QK超高压水射流冲蚀切割岩石断口微观断裂机理实验研究Word格式.docx

1、; 扫描电镜:文献标识码:A1引言尽管水射流破岩技术已广泛应用于矿山开采、石油钻探、巷道挖掘和岩石切割等有关工程领域1, 但由于岩石破碎过程的复杂性, 对水射流的破岩机理的认识仍然不十分清楚。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, 研究人员很观察和捕捉到水射流冲击岩石时岩石的内部应力应变及其它相关信号。至今, 人们对水射流作用下岩石产生的破坏主要以哪种形式为主, 是拉应力、剪应力、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2。水射流基本参数对破岩效果影响的实验, 主要是宏观分析与观察, 还难以建立宏观破岩效果与岩石微观断

2、裂机理之间的联系。近年来, 国内外学者逐渐重视岩石断口微观分析, 将微观形貌破坏特征同岩石微观裂纹扩展到断裂破坏的力学机制联系起来, 从微观方面研究岩石的破坏规律, 为岩石损伤演化过程、细观力学研究提供实测依据, 最终建立起岩石微观破坏机制和宏观断裂分析的桥梁, 其理论意义和理论价值都是很深远的3,4。运用扫描电镜对水射流切割岩石断口形貌进行了观测实验研究, 分析岩石在超高压水射流作用下的破坏形式, 以期提高对水射流作用下岩石破岩机理的认识。2实验设备、材料和方法2. 1实验设备实验是在石油大学（华东 射流研究中心的超高压射流数控自动万能切割机（PWJ 2B 22 上完成的, 如图1所示, 其

3、最高压力可达300M Pa , 主机额定功率22kW , 额定排量为2L/min 。喷嘴为进口红宝石喷嘴, 直径为0. 3mm , 最低移动速度为1. 91mm/s , 其结构见图2。由于超高压射流喷嘴材料的硬收稿日期:2004210219; 修回日期:2005201217基金项目:国家自然科学基金重点项目（50234030 ; 国家杰出青年科学基金（50125413, 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事新型高压水射流技术方面研究. E 作者简介:李根生（19612mail :ligs 3338高压物理学报第19卷度和耐磨性很高, 而且喷嘴水眼尺寸很小, 加工制作难度大, 所以超高压

4、射流喷嘴的设计一般比较简单, 以保证流道的加工精度和光洁度。多数超高压射流喷嘴为直圆孔或带有一定的入口锥角。增压泵产生高压水输送给喷嘴, 产生高速射流以冲击破碎岩石; 控制系统用于控制喷嘴轨迹运动和调节泵压, 从而使整个系统能协调完成各种预定工作。扫描电镜实验采用中国科学院科技仪器厂生产的KYKY 22800台式扫描电子显微镜。图1超高压射流切割机示意图Fig. 1The schematic view of jet cuttingmachine 图2of nozzle2. 2实验材料。在伺服控制岩石力学三轴实验系统上, 完成1所示。表1实验岩样的力学性能参数T able 1The mechan

5、ics properties of rock samples for the testNo.123Sample White marble Red granite Black granite Density /（g/cm 3 2. 842. 683. 11Elastic m odulus /（GPa 36. 9624. 3343. 75Poisson s ratio 0. 130. 170. 14C ohesive /（MPa 25. 1943. 4258. 08Friction angle /（42. 9545. 2142. 23T ensile strength /（MPa 1. 051.

6、482. 512. 3实验方法先用超高压射流数控自动万能切割机进行了淹没条件下水射流切割冲蚀岩石实验, 然后通过扫描电镜进行岩石断口形貌观测实验研究, 分析水射流作用下岩石微观破坏与断裂形式。射流驱动压力150M Pa , 按Bernoulli 方程, 对应的射流速度为547. 7m/s , 喷嘴横移速度2. 0mm/s 。断口观测面取三种岩石在射流冲击下岩石切槽侧面和剥落面。断口背面磨平, 厚度510mm , 将试样用导电胶粘于样品台上, 置于真空喷涂仪中, 喷涂金膜后上镜观测。3岩石断口微观断裂机理分析岩石微观形貌分析是岩石微观结构研究的一部分, 在一定程度上反映了水射流冲击岩石时岩石损伤

