高壓水射流破碎巖石的原理

本文格式為Word版，下載可任意編輯——高壓水射流破碎巖石的原理高壓水射流破碎巖石的原理

1引言

高壓水射流是近30年發(fā)展起的切割、破巖、清洗、除垢(銹)新技術(shù)，正越來越廣泛地應(yīng)用于煤炭、石油、化工、機(jī)械、建筑、交通、航空和軍工等部門[1]。隨著設(shè)備研制水平的提高，射流技術(shù)逐漸由高壓向超高壓方向發(fā)展，超高壓水射流技術(shù)已成功地應(yīng)用于金屬、巖石與復(fù)合材料的縝密切割、破碎和加工[2]，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，應(yīng)用前景十分廣闊。但目前人們對水射流沖擊破巖機(jī)理的認(rèn)識依舊不夠深入，造成這種局面的主要原因是水射流本身的繁雜性，破巖過程短暫且變化多端，再加上巖石材料的透明性差，研究人員很難觀測和捕獲到水射流沖擊巖石時巖石內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變及其他相關(guān)信號。對水射流作用下巖石產(chǎn)生的破壞主要以哪種形式為主，是拉應(yīng)力、切應(yīng)力、還是壓應(yīng)力引起的，以及巖石破碎發(fā)展過程仍存在廣泛的整治[3-5]。

水射流破巖機(jī)理的研究現(xiàn)狀與存在問題包括:①水射流破巖機(jī)理的研究，難點在于水射流加載特性和巖石破碎機(jī)理兩方面；②理論研究與試驗研究手段存在局限，對水射流作用下巖石破壞機(jī)理的觀點多，還沒有形成統(tǒng)一學(xué)說；③水射流的加載特性和巖石的破壞形式存在廣泛整治；④射流沖擊下巖石的破碎主要與應(yīng)力狀態(tài)和材料強(qiáng)度有關(guān)，沖擊中水射流產(chǎn)生的應(yīng)力分布對確定破碎機(jī)理十分重要；⑤數(shù)值方法對射流的描述較為簡化，導(dǎo)致射流沖擊載荷與巖石內(nèi)部應(yīng)力分布計算存在誤差；⑥水射流沖擊下流體與巖石介質(zhì)的禍合作用分析不夠。

2水射流破巖研究進(jìn)展

2.1吞噬射流的理論研究

具有一定尺寸的液體不受固體邊界的限制在一致或不同的介質(zhì)中滾動稱為射流。

當(dāng)射流射入密度較射流本身密度小的介質(zhì)中稱為非吞噬射流；當(dāng)射流射入密度較本身密度大或相等的介質(zhì)中稱為吞噬射流。

吞噬射流依其射入邊界條件，又可分為自由射流及非自由射流。

射流的密度與被射入介質(zhì)的密店拼目等，且未被固體邊界所限制(或這種限希可忽略)時，這種射流稱為吞噬自由射流。反之，稱為吞噬非自由射流。

吞噬自由射流的結(jié)構(gòu)見圖2-1。固體邊界對吞噬非自由射流造成的影響見圖2-2。在油井內(nèi)，噴嘴射出的射流尋常是吞噬非自由射流。

圖2-1吞噬自由射流的結(jié)構(gòu)

圖2-2吞噬非自由射流的邊界

吞噬自由射流從噴嘴射入一致的介質(zhì)中，射流便不斷地擴(kuò)大，當(dāng)達(dá)到一定距離時，射流就在介質(zhì)中消失。

射流自軸又水你的噴嘴噴出后呈錐形擴(kuò)散，錐形面也叫邊界面，它將射流與介質(zhì)分開。隨著射流離開噴嘴距離的增加，射流的直徑及水力參數(shù)不斷變化，此變化的原因是射流在介質(zhì)中受到粘滯勝和紊動性的影響。

