增壓式脈沖水射流破巖效果評價方法及規律分析

中圖分類號：TE21 文獻標志碼：A

Abstract：Waterjetcanbeusedforhardrockbreaking，butitsefectisdifcultobeaccuratelycharacteried.Inthis study，a pressurized pulsed water jet testing set-up was developed toconduct granite crushing experiments，anda macro characterization method was proposed to evaluate thejet rock breaking efect using a Poissn disk sampling technique.3D scanning was carried outon the granite specimen after hedge erosion to obtain the point cloud dataof the erosion pits，andthe the point cloud data were reconstructed through the Poisson disk sampling technique.The fited surfacedepth value wastaken as the macro characterization parameter，and theinfluenceof jet pressureandtarget distanceonrock breaking efect wasanalyzed.The effctof jetpressureandtarget distanceon verticalrock breaking at fixed pointsby presurized pulsed jetunder non-submergedconditionwasanalyzed，andtheeffectofrock breaking energyparameters underjet pressure-frequencycoupling wasrevealed.Theresultsshowthatthe 3D scanning techniquecan achieve accurate and quantitative characterizationof therock breaking efectonamacroscopic scale，andthePoissondisk sampling methodcansolvetheproblemoflargediscretizationof the macroscopiccharacterizationresults.The jetpressureandthereciprocating frequencyof the piston have acouplingeffect，withthe increaseof the totalinput pressure，thejet pressreandthereciprocating frequencyofthepiston increase simultaneously，andthehigh frequency impact of the high presure pulse jetcanresult inajump increaseof the jet rock breaking parameters.The method proposed inthis study is notonlyapplicable topresurized pulsed waterjets，butcan also beextended toother jetapplications，facilitating acurateanalysisof the impactof jet parameters onrock breaking and their further optimization.

Keywords ： pressrized pulsed waterjet; hardrock；macroscopiccharacterization;three-dimensional scaning;Poisson disk sampling

水射流破巖技術因其效率高、安全環保的特點在油氣行業廣泛應用[14]。增壓式脈沖水射流是一種新型射流技術，具有高效破碎硬巖能力[5-7]。破巖效果表征是研究射流破巖性能的重要手段[8-9]。利用傳統方法（如直尺、深度計、填砂法等）的表征結果準確性不高，且可能破壞巖樣[10-11]。相比之下，三維掃描技術具有高效、快捷、準確等優點[12-13]。楊恒林等[14]利用三維形貌掃描獲取了頁巖的裂縫體積與面積等參數，定量表征了頁巖暫堵壓裂的裂縫網格復雜程度；劉國磊等[15]利用三維掃描儀對劈裂的巖塊進行掃描，準確獲取了三維形態、體積、橫縱斷面面積等信息。然而，由于巖石自身具有非均質性和各向異性[16-17]，宏觀表征參數（如破巖直徑、深度和體積等）會存在較強的離散性，難以準確分析射流破巖性能，因此需要對三維掃描獲得的破碎坑模型做進一步的處理。對破碎坑點云采樣，既能減少數據的稀疏性和不規則性，又能恢復因遮擋造成的缺失點[18]。泊松盤采樣是經典的點云采樣算法，能夠均勻地生成隨機分布的點云數據，即能確保反映點云數據整體的規律性，又能免除在特定位置的失真[19]。基于此，筆者提出基于泊松盤采樣的射流破巖效果宏觀表征方法，通過對增壓式脈沖水射流沖蝕后的花崗巖試件進行三維掃描，并利用泊松盤采樣進行點云采樣，擬合得到射流破巖的曲面深度及其占比；將曲面深度作為宏觀表征參數，評價增壓式脈沖水射流破巖效果并分析射流壓力和靶距對破巖效果的影響。