7、演化过程的受力情况和结构破坏特征。参照典型岩石断口分析图谱来进行水射流冲击切割岩石断口断裂机理分析。3. 1射流切割岩石断口外观形貌纵观水射流切槽的外观形状, 岩石上的切槽主要有两种形式, 如图3所示。一种是较为规则的长形切槽, 岩石破坏从切槽中心开始, 较为规则的切槽集中在中心部位, 岩石表面有少许剥落; 另一种是中心有切槽同时还伴有较大岩块剥落, 破坏也是从射流冲击中心部位开始, 然后向两边发展, 剥落岩块的深第4期李根生等:超高压水射流冲蚀切割岩石断口微观断裂机理实验研究339度不超过切槽深度。由此推测, 规则切槽中岩石的破坏形式与剥落岩块的破坏形式可能不同, 剥落岩块破坏与岩石材料的力

8、学性质有关, 其破坏体积大小存在一定随机性, 所以造成冲蚀体积随喷距变化无明显规律（a Long regular slot （b Funnel shape 图3Fig. 3The rock shape of cutting jets 3. 2典型岩石断口分析36。（1 。沿晶断裂是岩石, 、晶间胶结物弱化或解理面脆化, 则多沿体与弱化物质界面、解理面拉开, 如图4; 穿晶断裂是当结晶颗粒强度小于胶结物时, 颗粒本身常被拉断, 断面不规整, 如图5图4室内标准劈拉试验薄片Fig. 4The slice of the rock by tensiontest 图5常规三轴卸载试验薄片Fig. 5Th

9、e slice of the rock by tri 2axial unloaded test （2 剪切破坏断口此类断口由剪应力引起, 由于相对剪切滑移, 使晶面或解理面沿运动方向产生擦痕, 或沿晶面有大体方向的错裂, 如图6、图7所示。3. 3射流切割岩石断口对照分析3. 3. 1剥落岩块断口在水射流切割岩石过程中, 当射流产生的冲击应力超过岩石破坏强度且冲击接触时间超过一定数值时, 易出现岩块从基体中剥落的现象, 剥落的岩块多为片楔状, 从切槽中心往外逐渐变薄, 边缘一般为弧形。图8（a 图8（c 为剥落岩块断口的形貌特征, 三种岩石的断口面不规整, 呈阶梯状。图8（a 为340高压物理

10、学报第19卷大理石, 其组成晶体为条状,明显可以看到晶体本身被拉断的现象; 图8（b 、图8（c 为花岗岩, 晶体整体形态不明显, 局部胶结物被拉断。如果表面剥落岩块为冲击造成的压缩应力波在自由表面反射成拉伸应力波所造成的, 那么随着射流驱动压力的升高, 冲击压力增大, 反射流拉伸应力波的破坏作用将增加, 剥落岩块的粒度也将增大。可是通过实验观测, 随着压力的增加, 在相同喷距下, 切槽反而逐渐变得规则。如大理岩（白 在200M Pa 的驱动压力射流冲击下, 所试验最大20mm 不同喷距内, 切槽基本上为规则长形切槽。由此判断, 水射流破岩过程中剥落岩块主要是拉伸破坏图6室内标准剪切试验薄片F

11、ig.6The slice of the 图7室内标准压缩试验薄片Fig. 7The slice of the rock by compression test（a White marble （b Red granite （c Black granite图8剥落岩块断口形貌特征Fig. 8The pattern of rock failure of dilapidated slice surface3. 3. 2切槽凹侧面断口如果水射流产生冲击应力远高于岩石破坏强度, 岩石表面岩块剥落现象并不明显, 而是形成规则切槽, 水射流切割过程中冲蚀出的岩石呈碎屑状。图9（a 图9（c 为切槽侧面凹断口

12、形貌特征。可以看出, 岩石的断口面相对平整, 其中图9（a 、图9（c 表面有明显平行擦痕, 图9（c 表面还有粉粒位于低洼处; 图9（b 沿晶面方向有大体方向相同的错裂。由此判断, 水射流切割岩石过程中所形成的规则切槽侧面以剪切破坏为主。水射流切槽断口扫描电镜分析表明, 岩石在水射流作用下其破坏机制分为两大类, 一类是拉伸破坏, 另一类是剪切破坏。剥落岩块以穿晶断裂为主, 其微观断裂机制是脆性拉伸破坏; 切槽凹侧面主要是剪切错动, 其微观破坏机制是剪脆性破坏。超高压水射流冲蚀切割岩石断口微观断裂机理实验研究341（a White marble （b Red granite （c Black