射流自噴嘴射出之后，則在射流與周邊介質(zhì)之間形成較大的速度梯度。由于粘滯勝的作用，射流與周邊介質(zhì)相混合，在邊界上形成漩渦，這時，射流周邊的質(zhì)點一方面被射流帶走，一方面產(chǎn)生了垂直與射流軸線的滾動，發(fā)生紊動，這就造成動量交換。當(dāng)這些質(zhì)點進(jìn)入射流范圍時就把自己的動量傳遞給與射流相接觸的液層。由于射流邊界上質(zhì)點的動量交換使得射流質(zhì)量增加，直徑變大，又由于

能量消耗而使流速逐漸降低。

然而射流中心的流速并非一離開噴嘴出口立刻降低。在射流邊界上速度為零，而中心附近仍保持著出口的速度，這一核心稱為等速核。隨著距離增加，等速核直徑變小。到達(dá)一定的距離處，直徑變?yōu)榱?，等速核消失。存在等速核的區(qū)域稱為射流的初始核，在其后的部分叫射流的基本核。

射流初始段的長度取決于噴嘴的形伏，流體的性質(zhì)，雷諾數(shù)及噴嘴的流體壓力等因素。

射流自噴嘴射出后八J}}分化，產(chǎn)生擴(kuò)散，擴(kuò)散角為:

射流的速度分布可分為兩部分，在初始段內(nèi)，等速核內(nèi)的速度不變。從等速核邊界向外速度很快降低，至射流邊界速度降為零。

在等速核內(nèi)的速度為:

Aq.米洛維奇[7]借助于氣體射流的試驗確定了射流基本段上的軸心流速沿射流長度方向上變化的關(guān)系:

據(jù)試驗測定，β=6，因此初始段長度Lo=6do，但對于液體射流，射流基本段上軸心的流速不是按雙曲關(guān)系在長度方向上變化，而是按高次曲線變化的。

進(jìn)一步的研究得知，在吞噬射流中，t0不僅與噴嘴出口直徑有關(guān)，而且與噴嘴結(jié)構(gòu)有關(guān)。

對于吞噬非自由射流，由于邊界上回流的影響，使得射流邊界在捉巨噴嘴較遠(yuǎn)的地方向中心收縮，在一定的距離上，邊界收縮到一點，射流消失，在邊界之外，為上返的回流。

射流結(jié)構(gòu)特點及其分布規(guī)律決定了射流中心動壓力變化的規(guī)律。大量試驗研究說明，不同結(jié)構(gòu)噴嘴的射流中心動壓力是不同的，但基本規(guī)律是一致的。

射流的流體具有一定的密度，射流又具有一定的速度，射流前進(jìn)的方向上遇有障礙物時，射流就給它一個壓力，這個壓力就是射流的動壓力，根據(jù)水力學(xué)原理可知，射流的速度越高，動壓力越大。

在射流的初始段，由于速度不變，中心動壓力也是不變的，在基本段內(nèi)，由于中心的速度隨著距離L而變化，使中心的動壓力隨L的增加而急劇陽氏，見圖2-3。其變化規(guī)律可以下式:

圖2-3射流中心動壓力分布

AK.柯佐多依[8]通過理論推導(dǎo)得出:

噴嘴的幾何形伏不僅影響射流等速核的長度，也影響射流中心動壓力的分布。

2.2水射流結(jié)構(gòu)的研究

在早期的研究[8-11]中，無論是對空氣中的自由水射流還是吞噬水射流，人們都把它看作是連續(xù)射流。

通過大量的試驗研究及理論分析，人們逐漸地認(rèn)識到單純的連續(xù)水射流是極少存在的。

例如，K.Yanaida[9-12]在1974年提出的激光中研究空氣中的自由水射流時，認(rèn)為水射流是連續(xù)水射流。在1978年，他用照相方法及電子測量等技術(shù)來研究射流時，發(fā)現(xiàn)在空氣中的自由水射流有一個從連續(xù)變?yōu)椴贿B續(xù)的現(xiàn)象，他提出了射流“破碎〞的概念。

