數選擇主要依靠經驗，導致產生的誤差較大，應加強對新型射流方式破煤機理的研究。

5 結 語

1）高壓水射流問題屬于紊動沖擊射流問題，對射流結構形態的研究包括紊動自由射流結構、旋轉射流結構、淹沒射流結構和雙股射流結構。非淹沒射流主要研究核心段長度和擴散規律，淹沒射流主要研究基本段長度，雙股射流主要研究會聚區長度。

2）煤是一種具有孔隙-裂隙雙重系統的復雜多孔介質，煤的強度用抗剪強度來表示。孔隙特性和瓦斯對煤的力學性質產生影響，水對煤體具有軟化作用，不同煤種遇水軟化效果存在差異，垂直層理方向上煤體強度大于平行層理方向。

3）高壓水射流破煤機理主要有應力波破煤理論、準靜態彈性破煤理論、氣蝕破煤理論和裂紋擴展破煤理論，根據水射流沖擊特性將破煤過程劃分為沖擊動載作用階段和準靜態壓力作用階段，詳細描述了各階段水射流破煤機理，對各種破煤理論的適用性和局限性進行了分析。

4）下一階段應從完善水射流破煤機理，兩相射流破煤機理和新型射流方式破煤機理3 個方向開展研究。