增壓式脈沖水射流破巖

1.1增壓式脈沖水射流試驗系統

脈沖水射流具有較高的沖蝕應力，在破巖領域有著廣闊的應用前景。結合液壓傳動原理，自主搭建了增壓式脈沖水射流試驗系統，如圖1所示。該系統由動力系統、給水系統、壓力采集系統以及增壓式脈沖水射流發生裝置組成。動力系統由液壓泵、溢流閥和冷卻器組成。液壓泵為發生裝置提供動力，溢流閥通過調節進油壓力來調節脈沖壓力。壓力采集系統由壓力傳感器和計算機組成。3個壓力傳感器分別用于測量進油壓力、脈沖壓力和回油壓力，壓力傳感器連接數據采集器，通過計算機上的采集軟件可以實時監測和記錄壓力。給水系統由水箱、進水閥和單向閥組成。水箱置于高位，活塞回程時水箱中的水在重力作用下經單向閥進入增壓腔，進水壓力取決于水箱高度。

增壓式脈沖水射流發生裝置主要由活塞、增壓腔、氣腔、油腔等組成，如圖2所示。在低壓流體不斷注入下，通過換向閥的狀態切換形成對推動活塞運動的油液換向，活塞能夠形成往復運動，并擠壓腔體中的水，升壓后的水通過噴嘴完成靜壓能向動壓能的轉化后高速噴出。活塞往復一次，高壓水噴射一次，由于是間斷發射，射流壓力呈現周期性變化。活塞在輸入端的作用面積約為輸出端作用面積的2.4倍，根據液壓增壓原理，射流壓力可達到輸入壓力的5.76倍。

1.2 增壓式脈沖水射流破巖試驗方案

花崗巖為實際巖土領域中最為常見的硬巖材料，廣泛應用于各項巖石相關試驗。本次試驗選取重慶某采石場生產的花崗巖試件作為試驗試件材料。試件加工為標準的 100mm×100mm×100mm 立方體，篩選出無明顯節理、缺陷及結構面的試件作為試驗對象，并對其物理力學參數進行測試，花崗巖密度為 2683kg/m³ ，彈性模量為 49GPa ，抗壓強度為 218.2MPa ，抗拉強度為 14.1MPa 。

為探究增壓式脈沖水射流的不同參數對花崗巖破碎效果的影響，利用控制變量法在不同的參數條件下對同一批花崗巖試件進行試驗。每組參數重復試驗5次，具體參數如表1所示。

圖1增壓式脈沖水射流試驗系統Fig.1Pressurized pulsed water jet experimental system

圖2增壓式脈沖水射流發生裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of turbochargedpulse water jet generator

表1試驗參數

Table1Experimental parameters

噴嘴內流道結構對射流的性能影響很大，常見的有圓錐型噴嘴、圓柱收斂型噴嘴、流線型噴嘴以及等變速型噴嘴[20-21]。綜合考慮性能和加工工藝，本試驗選擇圓柱收斂型噴嘴[22]，具體結構如圖3所示。對于圓柱收斂型噴嘴，關鍵結構參數為入口直徑 d_?1 、出口直徑 d₂ 、收縮段長度 L₁ 、直線段長度 L₂ 和收斂角 θ 。研究表明，直線段長度取2～4倍噴嘴出口直徑較為合適，收斂角在 20^°～30^° 間較為合適[23]。具體參數設計為 d₁=7.0mm，d₂=0.5mm L₁=12.5mm，L₂=2.0mm，θ=25^°°

開展試驗前，為確保試驗結果的準確，試驗試件利用特定的裝置固定，保持在試驗過程中始終與噴嘴垂直且中心與噴嘴處于同一軸線；壓力傳感器在室溫壓力條件下進行校零，保證讀數準確；在巖石前布置鋁制擋板，防止調節壓力過程中射流對試驗結果的影響。

圖3噴嘴結構示意圖

Fig.3Schematic diagram of nozzle structure

開展試驗時，具體試驗參數以表1為準，啟動柱塞水泵，向增壓式脈沖水射流發生裝置的增壓腔中供水；然后啟動液壓油泵，通過調壓閥調節進油壓力，直至壓力采集系統中獲得的輸入壓力達到預定值，并穩定30s；迅速撤掉鋁制擋板并開始計時。預定試驗時間到達后，迅速放上鋁制擋板并降低油泵進油壓力，關閉液壓泵站、高壓水泵，完成試驗。