隨后紹立西德的F.Eramann-Jenitger[13]及中國礦院[14]等學(xué)者及科研單位的研究，發(fā)現(xiàn)空氣中的自由水射流都存在一個由連續(xù)的水射流變成微粒的過程。在靠近噴嘴出口的地方，射流可以近似的認(rèn)為是連續(xù)的。由于水域邊界上的空氣發(fā)生能量交換，空氣進(jìn)入射流中就逐漸地使水射流斷開，形成水片，繼續(xù)與空氣混摻，水片變成水柱，最終變成小水滴而霧化。從形成水片開始，射流就變成了連續(xù)的了。

對吞噬射流來說，F(xiàn).Eramann-Jesnitger[13][16]，N.C.Franz[15]，J.B.Cheung[17]

等人都證明白在使用一般的錐形噴嘴形成的射流中總是有空化氣泡產(chǎn)生的?？栈瘹馀葸M(jìn)入射流就使射流變成不連續(xù)的了。

空化氣泡進(jìn)入射流，給射流的特性帶來很大的變化，因而引起了好多學(xué)者越來越多的注意，從理論及試驗中研究空化現(xiàn)象的產(chǎn)生及應(yīng)用。

水在常溫下是液體，當(dāng)壓強(qiáng)一定時，溫度升高到沸點，水便汽化，形成蒸氣泡。同樣，當(dāng)溫度一定時，壓降降低到一定值，水體也會汽化，出現(xiàn)氣泡。這種因壓強(qiáng)降低而發(fā)生流體中液體汽化的現(xiàn)象就叫空化現(xiàn)象(Cavitation)。

自然水中含有大量的不溶于水的直徑為10-3-10-4毫米的小氣泡稱為氣核?？栈瘹馀菥褪且詺夂藶榛A(chǔ)發(fā)育起來的。

由水力學(xué)

[18]

原理可知，在流速增加時，壓降降低，在管路的收縮段，流速變

大，壓強(qiáng)降低。當(dāng)壓強(qiáng)降低到低于液體的蒸汽壓時，液體就以氣核為基礎(chǔ)形成空化氣泡。

由流體力學(xué)原理知，在流速分開區(qū)的漩渦中心，壓強(qiáng)較大的降低。流速越大，

壓強(qiáng)降低越大。因而易產(chǎn)生空化氣泡，因此在高速水流中，凡是以產(chǎn)生漩渦的地方都是易于產(chǎn)生空化氣泡的。

在吞噬射流中，由于射流邊界與靜止液體之間有速度梯度存在，己形成漩渦，因而易產(chǎn)生空化氣泡。在噴嘴內(nèi)部，也往往由于流速的突然變化而使壓力降低，形成空化氣泡。

FEradmann-Jeanitger把在射流邊界上生成的空化氣泡稱為“自由〞空化氣泡；把在噴嘴內(nèi)部生成的空化氣泡稱為“誘導(dǎo)〞空化氣泡。

空化氣泡不僅可以在吞噬射流中產(chǎn)生，而且在空氣中的自由射流也可以產(chǎn)生空化氣泡。E.FBeutin[19]等人證明，在空氣中的自由水射流僅僅在噴嘴內(nèi)部形成空化氣泡，而在射流邊界上不會有空化氣泡產(chǎn)生。

無論是吞噬射流還是非吞噬射流空化氣泡的生成都下力時流變成不連續(xù)的。近年來又有脈沖射流出現(xiàn)。它是人為地使射流發(fā)出一定頻率的脈動，形成一連串的自由液珠，可以明顯地提高射流對固體材料的破碎作用，由于射流技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn).Eramann-Jeanitger把射流分成三類:連續(xù)射流、沖擊射流及混合射流。其形狀如圖2-4。

