专题综述水射流作用下岩石破碎理论研究进展*廖华林李根生易灿（石油大学（华东）石油工程学院）纷纭，由此对水射流破岩机理有多种不同的学说。对此，综述与归纳了水射流作用下岩石破碎的主要理论，包括准静态弹性破碎理论、应力波破碎理论、气蚀（空化）破坏理论、裂纹扩展破碎和损伤破碎理论等。在此基础上评述和分析了水射流破岩理论研究存在的问题，并为水射流破岩理论的研究提出了一些建议。

　　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、固体和流固耦合等众多学科。水射流破岩理论应包括：射流冲击引起的应力场，裂纹的出现与传播、用何种理论作为岩石破碎的判据，以及射流水力参数计算等。本文以水射流的加载特性和岩石的破坏形式为依据，将各种水射流破岩理论的主要观点作一个归纳总结，在此基础上对各种理论进行评述分析，为水射流破岩理论的研究提供。

　　1准静态弹性破碎理论该理论将射流对岩石的冲击力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-劈拉破岩理为具有一定速度的刚体压入岩石半无限体，当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*国家杰出青年科学基金项目（50125413）和国家自然科学基金重廖华林（1974-），男，石油大学（华东）石油工程学院高压水射流中心，博士研究生，257061山东省东营市。

　　金属矿山一定程度时，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）。

　　MHypabacknh基于密实核-劈拉理论获得一些定量结果，他把射流对岩石的作用力简化为均匀分布在圆上的作用力，得出了水射流破岩门限压力与岩石抗剪强度的关系表达式：1（打也等研究了淹没水射流冲击Mortal岩样时射流冲击压力与岩石抗压强度的关系，假设：a射流结构符合Tollneh理论，冲击载荷由射流撞击岩石引起；b岩石内部应力分布符合Boussesq理论；。用Mohr理论作为岩石破坏的判据；d岩石为各向同性弹性体。通过试验发现，当射流压力超过抗压强度的约1/2时，岩石发生破坏。

　　张作龙等把等速核范围内岩石表面的滞止压力等于喷嘴出口动压，将射流冲击力按集中力看待，按大抗剪强度理论用有限元法计算出大理岩等脆性岩石的射流门限压力和实测结果较为吻合，所以认为剪切破坏是造成水射流破岩的主要原因。

　　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优喷距、水锤效应等，准静态破岩理论显然存在局限性。

　　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FGHammitt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，液滴的形态变化及其内部瞬态压力分布和速度分布。F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。FP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。

　　许多因素简化成动载强度和波阻率，把射流方面的许多因素和条件归结为喷射压力、速度和波阻，以动压大于或等于岩石动载强度（抗压强度）作为破碎判据，得出了破碎岩石时脉冲射流冲击力和速度的计算公式。

　　水滴和一束水射流是存在差别的，其冲击力的大小和应力波产生的条件不尽相同。日本学者TKinoshita等对一束水冲击岩石进行了研究，认为射流是由数量很多的带有动能的水滴和空气隙组成，它是液体和气体混合的一束射体。当射流冲击岩石时，水滴排挤出空气隙，而本身密实和压缩，并产生冲击波。他们根据能量和动量守恒原理，按冲击波理论计算冲击压力和等参数，建立起了水射流冲击岩石模型。根据TKhoshita等的研究，水射流冲击下，岩石中会出现圆柱状和漏斗状两种形状的破碎坑。他们所建立的模型还说明一束水和一滴水的冲击作用是不同的，水滴的冲击压力取决于它的速度，而一束水的冲击压力不仅取决于它的速度，而且与射流中气体的含量有关。

