盡管水射流破巖技術已廣泛應用于礦山開采、石油鉆探和巷道挖掘、巖石切割等有關工程領域，但是，人們對水射流作用下巖石的破碎機理的認識依然是眾說紛紜、莫衷一是，還沒有形成一種較為統(tǒng)一的學說，其中最主要的原因是水射流破巖過程的復雜性，因為它在短暫的過程中涉及到流體、固體和流固耦合等眾多學科。水射流破巖理論應包括：射流沖擊引起的應力場，裂紋的出現(xiàn)與傳播、用何種理論作為巖石破碎的判據(jù)，以及射流水力參數(shù)計算等。本文以水射流的加載特性和巖石的破壞形式為依據(jù)，將各種水射流破巖理論的主要觀點作一個歸納總結，在此基礎上對各種理論進行評述分析，為水射流破巖理論的研究提供。

　　1準靜態(tài)彈性破碎理論該理論將射流對巖石的沖擊力看作準靜態(tài)的集中力，大小等于射流滯止壓力，作用于半無限彈性體上，以彈性強度理論為基礎，將巖石的抗壓、抗拉、抗剪強度作為巖石破碎的判據(jù)，當射流液流沖擊在巖石上產(chǎn)生的應力超過巖石的強度時，巖石發(fā)生破壞。

　　靜態(tài)彈性破碎理論認為，巖石在射流的沖擊作用下，其內部的應力分布情況與半空間彈性體在集中載荷作用下的應力分布相似，在沖擊區(qū)正下方某一深處將產(chǎn)生最大剪應力，沖擊接觸區(qū)邊界周圍產(chǎn)生拉應力，由于巖石抗拉、抗剪強度遠小于其抗壓強度，雖然沖擊產(chǎn)生的壓應力達不到巖石抗壓強度，而拉應力和剪應力卻分別超過了巖石的抗拉和抗剪的極限強度，導致巖石破壞。

　　較有代表性的理論有密實核-劈拉破巖理為具有一定速度的剛體壓入巖石半無限體，當最大剪應力和拉應力超過巖石的抗拉、抗剪強度時，出現(xiàn)裂紋并擴展到?jīng)_擊接觸面，形成由巖粉組成的密實核，在水射流與未破壞的巖石之間起“巖墊”作用。

　　當射流繼續(xù)沖擊它時，密實核的體積縮小，密度增大而儲能，形狀變成橢球體，當密實核儲蓄的能量達到*國家杰出青年科學基金項目（50125413）和國家自然科學基金重廖華林（1974-），男，石油大學（華東）石油工程學院高壓水射流中心，博士研究生，257061山東省東營市。

　　金屬礦山一定程度時，它將開始膨脹而釋放能量，使它周圍的巖石產(chǎn)生切向拉應力，拉應力超過巖石的抗拉強度時，巖石壁上將出現(xiàn)徑向裂隙，由于密實核處于高壓狀態(tài)，核中的巖粉以粉流形式鍥入徑向裂隙，并在靠近阻力較小的自由面方向劈開巖石，從而完成脆性巖石的躍進式破碎（體積破碎）。

　　MHypabacknh基于密實核-劈拉理論獲得一些定量結果，他把射流對巖石的作用力簡化為均勻分布在圓上的作用力，得出了水射流破巖門限壓力與巖石抗剪強度的關系表達式：1（打也等研究了淹沒水射流沖擊Mortal巖樣時射流沖擊壓力與巖石抗壓強度的關系，假設：a射流結構符合Tollneh理論，沖擊載荷由射流撞擊巖石引起；b巖石內部應力分布符合Boussesq理論；。用Mohr理論作為巖石破壞的判據(jù)；d巖石為各向同性彈性體。通過試驗發(fā)現(xiàn)，當射流壓力超過抗壓強度的約1/2時，巖石發(fā)生破壞。

　　張作龍等把等速核范圍內巖石表面的滯止壓力等于噴嘴出口動壓，將射流沖擊力按集中力看待，按最大抗剪強度理論用有限元法計算出大理巖等脆性巖石的射流門限壓力和實測結果較為吻合，所以認為剪切破壞是造成水射流破巖的主要原因。

　　準靜態(tài)破巖理論能解釋一些水射流破巖石機理，特別是對于連續(xù)射流破巖中門限壓力的存在。

　　不過門限壓力不總和巖石的強度存在關系，而且很多試驗現(xiàn)象與準靜態(tài)理論存在很大差異，如脈沖、間斷和超音速等射流沖擊引起大塊巖石的破碎，空氣和淹沒條件下射流破巖存在最優(yōu)噴距、水錘效應等，準靜態(tài)破巖理論顯然存在局限性。