圖2-4射流的分類

能引起被沖擊的固體平面上有相對穩(wěn)定的壓力，載荷的射流叫連續(xù)射流。如圖2-4(a),只能近似地認(rèn)為在空氣中的自由水射流在靠近噴嘴出口附近的一小段水流是連續(xù)射流。在空氣中產(chǎn)生液珠的自由水射流以及專門用脈沖設(shè)備產(chǎn)生的脈沖射流都屬于沖擊射流。

沖擊射流對固體平面所產(chǎn)生的壓力載荷是隨著時間而發(fā)生脈動的，如圖2-4(c)。

介于兩者之間的射流稱為混合射流。

例如含有空化氣泡的吞噬射流[圖2-4,b(1)]，自由射流中己出現(xiàn)水片，但尚未形成液珠的部分[圖2-4,b(2)]，都是混合射流。大部分的射流都是屬于混合射流。

混合射流對固體平面所產(chǎn)生的壓力載荷，既有穩(wěn)定的部分，又有波動的部分。

3高壓水射流沖積巖石介質(zhì)流固耦合機(jī)理分析

3.1數(shù)值分析理論模型與計算參數(shù)

運用全解耦流固耦合理論，建立了高壓水射流沖擊破巖系統(tǒng)的數(shù)值分析理論模型，水射流采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型和控制體積法，巖石采用各向同性彈性介質(zhì)和有限元法，給出了水射流與巖石禍合的數(shù)值算法[20]。按水射流沖擊破巖示意圖3-1建立計算的模型，計算了巖石在水射流速度為447.2m/s,547.7m/s和632.5m/s沖擊下流場規(guī)律和巖石內(nèi)部的應(yīng)力分布，為超高壓水射流破巖機(jī)理的研究奠定基礎(chǔ)。

圖3-1水射流沖積破巖示意圖

數(shù)值計算基本計算參數(shù)為:噴嘴直徑d=2.2mm，水射流驅(qū)動壓力分別為100MPa、150MPa和200MPa，按Bernoulli方程，其對應(yīng)的噴嘴出口速度取v=447.2m/s、547.7m/s、632.5m/s，噴距(噴嘴出口到?jīng)_擊面距離))h=20~100mm，水的密度ρ=1000kg/m3，粘度μ0=0.001Pa·s，巖石介質(zhì)彈性模量E=90GPa，泊松比v=0.25。

3.2水射流沖積作用下巖石介質(zhì)應(yīng)力分布規(guī)律

在水射流沖擊的作用下，巖石介質(zhì)的應(yīng)力分布規(guī)律主要可歸納為如下兒方面。（1)沖擊壓力分布。圖3-2給出了不同噴距下沖擊面上壓力分布規(guī)律?？梢?/p>

看出，最大沖擊壓力位于沖擊中心，隨徑向距離增加沖擊壓力迅速衰減，有效沖擊范圍隨噴距的增加而略有增加。圖3-3為不同噴距下軸心沖擊壓力的計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比[21]?？梢钥闯觯瑑烧呋疚呛?，數(shù)值計算結(jié)果比試驗結(jié)果對應(yīng)的值偏大，主要原因有兩個:一是試驗中的小孔法測量本身存在的試驗誤差，由其試驗原理可知，小孔測壓中心很難與噴嘴軸線對中，而且沖擊壓力徑向衰減曲線陡峭，所測壓力也只是沖擊區(qū)平均值，測量值顯然比實際??；另外一個原因是k-ε雙方程數(shù)值模型在預(yù)計高速水射流也存在計算誤差。但從總體上說，數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，說明數(shù)值計算是可行的。

