高压水射流破碎岩石的原理

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1、高压水射流破碎岩石的原理1引言高压水射流是近30年发展起的切割、破岩、清洗、除垢（锈）新技术，正越来越广泛地应用于煤炭、石油、化工、机械、建筑、交通、航空和军工等部门1。随着设备研制水平的提高，射流技术逐渐由高压向超高压方向发展，超高压水射流技术已成功地应用于金属、岩石与复合材料的精密切割、破碎和加工2，其应用领域不断扩大，应用前景十分广阔。但目前人们对水射流冲击破岩机理的认识仍然不够深入，造成这种局面的主要原因是水射流本身的复杂性，破岩过程短暂且变化多端，再加上岩石材料的透明性差，研究人员很难观察和捕捉到水射流冲击岩石时岩石内部应力应变及其他相关信号。对水射流作用下岩石产生的破坏主要以哪种形

2、式为主，是拉应力、切应力、还是压应力引起的，以及岩石破碎发展过程仍存在广泛的争论3-5。水射流破岩机理的研究现状与存在问题包括:水射流破岩机理的研究，难点在于水射流加载特性和岩石破碎机理两方面；理论研究与试验研究手段存在局限，对水射流作用下岩石破坏机理的观点多，还没有形成统一学说；水射流的加载特性和岩石的破坏形式存在广泛争论；射流冲击下岩石的破碎主要与应力状态和材料强度有关，冲击中水射流产生的应力分布对确定破碎机理十分重要数值方法对射流的描述较为简化，导致射流冲击载荷与岩石内部应力分布计算存在误差；水射流冲击下流体与岩石介质的祸合作用分析不够。2.1 水射流破岩研究进展淹没射流的理论研究具有一

3、定尺寸的液体不受固体边界的限制在相同或不同的介质中流动称为射流。当射流射入密度较射流本身密度小的介质中称为非淹没射流；当射流射入密度较本身密度大或相等的介质中称为淹没射流。淹没射流依其射入边界条件，又可分为自由射流及非自由射流。射流的密度与被射入介质的密店拼目等，且未被固体边界所限制（或这种限希可忽略）时，这种射流称为淹没自由射流。反之，称为淹没非自由射流。淹没自由射流的结构见图2-1。固体边界对淹没非自由射流造成的影响见图2-2。在油井内，喷嘴射出的射流通常是淹没非自由射流。图2-1淹没自由射流的结构图2-2淹没非自由射流的边界淹没自由射流从喷嘴射入相同的介质中，射流便不断地扩大，当达到一定

4、距离时，射流就在介质中消失。射流自轴又水你的喷嘴喷出后呈锥形扩散，锥形面也叫边界面，它将射流与介质分开。随着射流离开喷嘴距离的增加，射流的直径及水力参数不断变化，此变化的原因是射流在介质中受到粘滞胜和紊动性的影响。射流自喷嘴射出之后，则在射流与周围介质之间形成较大的速度梯度。由于粘滞胜的作用，射流与周围介质相混合，在边界上形成漩涡，这时，射流周围的质点一方面被射流带走，一方面产生了垂直与射流轴线的流动，发生紊动，这就造成动量交换。当这些质点进入射流范围时就把自己的动量传递给与射流相接触的液层。由于射流边界上质点的动量交换使得射流质量增加，直径变大，又由于能量消耗而使流速逐渐降低。然而射流中心的

5、流速并非一离开喷嘴出口立刻降低。在射流边界上速度为零，而中心附近仍保持着出口的速度，这一核心称为等速核。随着距离增加，等速核直径变小。到达一定的距离处，直径变为零，等速核消失。存在等速核的区域称为射流的初始核，在其后的部分叫射流的基本核。射流初始段的长度取决于喷嘴的形伏，流体的性质，雷诺数及喷嘴的流体压力等因素。射流自喷嘴射出后八J分化，产生扩散，扩散角为：式中:Q麒就橄朗dT閒喘入口宜径;曲環稠出门直牲;1一資嗓匕度“射流的速度分布可分为两部分，在初始段内，等速核内的速度不变。从等速核边界向外速度很快降低，至射流边界速度降为零。在等速核内的速度为：式中：血一册出流速;I量；嘴缶口面稅.Aq.