　　2應力波破碎理論與準靜態(tài)破巖石理論不同，應力波破碎理論認為，水射流沖擊的沖擊載荷是動載，在巖石中產(chǎn)生應力波，應力波的作用是造成巖石破壞的主要原因。

　　應力波破碎理論最早用來解釋高速液滴、脈沖射流等引起的破巖現(xiàn)象。很多學者對液滴和脈沖射流引起的壓力分布作過深入研究，如：YenCHuang和FGHammitt等利用非定常流理論建立二維液滴沖擊固定的剛性平板時，液滴的形態(tài)變化及其內部瞬態(tài)壓力分布和速度分布。F立了水錘壓力計算式并得到廣泛應用，他認為沖擊波的速度對射流的沖擊壓力影響很大。FP等也對超音速射流沖擊下物體的變形與破壞、應力波的作用等進行過大量研究，得出很多有用的結論。應力波破碎理論的基本觀點是在高壓水射流作用下，被沖擊區(qū)在強大壓縮波的作用下處于絕對受壓狀態(tài)，直到液滴向外作徑向流動，作用在固液表面的壓力才由水錘壓力降至滯止壓力，由于壓力急劇下降，壓縮波被反射后形成強大的徑向拉力，當拉力值超過巖石的破裂強度時產(chǎn)生裂紋。

　　許多因素簡化成動載強度和波阻率，把射流方面的許多因素和條件歸結為噴射壓力、速度和波阻，以動壓大于或等于巖石動載強度（抗壓強度）作為破碎判據(jù)，得出了破碎巖石時脈沖射流沖擊力和速度的計算公式。

　　水滴和一束水射流是存在差別的，其沖擊力的大小和應力波產(chǎn)生的條件不盡相同。日本學者TKinoshita等對一束水沖擊巖石進行了研究，認為射流是由數(shù)量很多的帶有動能的水滴和空氣隙組成，它是液體和氣體混合的一束射體。當射流沖擊巖石時，水滴排擠出空氣隙，而本身密實和壓縮，并產(chǎn)生沖擊波。他們根據(jù)能量和動量守恒原理，按沖擊波理論計算沖擊壓力和等參數(shù)，建立起了水射流沖擊巖石模型。根據(jù)TKhoshita等的研究，水射流沖擊下，巖石中會出現(xiàn)圓柱狀和漏斗狀兩種形狀的破碎坑。他們所建立的模型還說明一束水和一滴水的沖擊作用是不同的，水滴的沖擊壓力取決于它的速度，而一束水的沖擊壓力不僅取決于它的速度，而且與射流中氣體的含量有關。

　　用光彈高速攝影法研究了一束水射流結構和沖擊應力場。認為水射流沖擊固體產(chǎn)生的應力場是比較復雜的，雖然水射流比較集中，但不能按集中力對待，用一般彈性理論不能解決水射流的應力場計算。并通過水射流沖擊混凝土試驗，對一束水沖擊巖石引起的破碎過程作了定性分析，將水射流的破巖過程描述為：①由剪切應力波作用形成破碎坑；②墟著破碎坑的出現(xiàn)和擴大，膨脹波迅速減弱；③破碎坑內準靜態(tài)增加；④由增壓引起的巖石斷裂和壓力釋放；整個破碎坑形成時間約為15~ 6ms⑥破碎坑的大小和形狀與射流比長（射流長度與噴嘴直徑的比值）和比壓（射流沖擊壓力與巖石抗壓強度的比值）有關。他還通過試驗發(fā)現(xiàn)，射流速度對產(chǎn)生應力波的影響非常顯著，當射流廖華林等：水射流作用下巖石破碎理論研究進展速度低于850m/s時，試樣上無明顯應力波發(fā)生，準靜壓力加載是造成試樣破壞的主要原因。

　　應力波理論對解釋超高速（音速）射流的破巖機理是合適的，它解釋了許多靜態(tài)理論無法解釋的現(xiàn)象。但由于水射流沖擊產(chǎn)生的應力波作用范圍與固體撞擊或爆炸沖擊產(chǎn)生的應力波存在差異，對于水射流沖擊下應力波產(chǎn)生的條件、在巖石內的傳播及作用范圍等的認識還存在局限。另外，對于中低速射流特別是淹沒射流作用下巖石中是否有應力波存在及應力波對巖石破碎所起的作用的研究有待進一步深入。