1.3 增壓式脈沖水射流破巖試驗結果

根據上述試驗方案，進行增壓式脈沖水射流破巖試驗，獲得不同參數下增壓式脈沖水射流沖擊破巖結果。如圖4所示，以 30～60MPa 條件下增壓式脈沖水射流破巖試驗結果為例，觀察增壓式脈沖水射流破巖結果，發現射流沖擊造成的破壞主要以微小的沖蝕孔以及大塊的宏觀剝離為主，差異性較大，且無明顯的規律性，難以進行直觀統計。

圖4 30～60MPa 下增壓式脈沖水射流破巖效果 Fig.4Rock breaking effect of pressurized pulsed waterjetunder30-60MPa

2 破巖效果宏觀評價

三維掃描技術是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要用于對物體空間外形結構和色彩的掃描，將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供方便快捷的手段。三維掃描技術因其測量速度快、精度高、非接觸、能直接與多種軟件接口、使用方便等優點，使其在 CAD（computer aided design）、CAM（computer ai-ded manufacturing）等技術應用中日益普及[24] 。

本文中使用Cronos高精度三維掃描系統設備（像素200萬，掃描點距 0.1mm ，掃描精度 0.2mm ）對水射流破巖沖擊后的破碎坑進行掃描，如圖5所示。獲得花崗巖試件沖擊破碎表面結果，并使用三維掃描系統自帶的處理軟件Optical Rev Eng2.4 進行降噪與優化。通過建模軟件對三維掃描系統中獲得的高精度多邊形網格進行填充和切分，獲得不同試驗參數條件下的增壓式脈沖水射流破碎的巖石試件的破碎坑的高精度三維模型，如圖6所示。

圖5破碎坑三維掃描示意圖

Fig.53D scanning diagram of crushing pit

圖6 30～60MPa 下破碎坑三維掃描部分結果 Fig. 6 Partial results of 3D scanning of crushing pit under 30-60MPa

以 p_i=60MPa，H=50mm，D=0.5mm，t=120 s下增壓式脈沖水射流破巖試驗為例，根據三維實體模型可以通過軟件直接對破碎坑的最大破壞直徑、最大破壞深度、破壞體積、破壞表面積進行自動測算。剔除掉因操作及其他外界干擾所造成的影響外，獲得5次試驗結果及相關破巖性能數據，如表2所示。

表2破巖性能參數

Table 2Parameters of lithology breaking performance

由表2可知，利用三維掃描技術對射流沖蝕后的花崗巖進行掃描，可以實現破巖效果的定量表征，且表征結果精度較高。但是，同一射流參數、同一批花崗巖試件下，多次破巖試驗的4個常用破巖性能參數都存在較強的離散性，僅有破壞深度的極值出現頻率較低。三維掃描技術實現了射流沖擊破巖效果的精確表征，但由于表征結果具有很強的離散性，難以反映破巖條件對破巖效果的影響規律，為了探究增壓式脈沖水射流沖擊硬巖在破碎效果上的規律，以直觀反映射流沖擊破巖性能，需要解決表征結果的離散性。此外，第二組試驗中的破壞直徑、破壞深度、破壞體積、破壞表面積等參數明顯小于其他4組。在進行下一步數據處理前，該組試驗數據作為異常組略去。

3 泊松盤采樣

通過三維掃描獲得的破碎坑三維模型是由具有三維坐標的點構成的，這些點的集合也稱為點云[25]為解決宏觀表征結果離散性強的問題，提出利用泊松盤采樣對破碎坑三維模型進行處理。如圖7所示，泊松盤采樣的主要特征是保證點云中任意兩個點的距離都不會超過或低于一定的界限，能夠均勻地生成隨機分布的點云數據，即能確保反映點云數據整體的規律性，又能免除了在特定位置的失真。