6、米洛维奇借助于气体射流的实验确定了射流基本段上的轴心流速沿射流长度方向上变化的关系：式申；L射流绘廢上轴业速便P射漩籌速檢长度索数匚据试验测定，0=6，因此初始段长度L=6d，但对于液体射流，射流基本段上轴心的流速不是按双曲关系在长度方向上变化，而是按高次曲线变化的。进一步的研究得知，在淹没射流中，t不仅与喷嘴出口直径有关，而且与喷嘴结构有关。对于淹没非自由射流，由于边界上回流的影响，使得射流边界在捉巨喷嘴较远的地方向中心收缩，在一定的距离上，边界收缩到一点，射流消失，在边界之外，为上返的回流。射流结构特点及其分布规律决定了射流中心动压力变化的规律。大量实验研究表明，不同结构喷嘴的射流中心动压

7、力是不同的，但基本规律是一致的。射流的流体具有一定的密度，射流又具有一定的速度，射流前进的方向上遇有障碍物时，射流就给它一个压力，这个压力就是射流的动压力，根据水力学原理可知，射流的速度越高，动压力越大。在射流的初始段，由于速度不变，中心动压力也是不变的，在基本段内，由于中心的速度随着距离L而变化，使中心的动压力随L的增加而急剧阳氏，见图2-3。其变化规律可以下式：式中：入一射涯轴线动斥力匕氏一出处压力；入一压力叢减系数.图2-3射流中心动压力分布AK.柯佐多依8通过理论推导得出：喷嘴的几何形伏不仅影响射流等速核的长度，也影响射流中心动压力的分布。2.2水射流结构的研究在早期的研究8-11中，

8、无论是对空气中的自由水射流还是淹没水射流，人们都把它看作是连续射流。通过大量的实验研究及理论分析，人们逐渐地认识到单纯的连续水射流是极少存在的。例如，K.Yanaida9-i2在1974年提出的激光中研究空气中的自由水射流时，认为水射流是连续水射流。在1978年，他用照相方法及电子测量等技术来研究射流时，发现在空气中的自由水射流有一个从连续变为不连续的现象，他提出了射流“破裂”的概念。随后绍立西德的F.Eramann-Jenitger】i3及中国矿院等学者及科研单位的研究，发现空气中的自由水射流都存在一个由连续的水射流变成微粒的过程。在靠近喷嘴出口的地方，射流可以近似的认为是连续的。由于水域边

9、界上的空气发生能量交换，空气进入射流中就逐渐地使水射流断开，形成水片，继续与空气混掺，水片变成水柱，最后变成小水滴而雾化。从形成水片开始，射流就变成了连续的了。对淹没射流来说，F.Eramann-Jesnitger13161517等人都证明了在使用一般的锥形喷嘴形成的射流中总是有空化气泡产生的。空化气泡进入射流就使射流变成不连续的了。空化气泡进入射流，给射流的特性带来很大的变化，因而引起了很多学者越来越多的注意，从理论及试验中研究空化现象的产生及应用。水在常温下是液体，当压强一定时，温度升高到沸点，水便汽化，形成蒸气泡。同样，当温度一定时，压降降低到一定值，水体也会汽化，出现气泡。这种因压强降

10、低而发生流体中液体汽化的现象就叫空化现象(Cavitation)。天然水中含有大量的不溶于水的直径为10-3-10-4毫米的小气泡称为气核。空化气泡就是以气核为基础发育起来的。由水力学18原理可知，在流速增加时，压降降低，在管路的收缩段，流速变大，压强降低。当压强降低到低于液体的蒸汽压时，液体就以气核为基础形成空化气泡。由流体力学原理知，在流速分离区的漩涡中心，压强较大的降低。流速越大，压强降低越大。因而易产生空化气泡，因此在高速水流中，凡是以产生漩涡的地方都是易于产生空化气泡的。在淹没射流中，由于射流边界与静止液体之间有速度梯度存在，己形成漩涡，因而易产生空化气泡。在喷嘴内部，也往往由于流速