　　3氣蝕（空化）破碎理論所謂氣蝕就是由充滿蒸汽或空氣的負壓空穴在固體表面破裂而產(chǎn)生的，根據(jù)Rayleh的理論，如果氣泡的破裂能量集中在一點上，它產(chǎn)生的壓力非常Ciow認為氣蝕作用是造成巖石破壞的主要原因，在水射流沖擊下，巖石表面受到很高的壓力作用，巖石顆粒前后的壓力不同，兩者的壓力差就具備了氣蝕條件。由于水射流沖擊下巖石表面同時產(chǎn)生強烈的氣蝕破壞，所以巖石表面的顆粒又受到剪力的作用。剪力的大小可表示為下巖石顆粒前后的壓力值。并用Coulomb準則定義了新巖石破壞的判據(jù)。

　　Crow的氣蝕破壞理論只是一種假說，他并沒有從理論或實驗上證實空泡的破壞。Hamm等用高速攝影證實了近壁處空泡潰滅量壁面微射流的存在，并計算出微射流的速度，認為微射流是造成物體破壞的原因。AFConn和Johnson推導出了等溫條件壓縮條件下空化射流產(chǎn)生的沖擊壓力（P，）與連續(xù)射流沖擊力（P，）之間的關系為P，氣蝕破壞包括機械作用、化學作用和熱作用等，但以機械作用為主為大多數(shù)人所接受。氣蝕射流所產(chǎn)生的破壞很大程度上是由于液體的微射流沖擊巖石表面所產(chǎn)生的，其破壞機理與連續(xù)射流有許多相似之處。當氣蝕射流沖擊到物體表面，小坑邊緣四周突起，呈一環(huán)形裂紋，有時也會出現(xiàn)徑向裂紋和液體在巖石表面的流動。氣蝕破壞理論與空氣中的一束水破壞理論基本相同，只是大小不同而已，氣蝕破壞是微觀的，但有效破壞力大。

　　淹沒射流所產(chǎn)生的空化破壞能大大提高破巖效率，這已被許多試驗所證實。但由于空泡破裂的強度大，用實驗手段很難測得氣蝕射流對巖石的破壞強度，加上淹沒條件特別是圍壓條件下空化的初生、發(fā)展與破壞還存在不同的認識，射流中空泡的密度難以確定，空泡的實際破壞只能作定性分析，氣蝕破巖理論還沒形成理論模型。

　　4裂紋擴展破碎理論裂紋擴展理論認為，水射流作用前巖石中存在的初始裂紋，巖石的破壞是裂紋擴展而破裂的結果。

　　因裂紋擴展機理不同，裂紋擴展破碎理論包括兩種理論：一種是斷裂力破碎理論，認為巖石在水射流沖擊作用下產(chǎn)生裂紋，裂紋在沖擊應力作用下擴展、交匯，最后形成破碎坑；另一種理論是拉伸-水楔作用理論，認為射流沖擊下，高壓水射流能有效地順著裂紋尖端傳播，水侵入裂隙空間以后，對裂隙產(chǎn)生一應力場，在裂隙尖端產(chǎn)生應力集中區(qū)，它使裂隙迅速發(fā)展擴大，致使巖石破碎。

　　最早提出裂紋擴展破碎理論的是Powel和Sinpson認為，水射流沖擊壓力是隨噴距變化的，應力分布用Leach和W alke所做實驗結果得到。Powell和Sinpson假定沖擊表面沒有剪切應力的作用，半無限體具有初始裂紋，但不影響應力的分布，并按Griffith抗拉強度理論作為裂紋擴展的判據(jù)。

　　通過計算發(fā)現(xiàn)，在水射流沖擊下，只有當射流壓力超過巖石抗拉強度的20倍以上時，才會發(fā)生斷裂，切割深度與射流壓力和抗拉強度存在倍數(shù)關系。

　　Erdmann-Jesnitzer等按照斷裂力學性質驗證巖石上的鉆孔和切割效果，認為水射流作用下巖石破碎要經(jīng)歷裂紋產(chǎn)生和擴展兩個階段。由于巖石體中含有初始微裂紋，水射流會引起微裂紋尖端和表面附近裂紋可能形成應力集中區(qū)，如果這些部位超過材料的斷裂強度，微裂紋就會出現(xiàn)，斷裂力是各向異性的。由于水射流的動量轉移，加載力增大，開始產(chǎn)生裂紋將穿過晶界擴展、交互，導致大顆粒脫落。此外，還認為裂紋的形成機理和常規(guī)斷裂力學相似，并通過實驗發(fā)現(xiàn)空氣中和水下巖石試樣裂紋張開位移特性區(qū)別較大，其原因在于滲透性及表面效應。此外，射流破巖門限壓力和斷裂強度因子存金屬礦山在相關性。裂紋張開位移曲線表明，使宏觀裂縫開始擴展所需要的載荷比使之繼續(xù)擴展的載荷大得多。

