水射流和机械齿联合破岩的机理分析

高压水射流结合机械齿工作与高压水射流辅助机械齿工作中, 射流对目标物所施加的载荷性质及破碎机理是不相同的。辅助工作是水射流辅助盘形滚刀破碎岩石的预截槽间滚压破碎法。该法的基本原理是在盘形滚刀的两侧一定距离处, 用连续细射流光切割出一定深度的预截槽, 然后在两个预截槽中间, 用盘形滚刀的方法破碎岩石。这样被破碎下来的岩屑中, 一部分是依靠盘形滚刀滚压破碎下来的;另一部分是依靠细射流切割出预截槽后, 造成了自由面, 在滚刀滚压过程中剪切崩裂下来, 无射流预槽时, 刀具使岩石造成挤压破坏, 只能破碎三角形区域。

水射流与机械齿结合工作是水射流辅助割刀截齿破碎岩石, 两者互为条件。机械齿首先为射流创造良好的工作条件, 在刀具刃端产生裂纹, 水射流利用其水楔液压等作用扩展裂纹, 对高应力状态的粉核区域进行水力冲蚀, 从而大大减小刀具受力。结合工作中射流工作的时机有两种:一是刀具载荷足够, 达到突进破碎后继续用水射流冲蚀。冲击光滑岩面几乎不产生痕迹的射流, 在同样参数下冲击突进破碎后的岩面却再次产生破碎体。这说明仍有一些裂纹未扩展开, 实际上刀具载荷引起的径向裂纹尺寸不可能相同, 在一定载荷下, 恰好某条裂纹达到临界尺寸, 而首先扩展开来这条裂纹之下的裂纹则保留在岩体内, 因而水射流继续工作能够发生作用。

结合工作中水射流的主要作用是对高应力状态的粉核区域进行水力冲蚀和对刀具刃端的裂纹产生水楔作用。从作用力与反作用力关系看割刀截齿的切割阻力主要来自粉核区域。粉碎体虽然又被重新压实成粉核体, 但粉核体的组成颗粒间已无联系, 而且粉核体的密度小于岩体密度, 并未因压实而增大, 因而射流很容易冲蚀粉核区域。若当粉核体形成就用水射流冲蚀掉, 则截齿始终与光滑岩面接触, 而产生粉核体的载荷不很高, 因此截齿受力可大大降低;但另一方面, 粉核体形成就被水射流冲蚀掉, 就破坏了径向裂纹的产生条件, 也就没有裂纹扩展结果的大块破碎, 更谈不上水楔作用。

当高压水侵入在刀具作用下产生的裂纹后, 就以液压楔膨胀压裂的形式作用于裂纹表面。按照断裂力学的观点, 裂纹表面的水压力可以看作是一种边界条件。裂纹内水的膨胀力即为裂纹的撕开力, 当它超过岩石的抗拉、抗剪强度极限时, 裂纹便会迅速扩展, 最后导致岩块的碎落。粉核体一般稍大于刀具刃端接触面积, 因此水射流应尽量靠近截齿, 直接冲蚀粉核区, 充分发挥射流作用。水射流辅助割刀破岩的机理是射流先射入切头前的裂纹中, 然后使它们扩展。射流最有效的打击点是刀头主刃面前最近点, 而通常在这点上出现岩石初始裂纹。

结合工作中射流作用方向不同, 效果也大不相同, 下面主要分析射流在齿前、齿后、齿侧三种情况下工作的机理。

1 射流在截齿前作用

在这种结合工作中, 射流垂直于岩面和齿前进方向, 直接冲射在或稍超前于截齿造成的破碎区上。试验表明, 射流垂直朝下, 指向截齿的中心, 并靠近其前方, 大约在齿刃前1~2mm是最有效位置, 采用水射流配合后, 虽然截齿上的推力和切割力均明显减小, 但推力的减少程度比切割力要高得多。这时射流的主要作用是对粉核区的冲蚀作用, 而水楔作用不显著。由于截齿倾斜了一角度, 使得刃端粉核体大部分位于齿前, 而这样布置的射流正好有利于对高应力状态的粉核区域进行水力冲蚀, 故推力、切割力大幅度降低。同时, 射流作用的结果使得截齿不易产生裂纹, 即使产生了裂纹, 也由于射流作用方向的限制, 水射流冲击的方向几乎垂直于截齿刃端造成的裂纹, 能够进入裂纹的水量相对较少, 裂纹内水压膨胀不大, 不可能掀起刃端前方大块岩屑, 而截齿的运动方向平行于切割方向, 推力方向无运动, 故切割力减小程度相对较小。

2 射流在截齿后作用

这时射流方向对扁形截齿来说基本上平行于其切割力方向, 对镐形截齿来说基本上平行于其轴线方向。资料表明, 当射流从截齿后射向刃端高应力区域时, 截齿的推力和切割力均显着减小。这种结合方式, 充分发挥了水射流的作用, 是对粉核区域冲蚀作用的扩展裂纹的水楔作用。这时的射流几乎正对刃端部分的裂纹。高压水由动压转变为静压, 不断侵入裂纹, 而从裂纹内流出的水量远小于侵入的水量, 故裂纹内水压不断上升。当作用在裂纹表面的水压力在裂纹尖端所引起的应力集中超过岩石断裂破坏的临界值时, 裂纹也就以稳定或失稳的形式扩展, 裂纹的最终失稳扩展便以宏观的煤岩体积的脆性破碎面结束。射流压力越大, 掀起的岩屑就越大。射流压力对裂纹扩展的影响, 需要同时运用断裂力学、流体力学和固体力学等工具, 配合试验进行研究。不过有一点可以说明问题, 这就是扩展深部裂纹的阻力比扩展经向裂纹要高得多, 因此需要的射流压力较高, 深部裂纹若能扩展, 将掀起更大的岩屑。

3 射流在截齿侧作用

在这种方式中, 射流作用在齿槽侧。一般是二个喷嘴各在截齿一侧, 喷嘴不仅与截齿轴线有一倾角, 以利冲蚀刃端粉核体, 而且与煤岩面有一倾角, 故又有截齿后射流的作用。若喷嘴与截齿轴线无倾角, 则射流可能打在粉核体外而成辅助工作方式。当截齿切入岩石较深时, 这倾角过大达不到结合工作目的, 这时截齿破岩通常存在崩落角, 侧向射流倾斜角只要在这个角度, 就可使射流达到刃端粉核区域。

从充分发挥射流作用来说, 应选用后两种方式, 其中齿侧射流因要两个喷嘴费用增大。在截深槽时射流容易冲击在截齿已造成的破碎体上, 重复破碎, 故比较起来, 射流在截齿后作用是最佳结合方式。

摘要：高压水射流和机械齿联合破岩的机理, 既和水射流及机械齿单独作用时各自的机理有关, 又与它们的结合作用方式有关。高压水射流和机械齿配合工作可以按水射流作用点到刀具刃端的距离直观地划分为辅助工作和结合工作两种, 辅助工作距离较远, 结合工作距离较近。

关键词：水射流,机械齿,联合破岩,破碎机理