11、的突然变化而使压力降低，形成空化气泡。FEradmann-Jeanitger把在射流边界上生成的空化气泡称为“自由”空化气泡；把在喷嘴内部生成的空化气泡称为“诱导”空化气泡。空化气泡不仅可以在淹没射流中产生，而且在空气中的自由射流也可以产生空化气泡。E.FBeutinl等人证明，在空气中的自由水射流仅仅在喷嘴内部形成空化气泡，而在射流边界上不会有空化气泡产生。无论是淹没射流还是非淹没射流空化气泡的生成都下力时流变成不连续的。近年来又有脉冲射流出现。它是人为地使射流发出一定频率的脉动，形成一连串的自由液珠，可以明显地提高射流对固体材料的破碎作用，由于射流技术的发展，F.Eramann-Jeani

12、tger把射流分成三类:连续射流、冲击射流及混合射流。其形状如图2-4。U二图2-4射流的分类能引起被冲击的固体平面上有相对稳定的压力，载荷的射流叫连续射流。如图2-4(a),只能近似地认为在空气中的自由水射流在靠近喷嘴出口附近的一小段水流是连续射流。在空气中产生液珠的自由水射流以及专门用脉冲设备产生的脉冲射流都属于冲击射流。冲击射流对固体平面所产生的压力载荷是随着时间而发生脉动的，如图2-4(c)。介于两者之间的射流称为混合射流。例如含有空化气泡的淹没射流图2-4,b（l），自由射流中己出现水片，但尚未形成液珠的部分图2-4,b（2），都是混合射流。大部分的射流都是属于混合射流。混合射流对固

13、体平面所产生的压力载荷，既有稳定的部分，又有波动的部分。3 高压水射流冲积岩石介质流固耦合机理分析3.1 数值分析理论模型与计算参数运用全解耦流固耦合理论，建立了高压水射流冲击破岩系统的数值分析理论模型，水射流采用标准k-双方程模型和控制体积法，岩石采用各向同性弹性介质和有限元法，给出了水射流与岩石祸合的数值算法20。按水射流冲击破岩示意图3-1建立计算的模型，计算了岩石在水射流速度为447.2m/s,547.7m/s和632.5m/s冲击下流场规律和岩石内部的应力分布，为超高压水射流破岩机理的研究奠定基础。图3-1水射流冲积破岩示意图数值计算基本计算参数为：喷嘴直径d=2.2mm，水射流驱动

14、压力分别为lOOMPa、150MPa和200MPa,按Bernoulli方程，其对应的喷嘴出口速度取v=447.2m/s、547.7m/s、632.5m/s,喷距（喷嘴出口到冲击面距离）h=20100mm,水的密度p=1000kg/m3，粘度卩=0.001Pas，岩石介质弹性模量E=90GPa,泊松比v=0.25。3.2 水射流冲积作用下岩石介质应力分布规律在水射流冲击的作用下，岩石介质的应力分布规律主要可归纳为如下儿方面（1）冲击压力分布。图3-2给出了不同喷距下冲击面上压力分布规律。可以看出，最大冲击压力位于冲击中心，随径向距离增加冲击压力迅速衰减，有效冲击范围随喷距的增加而略有增加。图3

15、-3为不同喷距下轴心冲击压力的计算结果与试验结果对比21。可以看出，两者基本吻合，数值计算结果比试验结果对应的值偏大，主要原因有两个:一是试验中的小孔法测量本身存在的试验误差，由其试验原理可知，小孔测压中心很难与喷嘴轴线对中，而且冲击压力径向衰减曲线陡峭，所测压力也只是冲击区平均值，测量值显然比实际小；另外一个原因是k-双方程数值模型在预测高速水射流也存在计算误差。但从总体上说，数值计算结果与试验结果基本一致，表明数值计算是可行的。2JM脚刚皿血如和娅帥“fW3rfl图3-2不同喷距下冲击面上径向压力分布规律(v=632.5m/s)1加-i-wa.a环“|界结星”皿怎mMiU曲聚十7席5规4畀