理想的泊松盤采樣須滿足任意兩個采樣點直徑的距離大于給定的采樣半徑，且采樣區域的每個點都有相同的概率被采樣[26]。如圖8所示，紅點為待確認點，黑點為采樣失敗點，藍點為已確認點。從獲得的原始點云數據中隨機選取中心點 P ，以 P 為中心在一個圓環范圍（內外半徑分別為 r 和 2r ）內隨機采樣點 K 個，對采樣的 K 個點逐一檢驗：如果采樣點周圍 r 范圍內有紅點或藍點，說明采樣失敗，該點標記為黑點并從原始點云中刪除；如果半徑 r 范圍內沒有點則采樣成功，該點變成紅色的待確認點，其周圍可能還可以進行采樣；如果一個紅色點的 r～ 2r 范圍內的點都是黑點，說明這個點周圍無法生成一個滿足條件的點，該點變為確認點，后續不再以它為圓心進行采樣。

圖7隨機采樣和泊松盤采樣

Fig.7Random sampling and Poisson disk sampling

圖8泊松盤采樣示意圖Fig.8Poisson disk sampling diagram

如圖9所示，根據掃描設備的數據精度要求，設定泊松盤采樣最小距離半徑 r 為 0.1mm ，獲得采樣點云數據。點云數據的三維坐標中的高程坐標等效代表破碎坑曲面上某點的破壞深度，由于點云的密度較大，每個點都可以認為代表著單位面積內的平均破壞深度。

圖9破碎坑泊松盤采樣

Fig.9Poisson disk sampling of crushing pit

以 p=60MPa，H=50mm，D=0.5mm，t=120 s下增壓式脈沖水射流破巖試驗為例，對曲面深度進行簡化及排序，可以獲得增壓式脈沖水射流破巖曲面深度的變化，如圖10（a）所示。基于多次試驗結果的曲面深度的占比變化，采用二次項函數對擬合累積占比和曲面深度的關系進行擬合，得到擬合曲線，如圖10（b）所示。多次射流破巖試驗的結果擬合形成新的破巖性能表征參數，即擬合曲面深度，該值反映射流破巖曲面變化趨勢。基于圖10（b）計算得到增壓式脈沖水射流破巖試驗的最大擬合曲面深度為 6.17mm ，即射流破巖擬合最大深度為6.17mm 。通過該參數能夠擬合多次破巖試驗數據，降低數據的離散性，準確反映射流宏觀破巖性能，便于探究射流破巖規律

圖10 曲面深度占比

Fig.10Proportion of surface depth

增壓式脈沖水射流破巖規律

4.1 射流壓力

經過離散性處理的數據直觀反映了增壓式脈沖水射流的射流壓力對硬巖破碎效果的影響規律，不同射流壓力曲面深度占比如圖11所示。

圖11（a）中擬合曲線表明，最大曲面深度隨射流壓力的升高而增大。當壓力不高于 50MPa 時，射流破巖的最大深度約為 3.77mm ，且壓力對破巖深度影響較小；當壓力達到 60MPa 時，破巖深度大幅上升至7.29mm ，上升幅度超過了 93.4% 。證明增壓式脈沖水射流沖擊破碎硬巖也存在著階躍效應[27] 。

增壓式脈沖水射流發生裝置在低壓流體不斷注入下，通過換向閥的狀態切換，形成對推動活塞運動的油液換向，使活塞能夠形成往復運動間歇擠壓增壓腔中的水，增壓腔內壓力會隨之產生周期性變化低壓流體的輸入壓力影響活塞運動速度，從而影響增壓式脈沖水射流發生裝置的脈沖頻率與射流壓力。如圖12所示，一方面，隨著輸入壓力的增大，射流壓力提高，試件受到的水錘壓力增大，試件表面更容易形成沖蝕坑；另一方面，脈沖頻率隨著輸入壓力的增大而提高，脈沖頻率越高，試件在單位時間內受到更多次沖擊。在高脈沖頻率與高水錘壓力共同作用下，花崗巖試件出現宏觀斷裂，導致破碎坑曲面深度的躍升。