圖3-2不同噴距下沖擊面上徑向壓力分布規(guī)律（v=632.5m/s）

圖3-3不同速度不同噴距下軸心沖擊壓力

(2)最大和最小主應(yīng)力分布。圖3-4給出了射流速度為v=632.5m/s巖石介質(zhì)內(nèi)部最大主應(yīng)力分布?？梢钥闯觯谏淞鳑_擊區(qū)，巖石介質(zhì)處于受壓狀態(tài)(壓力值為負(fù))，在沖擊中心，壓應(yīng)力值最大，隨徑向距離的增加，應(yīng)力值迅速下降，并逐漸轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力位于沖擊表面邊緣某個位置。最大拉應(yīng)力位置離沖擊中心的徑向距離與噴距呈線性關(guān)系(圖3-5)。對于像巖石類的脆性材料，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，在水射流作用下，介質(zhì)表面存在拉仲破壞，拉仲裂紋在水射流沖擊邊緣開始產(chǎn)生，大量試驗所觀測到的現(xiàn)象是一致的。

圖3-4固體介質(zhì)內(nèi)部最大主應(yīng)力分布（MPa）（v=632.5m/s，h=20mm）

圖3-5最大控應(yīng)力位置隨噴距的變化關(guān)系（v=632.5m/s）

(3)最大切應(yīng)力分布。圖3-6為射流v=632.5m/s,h=20mm時最大切應(yīng)力分布規(guī)律。同樣可以看出，切應(yīng)力在徑向方向隨距離的增加而不斷減小，切應(yīng)力是由介質(zhì)內(nèi)部向表面擴(kuò)展。圖3-7給出了不同速度下巖石介質(zhì)對稱軸線上的最大切應(yīng)力分布，可以看出，最大切應(yīng)力并不在介質(zhì)表面，而是在表面沖擊中心下部約0.5倍噴嘴直徑。假使以抗剪強(qiáng)度來表征介質(zhì)的破壞，那么介質(zhì)剪切破壞將從內(nèi)部開始，形成剪切裂紋，裂紋進(jìn)一步向沖擊接觸面擴(kuò)展，使碎塊脫離介質(zhì)基體。

圖3-6巖石介質(zhì)內(nèi)部最大切應(yīng)力分布（MPa）（v=632.5m/s，h=20mm）

圖3-7巖石介質(zhì)對稱軸線上的最大切應(yīng)力分布（h=20mm）

4水射流沖蝕巖石的影響因素

高壓吞噬射流沖蝕巖石等脆性材料，其破壞機(jī)理是十分繁雜的，影響其破巖效果的因素也好多，國內(nèi)外學(xué)者看法不拐嬌目同。盡管近幾年來大量學(xué)者在這方面做了大量研究工作，普遍認(rèn)為射流壓力、噴嘴直徑、噴射距離、噴射角度、噴嘴移動速度等幾方面影響比較大。

射流引起巖石的破壞主要是通過水楔作用，當(dāng)水楔形成的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力超過巖石的抗拉和抗剪的極限強(qiáng)度時就會在巖石中形成裂隙。裂隙初步形成和匯交后，水射流將進(jìn)入裂隙的空間，在裂隙尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，使裂隙迅速發(fā)展和擴(kuò)大致使巖石破碎形成圓柱狀沖擊坑或漏斗坑。另外，F(xiàn)oreman和Secor提出，水射流沖擊下巖石被破壞是由于:在巖石介質(zhì)中引起應(yīng)力波和持續(xù)的水射流沖擊應(yīng)力場;水對孔隙和裂隙的刺入引起與拉應(yīng)力的應(yīng)力場相伴的內(nèi)應(yīng)力。總的說來，射流壓力是影響破巖效果的一個相當(dāng)重要的因素。

噴嘴直徑也是影口向破巖效果的又一重要因素，假使噴嘴直徑過大勢必影響射流壓力的提高，過小則不能有效地清潔井底，不能產(chǎn)生足夠大的水功率，這都不能有效提高破巖效率，所以適當(dāng)?shù)膰娮熘睆降倪x取在石油鉆井中顯得尤為重要。