　　B莫漢蒂等認為巖石破碎的主要機理是水射流沖擊和微裂紋的擴展，當射流打擊力小于巖石抗壓強度時，各微裂紋和孔隙被增壓到臨界破壞狀態(tài)，隨后這些裂紋擴展和連通，導致巖石破壞。當射流打擊力大于巖石抗壓強度時，巖石以壓縮形式破壞，而原有的裂紋或微裂紋是無關緊要的。因此，水射流切割破碎效率取決于巖石的彈性強度以及巖石的孔隙度和滲透性。

　　斷裂力破碎理論比彈性強度理論更好地解釋了水射流的破巖機理，但在很多情況下與實際試驗情況并不相符，于是人們將更多的因素考慮到巖石破碎中，其中最重要的一個因素是巖石的孔隙性和滲透率。Foreman和Secor首先對Powell和Sinpson進行了修正，認為孔隙壓力對巖石的破壞起重要作用。他們假設：a巖石破壞以前，破壞部分中所有的孔隙都充滿液體；b流體在巖石孔隙流動遵守達西定律。同時對巖石破壞的Griffith斷裂理論作了修改，并用有限元程序計算了射流沖擊下巖石內的應力分布。按Foreman和Secor的計算結果得到的射流破巖門限壓力比Powell和Smpson要小，但仍然比實際值偏高。為了證明巖石中孔隙水的作用，F(xiàn)oranan和Secor做了一個著名的試驗，在巖石表面放一塊極薄的銅片，水射流的壓力可直接傳給巖石，但無法進入巖石孔隙，當水射流壓力超過巖石的門限破壞壓力時，沒被銅片覆蓋的巖石被沖蝕，但有銅片覆蓋的巖石只留下一個射流直徑大小的淺印。

　　前提，認為水射流能穿透晶粒之間的空隙，使晶粒受到液體壓力而脫落，破巖的條件是晶粒間的靜水壓力必須克服晶粒間的內聚力?；诖藢С龃怪庇趲r石的水射流切割巖石的理論模型，理論和實驗都說明槽深是射流直徑、射流壓力和巖石門限壓力的比值、沖擊時間和巖石滲透率的函數(shù)，關鍵的因素是巖石的沖蝕阻抗與巖石的滲透率的關系。

　　RJ普查拉等認為水力破碎的機理是高水壓作用的結果，水壓通過微觀裂隙和微孔穿透物料基體，以大于物料的抗拉強度、抗壓強度和抗剪強度的力來破碎物料。M馬楚凱維茲等進行了水射流對物料龜裂作用模型的研究，用實驗的方法測試了模擬物料內部微裂紋的裂隙內壓力分布，認為水射流能穿過巖石裂隙，可在裂隙底部產(chǎn)生沖擊壓力。Leach和Walker發(fā)現(xiàn)，在直徑為5mm的孔底所產(chǎn)生的壓力取決于孔的深度。對于很淺的孔，孔底壓力接近滯止壓力，但壓力隨深度的增大而減小，當孔深大于10倍孔徑時，孔底壓力降低到只有10%，但此時沖蝕孔的深度與直徑之比卻增大了10倍，所以認為孔隙壓力對巖石破碎有重要影響。

　　瓦胃《等將巖石孔隙理想化成毛細管，用理關的壓力脈動，其數(shù)量級比射流沖擊壓力高，足以使巖石局部破壞。晶間孔隙中發(fā)生的壓力脈沖增大倍數(shù)取決于孔隙大小，孔隙越小，壓力脈沖越小。對于結構致密的細粒巖石，孔隙很小，從而不發(fā)生壓力增大，并且由于摩擦力增大，當水通過孔隙前進時，其有效能量不足以引發(fā)裂縫。

　　扣等用實驗的方法得到和FErdmann-Jesnitzer和Evers相似的結果，認為水射流破巖是通過裂紋沿晶界擴展，而不是橫穿晶粒。并證實巖石的孔隙度尤其是滲透率、晶粒大小以及可能存在的微小裂紋是支配水射流穿透巖石速度的主要因素，而不是抗壓強度或抗拉強度。