圖11不同射流壓力下曲面深度占比Fig.11Proportion of surface depth underdifferent jet pressures

從曲面深度的占比上看，隨著射流壓力的逐漸增加，低深度（小于 2mm ）的占比降低，而較大深度（大于 2mm ）的占比逐漸增加，表明破碎坑曲面的曲率增大。這同樣是由于高壓水射流作用下兩種破壞形式相互作用所導致的。脈沖射流壓力的增大導致水錘壓力的上升，能夠在花崗巖表面形成更深的沖蝕孔。高壓力的射流進入沖蝕孔及花崗巖本身的缺陷中，形成水楔作用，也更容易誘導微小裂隙擴展形成自由面，導致宏觀斷裂的出現。不同射流壓力曲面深度擬合系數如表3所示。

4.2 靶距

不同靶距擬合曲面深度如圖13所示。圖13（a）表明，在靶距低于 100mm 時，擬合的不同靶距下增壓式脈沖水射流破巖破碎坑曲面深度的上升趨勢與極值幾乎保持不變，表明當靶距小于 100mm 時增壓式脈沖水射流對巖石的破巖效果幾乎恒定；在靶距為 100mm 時，曲面深度值上升速率最快，且具有最大擬合曲面深度 7.29mm 。隨著靶距的繼續增加，破巖效果迅速下降。當靶距為 150mm 時，射流自噴嘴中射出后會與空氣相互作用，并快速發散、霧化，作用在巖石上的能量也會由于沖擊面的加大而急劇分散。這導致了射流對巖石的沖擊能量的不集中，難以侵入巖石的微小結構面中，引導自由面的擴展形成宏觀斷裂，因此試驗中出現了大量的極小沖蝕孔的現象。

如圖13（b）所示，不同靶距曲面深度的占比表明靶距 150mm 時射流破巖能力最弱，此時破碎坑曲面深度低于 1mm 的占比最大。靶距 100mm 的射流破巖能力最強，此時小于 4mm 的破碎坑曲面深度的占比均最小，大于 6mm 的破碎坑曲面深度的占比均最大。在本文的試驗條件下，最優靶距為100mm 。當靶距小于 100mm 時，射流作用于巖石表面會產生反濺，反濺的射流大幅度消耗初始射流具有的能量；當靶距大于 100mm 時，發散、霧化加劇，作用在巖石上的能量也會由于沖擊面的加大而急劇分散，導致了射流對巖石的破壞能量的不集中，難以侵入巖石的微小結構面中，引導自由面的擴展形成宏觀斷裂[28]，因此試驗中出現了大量的極小沖蝕孔的現象。不同靶距曲面深度擬合系數如表4所示。

圖13不同靶距擬合曲面深度 Fig.13Fitting surface depth for different targetdistances

表4不同靶距曲面深度擬合系數

Table 4 Fitting coefficients of surface depth under different target distances

5 結束語

提出了基于三維掃描和泊松盤采樣的射流破巖效果宏觀表征方法，即對沖蝕后的花崗巖試件進行三維掃描，獲取沖蝕坑的點云數據，再通過泊松盤采樣對點云數據進行重構，將擬合得到的曲面深度作為宏觀表征參數。利用該方法評價了增壓式脈沖水射流破巖效果，結果表明增壓式脈沖水射流與高壓水射流的破巖特征相似。射流壓力越高，破巖曲面深度越大；破巖曲面深度隨靶距的增加先增大后減小，存在最優靶距。不同的是，隨著射流壓力的增加，增壓式脈沖水射流發生裝置活塞運動頻率增大，單位時間內巖體受到更多次沖擊，花崗巖試件出現宏觀斷裂的可能性極大增加，導致破碎坑破巖性能參數的躍升。

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