噴射距離是破巖的一個至關(guān)重要的因素，加拿大N.C.Franz及M.M.Vijay提出了用吞噬射流沖蝕固體時有一個“最優(yōu)距離〞，在這個“最有距離〞上，沖蝕體積達(dá)到最大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是與吞噬射流中產(chǎn)生的空化現(xiàn)象有關(guān)。在吞噬射流中，錐形噴嘴在局部低壓區(qū)產(chǎn)生空化氣泡，當(dāng)空化氣泡移動到某個高壓區(qū)，空化氣泡就會爆破，假使在固體邊界附近有.空化氣泡爆破時，高壓沖擊波不斷的傳遞到固體界面上，造感職寸材料的破壞，這種現(xiàn)象叫空蝕現(xiàn)象。

假使沒有適合的噴距，即使壓力超過了巖石的門限壓力，也無助于破巖效率

的提高。在吞噬狀態(tài)下射流的等速核要比在空氣中短得多，所以刻門盡量要使射流噴距在等速核以內(nèi)，這樣才能發(fā)揮水射流的破巖作用，提高破巖效率，但是不是說只要保證噴距在射流流等速核以內(nèi)就可達(dá)到最優(yōu)的破巖效率，這里面還存在一個最優(yōu)噴距的問題。

另外噴射角度也是一個影響破巖很重要的因素，國內(nèi)外不少學(xué)者就這一問題作了大量研究工作，普遍認(rèn)為在100左右最優(yōu)。一些切割試驗說明，水射流垂直沖擊物體時(0度)，切割深度較大，隨著噴射角度的加大，切割深度逐漸減小，他們認(rèn)為這是由于過大的噴射角加劇了射流的反射作用，從而降低了射流的沖蝕能力。同時還應(yīng)指出的是，噴射角度還與噴嘴移動方向有關(guān)，這是由于切割過后的水射流攜帶切屑以一定的速度沖刷被切割材料，從而使切割深度進(jìn)一步增加。同時，當(dāng)水射流的噴射角偏向噴嘴移動方向時，延長了高速射流與被切害吻體的接觸時間，從而使切害深度超過垂直噴射時的深度。日松木浩二的試驗說明，射流噴射角向噴嘴移動方向傾斜100左右時，其切害蛛度較垂直射流是提高20%，反之，射流噴射角與噴嘴移動方向相反時，由于射流與被切割物體的接觸時間大大減少，其切割深度明顯不如垂直噴射時深。在其它條件不變的狀況下，圖4-1為前人所作的一組噴嘴方位角與射流清洗效果試驗結(jié)果圖。

圖4-1噴嘴方位角和噴嘴傾角對射流清洗力影響

5高壓水射流破巖理論

盡管水射流破巖技術(shù)已廣泛應(yīng)用于礦山開采、石油鉆探和巷道挖掘、巖石切割等有關(guān)工程領(lǐng)域，但是，人們對水射流作用下巖石的破碎機(jī)理的認(rèn)識仍舊是眾說紛紜、莫衷一是，還沒有形成一種較為統(tǒng)一的學(xué)說，其中最主要的原因是水射流破巖過程的繁雜性，由于它在短暫的過程中涉及到流體、固體和流固藕合等眾

多學(xué)科。

5.1準(zhǔn)靜態(tài)彈性破碎理論

該理論將射流對巖石的沖擊力看作準(zhǔn)靜態(tài)的集中力，大小等于射流滯止壓力，作用于半無限彈性體上，以彈性強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，將巖石的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度作為巖石破碎的判據(jù)，當(dāng)射流液流沖擊在巖石上產(chǎn)生的應(yīng)力超過巖石的強(qiáng)度時，巖石發(fā)生破壞。

靜態(tài)彈性破碎理論認(rèn)為，巖石在射流的沖擊作用下，其內(nèi)部的應(yīng)力分布狀況與半空間彈性體在集中載荷作用下的應(yīng)力分布相像，在沖擊區(qū)正下方某一深處將產(chǎn)生最大剪應(yīng)力，沖擊接觸區(qū)邊界周邊產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于巖石抗拉、抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，雖然沖擊產(chǎn)生的壓應(yīng)力達(dá)不到巖石抗壓強(qiáng)度，而拉應(yīng)力和剪應(yīng)力卻分別超過了巖石的抗拉和抗剪的極限強(qiáng)度，導(dǎo)致巖石破壞。