13、granite图9切槽凹侧面断口形貌特征Fig. 9The pattern of rock failure of slot concave and side 4结论, 对水射流切割。超高压射流切割岩石形成的切槽主, ; 切槽凹侧面主要是剪切错动, 其微观破坏, 有利于建立起岩石微观破坏机制和宏观断裂分析的桥梁, 选择水射流作用下岩石破坏准则。R eferences :1Shen Z H ,Li G S ,Wang R H. Application and Prospects of Water Jet Technology in Petroleum Engineering J.Journal o

14、f China Engineering Science ,2002,4（12 :60-65. （in Chinese 沈忠厚, 李根生, 王瑞和. 水射流技术在石油钻井中的应用前景J.中国工程科学,2002,4（12 :60-65.2Liao H L ,Li G S ,Xiong W. Development of Ultra 2High Pressure Water J et 2Assisted Drilling Technology J.Chi 2nese Journal of Rock Mechanics and Engineering ,2002,21（Suppl 2 :2583-25

15、87. （in Chinese 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 :2583-2587.3Xie H P ,Chen Z D. Micro 2Failure Mechanism Analysis for Rocks Failure Surface J.Journal of China Coal Socie 2ty ,1989,14（2 :57-66. （in Chinese 谢和平, 陈至达. 岩石断裂的微观机理分析J.煤炭学报,1989,14（2 :57-66.4Liu X M ,Lee C F. Micro Failur

16、e Mechanism Analysis and Test Study for Rock Failure Surface J.Chinese Journalof Rock Mechanics and Engineering ,1997,16（6 :509-513. （in Chinese 刘小明, 李焯芬. 岩石断口微观机理分析与实验研究J.岩石力学与工程学报,1997,16（6 :509-5135Feng T ,Xie X B ,Pan C L ,et al. Fracture Mechanism Analysis for Burst Rock with Electron Scanning

17、MicroscopeJ.Journal of Center South University of Technology ,1999,30（2 :14-17. （in Chinese 冯涛, 谢学斌, 潘长良, 等. 岩爆岩石断裂机理的电镜分析J.中南工业大学学报,1999,30（2 :14-17.6Tan Y A. Analysis of Fractured Face of Rock Burst with Scanning Electron Microscope and Its Progressive FailureProcess J.Journal of Electron Microsco

18、pe ,1989,8（2 :41-47. （in Chinese 谭以安. 岩爆岩石断口扫描电镜分析及岩爆渐进破坏过程J.电子显微学报,1989,8（2 :41-47.342 19 卷 高 压 物 理 学 报 第 （ 1 . Facul t y of Pet roleum En gi neeri n g , Chi na U ni versi t y of Pet roleum , B ei j i n g 102249 , Chi na; 2 . Col le ge of Pet roleum En gi neeri n g , Chi na U ni versit y of Pet rol

19、eum , D on g y i n g 257061 , Chi na Abstract :The rock breaking mechanism by water jet s impact has not been clearly recognized as yet for impact by a numerical co nt rolling jet cut ting machine are co nducted. Then ,t he test fo r t he pattern of co mplicated p rocess of rock damage. The test of

20、cut ting rocks wit h submerged high2p ressure water jet s （ SEM to st udy micro failure mechanism of rocks wit h water jet s impinging. The result show s t wo t ypes of rectangle shape and shallow f unnel shape crater s in t he rock mat rixes. The analysis show s t hat t he micro2mechanism of rock f

21、ailure due to water jet s impingement is a brittle f ract ure in t he co nditio n Key words :water jet s ;rock cut ting ; breaking mechanism ; SEM failure surface of cut ting slot s and dilapidated slices are performed wit h scanning elect ro n micro scope of tensile and shearing st ress. Micro2Fa ilure Mechanism Analysis and Test Study f or Rock Fa ilure Surface under Water Jet Impact L I Gen2Sheng1 ,L IAO Hua2Lin2