16、慵和亠mdit验结即图3-3不同速度不同喷距下轴心冲击压力J_K.i-代崔41吟(2) 最大和最小主应力分布。图3-4给出了射流速度为v=632.5m/s岩石介质内部最大主应力分布。可以看出，在射流冲击区，岩石介质处于受压状态(压力值为负)，在冲击中心，压应力值最大，随径向距离的增加，应力值迅速下降，并逐渐转为拉应力，最大拉应力位于冲击表面边缘某个位置。最大拉应力位置离冲击中心的径向距离与喷距呈线性关系(图3-5)。对于像岩石类的脆性材料，其抗拉强度远低于抗压强度，在水射流作用下，介质表面存在拉仲破坏，拉仲裂纹在水射流冲击边缘开始产生，许多试验所观察到的现象是一致的。图3-4固体介质内部最大主

17、应力分布(MPa)(v=632.5m/s,h=20mm)图3-5最大控应力位置随喷距的变化关系(v=632.5m/s)E-JHT二“J卑蛊殳世(3) 最大切应力分布。图3-6为射流v=632.5m/s,h=20mm时最大切应力分布规律。同样可以看出，切应力在径向方向随距离的增加而不断减小，切应力是由介质内部向表面扩展。图3-7给出了不同速度下岩石介质对称轴线上的最大切应力分布，可以看出，最大切应力并不在介质表面，而是在表面冲击中心下部约0.5倍喷嘴直径。如果以抗剪强度来表征介质的破坏，那么介质剪切破坏将从内部开始，形成剪切裂纹，裂纹进一步向冲击接触面扩展，使碎块脱离介质基体。图3-6岩石介质内

18、部最大切应力分布(MPa)(v=632.5m/s，h=20mm)=*=f-4477mrs4 图3-7岩石介质对称轴线上的最大切应力分布（h=20mm）水射流冲蚀岩石的影响因素高压淹没射流冲蚀岩石等脆性材料，其破坏机理是十分复杂的，影响其破岩效果的因素也很多，国内外学者看法不拐娇目同。尽管近几年来大量学者在这方面做了许多研究工作，普遍认为射流压力、喷嘴直径、喷射距离、喷射角度、喷嘴移动速度等几方面影响比较大。射流引起岩石的破坏主要是通过水楔作用，当水楔形成的拉应力与剪应力超过岩石的抗拉和抗剪的极限强度时就会在岩石中形成裂隙。裂隙初步形成和汇交后，水射流将进入裂隙的空间，在裂隙尖端产生拉应力集中，

19、使裂隙迅速发展和扩大致使岩石破裂形成圆柱状冲击坑或漏斗坑。另外，Foreman和Secor提出，水射流冲击下岩石被破坏是由于:在岩石介质中引起应力波和持续的水射流冲击应力场;水对孔隙和裂隙的刺入引起与拉应力的应力场相伴的内应力。总的说来，射流压力是影响破岩效果的一个相当重要的因素。喷嘴直径也是影口向破岩效果的又一重要因素，如果喷嘴直径过大势必影响射流压力的提高，过小则不能有效地清洁井底，不能产生足够大的水功率，这都不能有效提高破岩效率，所以适当的喷嘴直径的选取在石油钻井中显得尤为重要喷射距离是破岩的一个至关重要的因素，加拿大及提出了用淹没射流冲蚀固体时有一个“最优距离”，在这个“最有距离”上，

20、冲蚀体积达到最大。产生这一现象的原因是与淹没射流中产生的空化现象有关。在淹没射流中，锥形喷嘴在局部低压区产生空化气泡，当空化气泡移动到某个高压区，空化气泡就会爆破，如果在固体边界附近有.空化气泡爆破时，高压冲击波不断的传递到固体界面上，造感职寸材料的破坏，这种现象叫空蚀现象。如果没有合适的喷距，即使压力超过了岩石的门限压力，也无助于破岩效率的提高。在淹没状态下射流的等速核要比在空气中短得多，所以刻门尽量要使射流喷距在等速核以内，这样才能发挥水射流的破岩作用，提高破岩效率，但是不是说只要保证喷距在射流流等速核以内就可达到最优的破岩效率，这里面还存在一个最优喷距的问题。另外喷射角度也是一个影响破岩