較有代表性的理論有密實核一劈拉破巖理論，即運用赫茲接觸理論將水射流破巖過程簡化為具有一定速度的剛體壓入巖石半無限體，當(dāng)最大剪應(yīng)力和拉應(yīng)力超過巖石的抗拉、抗剪強(qiáng)度時，出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展到?jīng)_擊接觸面，形成由巖粉組成的密實核，在水射流與未破壞的巖石之間起“巖墊〞作用。當(dāng)射流繼續(xù)沖擊它時，密實核的體積縮小，密度增大而儲能，形狀變成橢球體，當(dāng)密實核儲蓄的能量達(dá)到一定程度時，它將開始膨脹而釋放能量，使它周邊的巖石產(chǎn)生切向拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度時，巖石壁上將出現(xiàn)徑向裂隙，由于密實核處于高壓狀態(tài)，核中的巖粉以粉流形式鍥入徑向裂隙，并在靠近阻力較小的自由面方向劈開巖石，從而完成脆性巖石的躍進(jìn)式破碎（體積破碎)。

準(zhǔn)靜態(tài)破巖理論能解釋一些水射流破巖石機(jī)理，特別是對于連續(xù)射流破巖中門限壓力的存在。不過門限壓力不總和巖石的強(qiáng)度存在關(guān)系，而且好多試驗現(xiàn)象與準(zhǔn)靜態(tài)理論存在很大差異，如脈沖、休止和超音速等射流沖擊引起大塊巖石的破碎，空氣和吞噬條件下射流破巖存在最優(yōu)噴距、水錘效應(yīng)等，準(zhǔn)靜態(tài)破巖理論顯然存在局限性。

5.2應(yīng)力波破碎理論

與準(zhǔn)靜態(tài)破巖石理論不同，應(yīng)力波破碎理論認(rèn)為，水射流沖擊的沖擊載荷是動載，在巖石中產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波的作用是造成巖石破壞的主要原因。

應(yīng)力波破碎理論最早用來解釋高速液滴、脈沖射流等引起的破巖現(xiàn)象。好多學(xué)者對液滴和脈沖射流引起的壓力分布作過深入研究，如:YenCHuang和FGHarrmitt等利用非定常流理論建立二維液滴沖擊固定的剛性平板時，液滴的形態(tài)變化及其內(nèi)部瞬態(tài)壓力分布和速度分布。FJHeymann建立了水錘壓力計算式并得到廣泛應(yīng)用，他認(rèn)為沖擊波的速度對射流的沖擊壓力影響很大。FPBowderg，JFField，S-WKang等也對超音速射流沖擊下物體的變形與破壞、應(yīng)力波的作用等進(jìn)行過大量研究，得出好多有用的結(jié)論。應(yīng)力波破碎理論的基本觀點是在高壓水射流作用下，被沖擊區(qū)在強(qiáng)大壓縮波的作用下處于絕對受壓狀態(tài)，直到液滴向外作徑向滾動，作用在固液表面的壓力才由水錘壓力降至滯止壓力，由于壓力急劇下降，壓縮波被反射后形成強(qiáng)大的徑向拉力，當(dāng)拉力值超過巖石的破碎強(qiáng)度時產(chǎn)生裂紋。

應(yīng)力波理論對解釋超高速（音速)射流的破巖機(jī)理是適合的，它解釋了大量靜態(tài)理論無法解釋的現(xiàn)象。但由于水射流沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波作用范圍與固體撞擊或爆炸沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波存在差異，對于水射流沖擊下應(yīng)力波產(chǎn)生的條件、在巖石內(nèi)的傳播及作用范圍等的認(rèn)識還存在局限。另外，對于中低速射流特別是吞噬射流作用下巖石中是否有應(yīng)力波存在及應(yīng)力波對巖石破碎所起的作用的研究有待進(jìn)一步深入。

