空化水射流破巖實(shí)驗(yàn)研究及機(jī)理分析.pdf

1、空化水射流破巖技術(shù)已成功應(yīng)用于煤礦開(kāi)采、石油鉆井、巖石切割等工程領(lǐng)域,但目前對(duì)空化水射流作用下巖石破碎機(jī)理尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)和一般性理論。本論文依托國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體基金項(xiàng)目“高壓水射流破巖理論及其在地下工程中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究(50621403)”,通過(guò)空化水射流破巖的大量實(shí)驗(yàn),分析了空化水射流參數(shù)對(duì)沖蝕破巖效果的影響;并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,尋求到最佳的數(shù)值計(jì)算模型;運(yùn)用CT掃描測(cè)試技術(shù)、AE聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)對(duì)巖石進(jìn)行

2、了損傷破壞測(cè)試,揭示了空化水射流破巖機(jī)理,為空化水射流破巖理論的進(jìn)一步完善提供依據(jù)。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:①空化水射流沖蝕破巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,破巖效果(沖蝕質(zhì)量、沖蝕深度)隨泵壓呈二次曲線關(guān)系增加,隨圍壓呈二次曲線關(guān)系減少;空泡云與破巖效果的關(guān)系則表明空化作用是空化水射流破巖的主要影響因素。②比較分析Standard k-ε模型、RNG k-ε模型、Realisable k-ε模型、Standard k-ω模型及SST k-ω模型

3、模擬縮放型噴嘴產(chǎn)生空化水射流流場(chǎng),結(jié)果表明RNG k-ε模型更適合數(shù)值模擬縮放型噴嘴內(nèi)的射流壓力速度等分布狀態(tài)。且RNG k-ε模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示,泵壓達(dá)到6.5MPa時(shí)出現(xiàn)空化現(xiàn)象,湍動(dòng)能最大值出現(xiàn)在噴嘴出口7mm處,與空化水射流沖蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。③借助CT機(jī)、PCI-2 System AE聲發(fā)射系統(tǒng)測(cè)試巖石的裂隙變化,結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果,揭示了空化水射流破碎巖石機(jī)理。空化水射流作用下巖石的破碎是裂紋擴(kuò)展的結(jié)果,空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生微射

4、流和沖擊波加速了裂紋的擴(kuò)展,使空化水射流具有更強(qiáng)的破巖能力,砂巖沖蝕破碎區(qū)周?chē)€存在較大范圍的損傷破壞,根據(jù)破壞情況將巖石在空間區(qū)域上可劃分:沖蝕空腔、裂隙區(qū)(損傷區(qū))、非影響區(qū)域。④空化水射流在本實(shí)驗(yàn)設(shè)備能達(dá)到的最高泵壓條件下無(wú)法沖蝕破碎石灰?guī)r,而對(duì)砂巖卻表現(xiàn)出巨大的沖蝕能力。現(xiàn)有的空化沖蝕理論中,化學(xué)腐蝕理論、電化學(xué)理論、熱作用理論均不能解釋該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,論文引入巖石裂隙的研究結(jié)合機(jī)械作用理論進(jìn)行了分析。本論文的創(chuàng)新之處在于找到了空化