21、很重要的因素，国内外不少学者就这一问题作了许多研究工作，普遍认为在100左右最优。一些切割实验表明，水射流垂直冲击物体时（0度），切割深度较大，随着喷射角度的加大，切割深度逐渐减小，他们认为这是由于过大的喷射角加剧了射流的反射作用，从而降低了射流的冲蚀能力。同时还应指出的是，喷射角度还与喷嘴移动方向有关，这是由于切割过后的水射流携带切屑以一定的速度冲刷被切割材料，从而使切割深度进一步增加。同时，当水射流的喷射角偏向喷嘴移动方向时，延长了高速射流与被切害吻体的接触时间，从而使切害深度超过垂直喷射时的深度。日松木浩二的试验表明，射流喷射角向喷嘴移动方向倾斜100左右时，其切害蛛度较垂直射流是提高2

22、0%，反之，射流喷射角与喷嘴移动方向相反时，由于射流与被切割物体的接触时间大大减少，其切割深度明显不如垂直喷射时深。在其它条件不变的情况下，图4-1为前人所作的一组喷嘴方位角与射流清洗效果试验结果图。图4-1喷嘴方位角和喷嘴倾角对射流清洗力影响5 高压水射流破岩理论尽管水射流破岩技术已广泛应用于矿山开采、石油钻探和巷道挖掘、岩石切割等有关工程领域，但是，人们对水射流作用下岩石的破碎机理的认识依然是众说纷纭、莫衷一是，还没有形成一种较为统一的学说，其中最主要的原因是水射流破岩过程的复杂性，因为它在短暂的过程中涉及到流体、固体和流固藕合等众多学科。5.1准静态弹性破碎理论该理论将射流对岩石的冲击力

23、看作准静态的集中力，大小等于射流滞止压力作用于半无限弹性体上，以弹性强度理论为基础，将岩石的抗压、抗拉、抗剪强度作为岩石破碎的判据，当射流液流冲击在岩石上产生的应力超过岩石的强度时岩石发生破坏。静态弹性破碎理论认为，岩石在射流的冲击作用下，其内部的应力分布情况与半空间弹性体在集中载荷作用下的应力分布相似，在冲击区正下方某一深处将产生最大剪应力，冲击接触区边界周围产生拉应力，由于岩石抗拉、抗剪强度远小于其抗压强度，虽然冲击产生的压应力达不到岩石抗压强度，而拉应力和剪应力却分别超过了岩石的抗拉和抗剪的极限强度，导致岩石破坏。较有代表性的理论有密实核一劈拉破岩理论，即运用赫兹接触理论将水射流破岩过程

24、简化为具有一定速度的刚体压入岩石半无限体，当最大剪应力和拉应力超过岩石的抗拉、抗剪强度时，出现裂纹并扩展到冲击接触面，形成由岩粉组成的密实核，在水射流与未破坏的岩石之间起“岩垫”作用。当射流继续冲击它时，密实核的体积缩小，密度增大而储能，形状变成椭球体，当密实核储蓄的能量达到一定程度时，它将开始膨胀而释放能量，使它周围的岩石产生切向拉应力，拉应力超过岩石的抗拉强度时，岩石壁上将出现径向裂隙，由于密实核处于高压状态，核中的岩粉以粉流形式锲入径向裂隙，并在靠近阻力较小的自由面方向劈开岩石，从而完成脆性岩石的跃进式破碎（体积破碎）。准静态破岩理论能解释一些水射流破岩石机理，特别是对于连续射流破岩中门

