基于固体流体力学原理对破岩机理的探讨

摘 要：本文以旋转高压水射流为例，分析其对石料的冲击力及压缩水波对石料的作用，通过理论公式的推导和解析得到旋转水射流破坏石料的特点。

关键词：旋转水流 冲击力 压缩水波 岩破机理

一、旋转高压水射流破岩原理

当高压水射流作用于物体表面时可破坏材料的结构，大多是由水射流的冲击力、水楔作用、水射流脉冲负荷引起的破坏作用及空气蚀破坏作用。

旋转的水射流让射流介质得到离心力并向四周扩散，比一般水射流的扩散角大得多，对应射程就小，紊流强度也大。旋转射流的扩散角大于一般射流的扩散角，从而促进了周围介质与射流介质的物质和能量互换。由于射流离心力的作用，使得射流的压强分布规律发生了改变，从而射流边界沿径向至射流轴线的压强降低。

二、水射流对岩石材料的冲击力

我们用质点或刚体碰撞来分析旋转水射流对岩石材料的冲击力，因为刚体和质点均不变形，则碰撞前后动量守恒，总能量也守恒。相互碰撞后立即分开，接触时间为零，水射流对岩石表面的总冲击力：，式中：q为水射流体积流量，v为水射流流速，β为水射流方向变化的角度，触及岩石表面瞬时为旋转射流的扩散角，旋转射流的扩散角要比直射流大得多；当β=180°时，为理论最大值：，式中d为喷嘴直径，p为射流压力。

由于射流流体是非刚体，发生碰撞时进行切割的水射流冲击压力超过材料强度。有弹性变形和塑性变形，冲击压力一定大时还会产生流体动力学。这时冲击材料不再有刚性，只有压缩流体性质，材料在冲击压缩过程中破碎，能量消耗。变形发生的情况下的冲击力远大于实际冲击力。

三、压缩水波对岩石材料的破坏作用

拉应力是对岩石材料破坏的主要作用，在横向裂纹、锥状裂纹和径向裂纹中表现。当水射流与综合体碰撞时均发生压缩变形，部分动能转变为应变能，射流不能立刻与综合体脱离接触，而在射流及综合体弹性恢复力作用下，射流才能离开，从而在射流与综合体之间产生了压缩波即纵波，而在接触区域以外的介质中还将产生横波，波在传播至两种交接面时，一部分透射，而另一部分反射，折射使材料产生拉伸。岩石和水泥都是抗拉强度很低的材料，受拉伸作用而破坏。另外，在射流工作压力很高，射流速度也很高时，产生的压力超过材料抗压强度很多倍，也可能由于压缩水波而破坏，即发生侵彻过程。因此由水射流撞击体表面产生的应力波是岩石破坏的主要因素。

设旋转水射流束的声速为cs，密度为ρs。假设声波在射流中传播没有能量损失；静态压强ps、静态密度ρs都是常数；声波传播时不产生热交换；是小振幅声波的传播，静态压强ps略大于声压p，声速cs略大于质点速度u，声波波长略大于质点位移。则有水射流波动的基本方程如下。

运动方程：连续方程：物理方程：

式中：x为传播方向，P为射流压强，ρ为射流密度。由于是小振幅声波射流的传播，基本方程简化为：式中：u为质点速度，p为声压，ρ’为密度增量。从式中消去ρ’，得：

此两方程的解为：

式中：Pi，Pr，Ui，Ur为积分常数，代表声压和速度的振幅，ω为声波振动的圆频率，为波数。

当旋转水射流中的声速到达岩石表面时，将产生透射与反射。设旋转水射流和岩石的特性阻抗分别为Rp=ρpcp，Rs=ρscs （ρp，cp分别为岩石的密度和声速）。

入射波：

反射波：

透射波：

式中：

在分界面处声压连续，质点速度连续，即：

因此得到：

所以透射波声压和质点速度幅值分别见上式。

透射波在岩石中传播的质点速度为：

由波动引起的应变为：

波动引起的正应力为：

式中：λ，G为岩石的Lame常数。

波动引起的最大正应力为：

水射流的波动引起岩石的波动，波动引起的正应力，可由上述两式进行计算。当波动引起的拉应力超过岩石的抗拉强度时，岩体由于发生拉伸破坏而分离。由于旋转高压水射流独特的机理，旋转水射流破坏岩石的效果大于普通水射流。

（作者单位：江阴职业技术学院）