　　程大中認為脆性巖石的破碎是裂紋的產(chǎn)生和擴展的結果，依靠機械刀具形成初始裂紋，高壓水侵入裂紋后，便在縫隙壓力作用下，以液壓楔膨脹壓裂的形式作用于裂紋表面，當它超過巖石的內應力時，巖石的裂紋便會迅速擴展，并認為這種高壓水射流引起的裂紋擴展與斷裂力學的裂紋擴展在性質上是可比的。

　　HJCholet認為，巖石的抗拉或抗壓強度都不能確切地反映巖石對于射流切割破巖的阻力，巖石的滲透率在射流破巖過程中最重要。他們通過試驗發(fā)現(xiàn)，滲透率小于01x10-15m2的巖石在射流速度為350m/s時仍不能沖蝕，但滲透率大于0 1x10-15m2的巖石在打擊速度為（100~卻能被沖蝕。對這種滲透率對破巖效果影響明顯的解釋為，對于滲透性巖石，射流的滯止壓力將在晶粒間傳播，當作用于晶界的滯止壓力超過晶粒的連結強度時，巖石將由于晶粒的解體而被破壞。

　　裂紋擴展破碎理論比彈性強度理論更恰當?shù)孛枋隽藥r石的破巖過程，而且有很多試驗現(xiàn)象支持。水射流作用下巖石的破碎是裂紋擴展的結果基本上成為共識，存在的分歧是引起裂紋的擴展的原因。

　　廖華林等：水射流作用下巖石破碎理論研究進展對于巖石中孔隙壓力的分布以及孔隙壓力對巖石破壞的貢獻還沒有具有說服力的理論。另外，如果能從理論上考慮破碎坑的形成與裂紋擴展傳播存在關聯(lián)將更好地證明巖石破碎是裂紋擴展的結果，從而使該理論更具有說服力。

　　5損傷破碎理論倪紅堅采用有限元法，對水射流的破巖機理進行了數(shù)值模擬。通過對連續(xù)射流、旋轉射流和脈沖射流破巖過程的模擬，認為水射流作用下巖石的破碎是射流沖擊載荷在巖石內產(chǎn)生的應力波和射流準靜態(tài)壓力共同作用的結果，其中以應力波為主，準靜態(tài)壓力為輔。水射流破巖分為兩個階段，初期以沖擊載荷為主，形成巖石損傷的主體，后期主要是準靜態(tài)壓力使巖石內已有的微孔隙、微裂紋等損傷二次擴展。他以JLmailRe損傷理論為基礎，建立了巖石宏微觀損傷耦合模式，并以損傷變量作為巖石破壞的判據(jù)，為水射流破巖機理的研究提供了一種新的方法。

　　6存在問題與建議由于水射流破巖體系的復雜性，在理論分析和實驗研究方面均有較大困難，使得水射流破巖機理難以客觀揭示。水射流破巖過程短暫，此過程中水射流的特性和巖石的形體模型和受力形式也在發(fā)生改變，從靜態(tài)的觀點來研究顯然存在不足。由于水射流破巖過程中局部效應明顯，以彈塑性理論和斷裂學理論作為水射流破碎巖石的判據(jù)存在局限，巖石損傷力學的發(fā)展為該問題的研究提供了新的方法。另外，對水射流破巖過程簡化得過多，許多研究要點因為存在較大的困難而被忽略，如流固耦合作用、巖石的動態(tài)響應等，因而研究所得出的結論不可避免地與實際有較大出入。

　　要提高對水射流破巖機理的認識，需要重視兩個問題：一是水射流與巖石的耦合作用；二是巖石動態(tài)破碎的微觀機理。水射流破巖是一個涉及諸多因素的非線性沖擊動力學問題，用理論和實驗手段描述的力度十分有限，數(shù)值模擬為該問題的研究提供了一種新的研究方法。對于水射流破巖石理論的進一步研究中，有幾個方面值得重視：a水射流沖擊動載特性和應力分布規(guī)律；b巖石在水射流沖擊破碎過程中的動態(tài)本構關系；c水射流破巖過程的數(shù)值分析；d水射流結構參數(shù)和巖石性質對破巖效果的影響規(guī)律。對于這些問題，可以借助流固耦合理論和巖石損傷理論來研究。

　　總之，要進一步加深對水射流破巖理論的研究，需要將流體和固體兩個學科結合起來，從動態(tài)的角度對破巖過程進行分析，才能促進理論和技術的進一步發(fā)展。