25、限压力的存在。不过门限压力不总和岩石的强度存在关系，而且很多试验现象与准静态理论存在很大差异，如脉冲、间断和超音速等射流冲击引起大块岩石的破碎，空气和淹没条件下射流破岩存在最优喷距、水锤效应等，准静态破岩理论显然存在局限性。5.2应力波破碎理论与准静态破岩石理论不同，应力波破碎理论认为，水射流冲击的冲击载荷是动载，在岩石中产生应力波，应力波的作用是造成岩石破坏的主要原因。应力波破碎理论最早用来解释高速液滴、脉冲射流等引起的破岩现象。很多学者对液滴和脉冲射流引起的压力分布作过深入研究，如:YenCHuang和FGHarrmitt等利用非定常流理论建立二维液滴冲击固定的刚性平板时，液滴的形态变化及

26、其内部瞬态压力分布和速度分布。FJHeymann建立了水锤压力计算式并得到广泛应用，他认为冲击波的速度对射流的冲击压力影响很大。FPBowderg，JFField，S-WKang等也对超音速射流冲击下物体的变形与破坏、应力波的作用等进行过大量研究，得出很多有用的结论。应力波破碎理论的基本观点是在高压水射流作用下，被冲击区在强大压缩波的作用下处于绝对受压状态直到液滴向外作径向流动，作用在固液表面的压力才由水锤压力降至滞止压力，由于压力急剧下降，压缩波被反射后形成强大的径向拉力，当拉力值超过岩石的破裂强度时产生裂纹。应力波理论对解释超高速（音速）射流的破岩机理是合适的，它解释了许多静态理论无法解释

27、的现象。但由于水射流冲击产生的应力波作用范围与固体撞击或爆炸冲击产生的应力波存在差异，对于水射流冲击下应力波产生的条件、在岩石内的传播及作用范围等的认识还存在局限。另外，对于中低速射流特别是淹没射流作用下岩石中是否有应力波存在及应力波对岩石破碎所起的作用的研究有待进一步深入。5.3气蚀（空化）破碎理论所谓气蚀就是由充满蒸汽或空气的负压空穴在固体表面破裂而产生的，根据Rayleigh的理论，如果气泡的破裂能量集中在一点上，它产生的压力非常大，可达680一6800MPa,Crow认为气蚀作用是造成岩石破坏的主要原因，在水射流冲击下，岩石表面受到很高的压力作用，岩石颗粒前后的压力不同，两者的压力差就

28、具备了气蚀条件。由于水射流冲击下岩石表面同时产生强烈的气蚀破坏，所以岩石表面的颗粒又受到剪力的作用。气蚀破坏包括机械作用、化学作用和热作用等，但以机械作用为主为大多数人所接受。气蚀射流所产生的破坏很大程度上是由于液体的微射流冲击岩石表面所产生的，其破坏机理与连续射流有许多相似之处。当气蚀射流冲击到物体表面，小坑边缘四周突起，呈一环形裂纹，有时也会出现径向裂纹和液体在岩石表面的流动。气蚀破坏理论与空气中的一束水破坏理论基本相同，只是大小不同而已，气蚀破坏是微观的，但有效破坏力大。淹没射流所产生的空化破坏能大大提高破岩效率，这已被许多试验所证实。但由于空泡破裂的强度大，用实验手段很难测得气蚀射流对

29、岩石的破坏强度，加上淹没条件特别是围压条件下空化的初生、发展与破坏还存在不同的认识，射流中空泡的密度难以确定，空泡的实际破坏只能作定性分析，气蚀破岩理论还没形成理论模型。5.4裂纹扩展破碎理论裂纹扩展理论认为，水射流作用前岩石中存在的初始裂纹，岩石的破坏是裂纹扩展而破裂的结果。因裂纹扩展机理不同，裂纹扩展破碎理论包括两种理论:一种是断裂力破碎理论，认为岩石在水射流冲击作用下产生裂纹，裂纹在冲击应力作用下扩展、交汇，最后形成破碎坑;另一种理论是拉伸水楔作用理论，认为射流冲击下，高压水射流能有效地顺着裂纹尖端传播，水侵入裂隙空间以后，对裂隙产生一应力场，在裂隙尖端产生应力集中区，它使裂隙迅速发展扩