　　用光弹高速摄影法研究了一束水射流结构和冲击应力场。认为水射流冲击固体产生的应力场是比较复杂的，虽然水射流比较集中，但不能按集中力对待，用一般弹性理论不能解决水射流的应力场计算。并通过水射流冲击混凝土试验，对一束水冲击岩石引起的破碎过程作了定性分析，将水射流的破岩过程描述为：①由剪切应力波作用形成破碎坑；②墟着破碎坑的出现和扩大，膨胀波迅速减弱；③破碎坑内准静态增加；④由增压引起的岩石断裂和压力释放；整个破碎坑形成时间约为15~ 6ms⑥破碎坑的大小和形状与射流比长（射流长度与喷嘴直径的比值）和比压（射流冲击压力与岩石抗压强度的比值）有关。他还通过试验发现，射流速度对产生应力波的影响非常显著，当射流廖华林等：水射流作用下岩石破碎理论研究进展速度低于850m/s时，试样上无明显应力波发生，准静压力加载是造成试样破坏的主要原因。

　　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，对于水耐磨锤头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。

　　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Rayleh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Ciow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。剪力的大小可表示为下岩石颗粒前后的压力值。并用Coulomb准则定义了新岩石破坏的判据。

　　Crow的气蚀破坏理论只是一种假说，他并没有从理论或实验上证实空泡的破坏。Hamm等用高速摄影证实了近壁处空泡溃灭量壁面微射流的存在，并计算出微射流的速度，认为微射流是造成物体破坏的原因。AFConn和Johnson推导出了等温条件压缩条件下空化射流产生的冲击压力（P，）与连续射流冲击力（P，）之间的关系为P，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。

　　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，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传播，水侵入裂隙空间以后，对裂隙产生一应力场，在裂隙产生应力集中区，它使裂隙迅速发展扩大，致使岩石破碎。

　　早提出裂纹扩展破碎理论的是Powel和Sinpson认为，水射流冲击压力是随喷距变化的，应力分布用Leach和W alke所做实验结果得到。Powell和Sinpson假定冲击表面没有剪切应力的作用，半无限体具有初始裂纹，但不影响应力的分布，并按Griffith抗拉强度理论作为裂纹扩展的判据。

　　通过计算发现，在水射流冲击下，只有当射流压力超过岩石抗拉强度的20倍以上时，才会发生断裂，切割深度与射流压力和抗拉强度存在倍数关系。

　　Erdmann-Jesnitzer等按照断裂力学性质验证岩石上的钻孔和切割效果，认为水射流作用下岩石破碎要经历裂纹产生和扩展两个阶段。由于岩石体中含有初始微裂纹，水射流会引起微裂纹和表面附近裂纹可能形成应力集中区，如果这些部位超过材料的断裂强度，微裂纹就会出现，断裂力是各向异性的。由于水射流的动量转移，加载力增大，开始产生裂纹将穿过晶界扩展、交互，导致大颗粒脱落。此外，还认为裂纹的形成机理和常规断裂力学相似，并通过实验发现空气中和水下岩石试样裂纹张开位移特性区别较大，其原因在于渗透性及表面效应。此外，射流破岩门限压力和断裂强度因子存金属矿山在相关性。裂纹张开位移曲线表明，使宏观裂缝开始扩展所需要的载荷比使之继续扩展的载荷大得多。

　　B莫汉蒂等认为岩石破碎的主要机理是水射流冲击和微裂纹的扩展，当射流打击力小于岩石抗压强度时，各微裂纹和孔隙被增压到临界破坏状态，随后这些裂纹扩展和连通，导致岩石破坏。当射流打击力大于岩石抗压强度时，岩石以压缩形式破坏，而原有的裂纹或微裂纹是无关紧要的。因此，水射流切割破碎效率取决于岩石的弹性强度以及岩石的孔隙度和渗透性。

　　断裂力破碎理论比弹性强度理论更好地解释了水射流的破岩机理，但在很多情况下与实际试验情况并不相符，于是人们将更多的因素考虑到岩石破碎中，其中重要的一个因素是岩石的孔隙性和渗透率。Foreman和Secor首先对Powell和Sinpson进行了修正，认为孔隙压力对岩石的破坏起重要作用。他们假设：a岩石破坏以前，破坏部分中所有的孔隙都充满液体；b流体在岩石孔隙流动遵守达西定律。同时对岩石破坏的Griffith断裂理论作了修改，并用有限元程序计算了射流冲击下岩石内的应力分布。按Foreman和Secor的计算结果得到的射流破岩门限压力比Powell和Smpson要小，但仍然比实际值偏高。为了证明岩石中孔隙水的作用，Foranan和Secor做了一个的试验，在岩石表面放一块极薄的铜片，水射流的压力可直接传给岩石，但无法进入岩石孔隙，当水射流压力超过岩石的门限破坏压力时，没被铜片覆盖的岩石被冲蚀，但有铜片覆盖的岩石只留下一个射流直径大小的浅印。