5.3氣蝕（空化）破碎理論

所謂氣蝕就是由充滿蒸汽或空氣的負(fù)壓空穴在固體表面破碎而產(chǎn)生的，根據(jù)Rayleigh的理論，假使氣泡的破碎能量集中在一點上，它產(chǎn)生的壓力十分大，可達(dá)680一6800MPa，Crow認(rèn)為氣蝕作用是造成巖石破壞的主要原因，在水射流沖擊下，巖石表面受到很高的壓力作用，巖石顆粒前后的壓力不同，兩者的壓力差就具備了氣蝕條件。由于水射流沖擊下巖石表面同時產(chǎn)生猛烈的氣蝕破壞，所以巖石表面的顆粒又受到剪力的作用。

氣蝕破壞包括機(jī)械作用、化學(xué)作用和熱作用等，但以機(jī)械作用為主為大多數(shù)人所接受。氣蝕射流所產(chǎn)生的破壞很大程度上是由于液體的微射流沖擊巖石表面所產(chǎn)生的，其破壞機(jī)理與連續(xù)射流有大量相像之處。當(dāng)氣蝕射流沖擊到物體表面，小坑邊緣四周突起，呈一環(huán)形裂紋，有時也會出現(xiàn)徑向裂紋和液體在巖石表面的滾動。氣蝕破壞理論與空氣中的一束水破壞理論基本一致，只是大小不同而已，

氣蝕破壞是微觀的，但有效破壞力大。

吞噬射流所產(chǎn)生的空化破壞能大大提高破巖效率，這已被大量試驗所證明。但由于空泡破碎的強(qiáng)度大，用試驗手段很難測得氣蝕射流對巖石的破壞強(qiáng)度，加上吞噬條件特別是圍壓條件下空化的初生、發(fā)展與破壞還存在不同的認(rèn)識，射流中空泡的密度難以確定，空泡的實際破壞只能作定性分析，氣蝕破巖理論還沒形成理論模型。

5.4裂紋擴(kuò)展破碎理論

裂紋擴(kuò)展理論認(rèn)為，水射流作用前巖石中存在的初始裂紋，巖石的破壞是裂紋擴(kuò)展而破碎的結(jié)果。因裂紋擴(kuò)展機(jī)理不同，裂紋擴(kuò)展破碎理論包括兩種理論:一種是斷裂力破碎理論，認(rèn)為巖石在水射流沖擊作用下產(chǎn)生裂紋，裂紋在沖擊應(yīng)力作用下擴(kuò)展、交匯，最終形成破碎坑;另一種理論是拉伸水楔作用理論，認(rèn)為射流沖擊下，高壓水射流能有效地順著裂紋尖端傳播，水侵入裂隙空間以后，對裂隙產(chǎn)生一應(yīng)力場，在裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，它使裂隙迅速發(fā)展擴(kuò)大，致使巖石破碎。

裂紋擴(kuò)展破碎理論比彈性強(qiáng)度理論更恰當(dāng)?shù)孛枋隽藥r石的破巖過程，而且有好多試驗現(xiàn)象支持。水射流作用下巖石的破碎是裂紋擴(kuò)展的結(jié)果基本上成為共識，存在的分歧是引起裂紋的擴(kuò)展的原因。對于巖石中孔隙壓力的分布以及孔隙壓力對巖石破壞的貢獻(xiàn)還沒有具有說服力的理論。另外，假使能從理論上考慮破碎坑的形成與裂紋擴(kuò)展傳播存在關(guān)聯(lián)將更好地證明巖石破碎是裂紋擴(kuò)展的結(jié)果，從而使該理論更具有說服力。

5.5損傷破碎理論

倪紅堅[22