30、大，致使岩石破碎。裂纹扩展破碎理论比弹性强度理论更恰当地描述了岩石的破岩过程，而且有很多试验现象支持。水射流作用下岩石的破碎是裂纹扩展的结果基本上成为共识存在的分歧是引起裂纹的扩展的原因。对于岩石中孔隙压力的分布以及孔隙压力对岩石破坏的贡献还没有具有说服力的理论。另外，如果能从理论上考虑破碎坑的形成与裂纹扩展传播存在关联将更好地证明岩石破碎是裂纹扩展的结果，从而使该理论更具有说服力。5.5损伤破碎理论倪红坚22采用有限元法，对水射流的破岩机理进行了数值模拟。通过对连续射流、旋转射流和脉冲射流破岩过程的模拟，认为水射流作用下岩石的破碎是射流冲击载荷在岩石内产生的应力波和射流准静态压力共同作用的结

31、果，其中以应力波为主，准静态压力为辅。水射流破岩分为两个阶段，初期以冲击载荷为主，形成岩石损伤的主体，后期主要是准静态压力使岩石内已有的微孔隙、微裂纹等损伤二次扩展。他以JLanaitRe损伤理论为基础，建立了岩石宏微观损伤藕合模式，并以损伤变量作为岩石破坏的判据，为水射流破岩机理的研究提供了一种新的方法。6结语由于水射流破岩体系的复杂性，在理论分析和实验研究方面均有较大困难，使得水射流破岩机理难以客观揭示。水射流破岩过程短暂，此过程中水射流的特性和岩石的形体模型和受力形式也在发生改变，从静态的观点来研究显然存在不足。由于水射流破岩过程中局部效应明显，以弹塑性理论和断裂学理论作为水射流破碎岩石

32、的判据存在局限，岩石损伤力学的发展为该问题的研究提供了新的方法。另外，对水射流破岩过程简化得过多，许多研究要点因为存在较大的困难而被忽略，如流固藕合作用、岩石的动态响应等，因而研究所得出的结论不可避免地与实际有较大出入。要提高对水射流破岩机理的认识，需要重视两个问题:一是水射流与岩石的藕合作用；二是岩石动态破碎的微观机理。水射流破岩是一个涉及诸多因素的非线性冲击动力学问题，用理论和实验手段描述的力度十分有限，数值模拟为该问题的研究提供了一种新的研究方法。对于水射流破岩石理论的进一步研究中，有几个方面值得重视:a水射流冲击动载特性和应力分布规律；b.岩石在水射流冲击破碎过程中的动态本构关系；c.

33、水射流破岩过程的数值分析；d.水射流结构参数和岩石性质对破岩效果的影响规律。对于这些问题，可以借助流固藕合理论和岩石损伤理论来研究。总之，要进一步加深对水射流破岩理论的研究，需要将流体和固体两个学科结合起来，从动态的角度对破岩过程进行分析，才能促进理论和技术的进一步发展。通过学习碎岩工程学这门课程及查阅相关资料的基础上，本文归纳了高压水射流破碎岩石机理的相关知识点，主要包括水射流技术的产生及发展、水射流破碎岩石的研究进展、高压水射流岩石介质流固的耦合机理分析、水射流冲蚀岩石的影响因素及现今主要的高压水射流破碎理论。通过此次写论文，让我更加深入的理解了以上的知识点和相关的概念，对碎岩工程学这门课

34、程相关知识点有了更进一步的认识。参考文献1 THOMASJK.AnoverviewofwaterjetfundamentalsandapplicationsM.St.Louis:WaterjetTechnologyAssociation,2005.2 廖华林，李根生，熊伟超高压射流辅助破岩钻孔研究进展J.岩石力学与工程学报，2002,21(增2):583-587.3 KANGS议REITTER工CARLSONG.Targetresponsestotheimpactofhigh-velocity,non-abrasivewaterjetsC/Proceedingsof7thAmericanWat

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