　　前提，认为水射流能穿透晶粒之间的空隙，使晶粒受到液体压力而脱落，破岩的条件是晶粒间的静水压力必须克服晶粒间的内聚力。基于此导出垂直于岩石的水射流切割岩石的理论模型，理论和实验都说明槽深是射流直径、射流压力和岩石门限压力的比值、冲击时间和岩石渗透率的函数，关键的因素是岩石的冲蚀阻抗与岩石的渗透率的关系。

　　RJ普查拉等认为水力破碎的机理是高水压作用的结果，水压通过微观裂隙和微孔穿透物料基体，以大于物料的抗拉强度、抗压强度和抗剪强度的力来破碎物料。M马楚凯维兹等进行了水射流对物料龟裂作用模型的研究，用实验的方法测试了模拟物料内部微裂纹的裂隙内压力分布，认为水射流能穿过岩石裂隙，可在裂隙底部产生冲击压力。Leach和Walker发现，在直径为5mm的孔底所产生的压力取决于孔的深度。对于很浅的孔，孔底压力接近滞止压力，但压力随深度的增大而减小，当孔深大于10倍孔径时，孔底压力降低到只有10，但此时冲蚀孔的深度与直径之比却增大了10倍，所以认为孔隙压力对岩石破碎有重要影响。

　　瓦胃《等将岩石孔隙理想化成毛细管，用理关的压力脉动，其数量级比射流冲击压力高，足以使岩石局部破坏。晶间孔隙中发生的压力脉冲增大倍数取决于孔隙大小，孔隙越小，压力脉冲越小。对于结构致密的细粒岩石，孔隙很小，从而不发生压力增大，并且由于摩擦力增大，当水通过孔隙前进时，其有效能量不足以引发裂缝。

　　扣等用实验的方法得到和FErdmann-Jesnitzer和Evers相似的结果，认为水射流破岩是通过裂纹沿晶界扩展，而不是横穿晶粒。并证实岩石的孔隙度尤其是渗透率、晶粒大小以及可能存在的微小裂纹是支配水射流穿透岩石速度的主要因素，而不是抗压强度或抗拉强度。

　　程大中认为脆性岩石的破碎是裂纹的产生和扩展的结果，依靠机械刀具形成初始裂纹，高压水侵入裂纹后，便在缝隙压力作用下，以液压楔膨胀压裂的形式作用于裂纹表面，当它超过岩石的内应力时，岩石的裂纹便会迅速扩展，并认为这种高压水射流引起的裂纹扩展与断裂力学的裂纹扩展在性质上是可比的。

　　HJCholet认为，岩石的抗拉或抗压强度都不能确切地反映岩石对于射流切割破岩的阻力，岩石的渗透率在射流破岩过程中重要。他们通过试验发现，渗透率小于01x10-15m2的岩石在射流速度为350m/s时仍不能冲蚀，但渗透率大于0 1x10-15m2的岩石在打击速度为（100~却能被冲蚀。对这种渗透率对破岩效果影响明显的解释为，对于渗透性岩石，射流的滞止压力将在晶粒间传播，当作用于晶界的滞止压力超过晶粒的连结强度时，岩石将由于晶粒的解体而被破坏。

　　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。

　　廖华林等：水射流作用下岩石破碎理论研究进展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损伤破碎理论倪红坚采用有限元法，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JLmailRe损伤理论为基础，建立了岩石宏微观损伤耦合模式，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存在问题与建议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，如流固耦合作用、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耦合作用；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，可以借助流固耦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。