空化水射流破巖實驗研究及機理分析.pdf

1、空化水射流破巖技術已成功應用于煤礦開采、石油鉆井、巖石切割等工程領域,但目前對空化水射流作用下巖石破碎機理尚未形成統(tǒng)一認識和一般性理論。本論文依托國家自然科學基金創(chuàng)新群體基金項目“高壓水射流破巖理論及其在地下工程中的應用基礎研究(50621403)”,通過空化水射流破巖的大量實驗,分析了空化水射流參數對沖蝕破巖效果的影響;并將實驗結果與數值計算結果進行對比分析,尋求到最佳的數值計算模型;運用CT掃描測試技術、AE聲發(fā)射測試技術對巖石進行

2、了損傷破壞測試,揭示了空化水射流破巖機理,為空化水射流破巖理論的進一步完善提供依據。本文的主要研究內容和結論如下:①空化水射流沖蝕破巖實驗結果顯示,破巖效果(沖蝕質量、沖蝕深度)隨泵壓呈二次曲線關系增加,隨圍壓呈二次曲線關系減少;空泡云與破巖效果的關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、模擬縮放型噴嘴產生空化水射流流場,結果表明RNG k-ε模型更適合數值模擬縮放型噴嘴內的射流壓力速度等分布狀態(tài)。且RNG k-ε模型數值計算結果顯示,泵壓達到6.5MPa時出現(xiàn)空化現(xiàn)象,湍動能最大值出現(xiàn)在噴嘴出口7mm處,與空化水射流沖蝕實驗結果完全一致。③借助CT機、PCI-2 System AE聲發(fā)射系統(tǒng)測試巖石的裂隙變化,結合數值計算結果,揭示了空化水射流破碎巖石機理?？栈淞髯饔孟聨r石的破碎是裂紋擴展的結果,空泡潰滅時產生微射

4、流和沖擊波加速了裂紋的擴展,使空化水射流具有更強的破巖能力,砂巖沖蝕破碎區(qū)周圍還存在較大范圍的損傷破壞,根據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空化水射流在本實驗設備能達到的最高泵壓條件下無法沖蝕破碎石灰?guī)r,而對砂巖卻表現(xiàn)出巨大的沖蝕能力?，F(xiàn)有的空化沖蝕理論中,化學腐蝕理論、電化學理論、熱作用理論均不能解釋該實驗現(xiàn)象,論文引入巖石裂隙的研究結合機械作用理論進行了分析。本論文的創(chuàng)新之處在于找到了空化