AWJ(Abrasive Water Jet)被广泛应用于工程领域[1]。AWJ在煤矿井下有爆炸性气体环境中破岩及切割硬岩方面具有独特的优势，与传统破岩方法相比，AWJ的适用性更加广泛，同时操作方便、安全[2,3,4]。

研究发现，AWJ的切割能力不仅受射流工艺参数影响[5],还与岩石性质密切相关[6,7]。对于非均质脆性材料，磨料水射流的冲击力首先作用于基质，能量被基质吸收后，消弱了磨料对骨料的冲击作用[8]。PAOLA等[9]针对3种岩石开展了磨料水射流切割试验，发现磨料水射流对岩石的冲击机制取决于岩石的矿物成分及结构构造。ARAB等[10]的研究表明，最难加工(即切削率较低)的材料是单斜长岩，其次是正长岩。大理石和砂岩的切削率类似。廉晓庆等[11]通过深入研究发现，在垂直冲击作用下，磨料水射流会导致刚玉质水泥表面的基质发生显著的变化，其中包括切削、粗骨料沿晶断裂以及细骨料穿晶断裂。QU等[12]针对3种不同矿物成分的页岩进行磨料水射流切割试验，发现脆性矿物含量多的页岩其破坏由磨料侵蚀和基质剥落控制，而随着黏土含量的增加，岩石损伤主要由磨料切割产生的穿晶断裂所致。

许多学者认为，影响岩石力学性质的因素不仅仅是外部的压力、温度、湿度以及其他物理化学变化，还包括其内部的物理结构、物理化学组成以及物理化学变化的特点[13]。当颗粒尺寸缩小时，岩石的抗拉能力、抗压能力、凝固能力和弹性模量会降低，泊松比会升高，但是内摩擦角的变化并不明显[14]。岩石的含水率对岩石力学性质有较大影响，当岩石含水量较低时，在达到其极限强度后，岩石更多表现为脆性，同时也更容易发生剪切破坏；当岩石的水分增加时，会降低其单轴抗压强度和弹性模量，表现为塑性破坏，而且应变软化特性不明显[15]。随着温度的上升，深部岩体的物理力学性质发生了显著的变化，其弹性模量和抗压强度会下降[16]。综上，岩石力学参数受岩石的物质成分及结构构造等因素的影响较大。相同强度的岩石，其结构构造可能存在较大差异。

虽然，磨料水射流切割岩石的研究较多，但在岩石岩性和强度方面的研究内容有限，且相关磨料水射流参数也不同，缺乏对多种岩性和不同岩石强度的综合分析，岩石岩性和强度对磨料水射流破岩性能的影响有待深入探究。基于此，本文统计了山西组二1煤层上方30 m内常见的岩石岩性分布和岩石强度特征，并开展了磨料水射流切割试验，旨在探究岩石力学参数与射流切缝深度的相关关系，提高切割效率。

1、磨料水射流切割煤系岩石

1.1 试验设备

试验所用的浆液磨料水射流系统如图1所示。主要设备包括ZBYSB210/33-75型注浆泵，JDW 300型搅拌桶、自动比例加砂装置和试验台等。

图1 磨料水射流切割系统装置   

1.2 试验材料

虽然天然岩石种类繁多，但煤炭开采中常见的煤系岩层主要有石灰岩、砾岩、砂岩、泥岩(页岩)和煤这几个种类，目前矿山岩石力学领域对这些不同种类岩石的材料组分和力学强度都有了详细的参考资料。根据切顶卸压或切顶留巷的现场施工条件，AWJ主要用于切割煤层上方10～30 m内的岩层。故本文统计了16个煤矿二1煤层顶板上方30 m内的岩层，这些煤层均属于山西组，主要分布于华北地区，包括山西、河北、河南、山东等地。

统计结果表明，山西组二1煤层上方岩石主要是砂质泥岩、粉砂岩、中砂岩、泥岩；其次会有一定的灰岩和粗砂岩出现。故本文选择砂质泥岩、粉砂岩、中砂岩、泥岩、灰岩和粗砂岩作为切割靶件进行试验。

对相关岩石力学参数进行了分析，发现在研究范围内的岩石，粉砂岩、中砂岩、粗砂岩、砂质泥岩、灰岩的弹性模量分别集中在15～30 GPa、12.5～20 GPa、10～17.5 GPa、7～17 GPa、30～40 GPa, 泥岩的弹性模量值较离散，6种岩石的抗压强度都较为离散，且离散值较大。粉砂岩的抗压强度有一部分集中在70 MPa, 但其余的抗压强度数值较为分散，没有集中于某个较小强度范围。中砂岩、砂质泥岩、泥岩的抗压强度有一部分集中于一个较小的抗拉强度范围，分别为2.8～4.8 MPa、1.75～2.75 MPa、1～2.5 MPa。其余3种岩石的抗拉强度则较为分散。

1.3 试验参数与试验方案

(1) AWJ参数。

根据前期的试验研究，初步确定了AWJ试验参数，见表1。

表1 AWJ试验参数

(2) 岩石参数测试。

将现场采集的岩石制作为Φ50 mm×100 mm和Φ50 mm×25 mm的标准件，并进行基本力学参数测试，测得的岩石力学参数见表2。AWJ切割试验的试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm(长×宽×高)。

表2 各类岩石的力学参数

(3) 试验方案。

对不同岩性和强度的岩石进行水射流切割，测量各类煤系岩石的切割深度。为了减小误差，每组试验进行3次重复试验。使用数显游标卡尺和0.01 mm塞尺测量切缝，测量切缝5个不同位置的切割深度，并舍弃最大值和最小值，然后将剩下的3组数据求平均，以得出最终的结果。

2、试验结果及分析

2.1 切缝深度测量结果

不同岩性和强度岩石AWJ切割的切缝深度测量结果见表3。

表3 不同岩性岩石的切缝深度

2.2 相关性分析

根据切缝深度与岩石的弹性模量、抗压强度和抗拉强度关系的分析，发现AWJ切缝深度与这3个岩石力学参数总体上均存在负相关关系，但同时也有一部分岩石存在力学参数值较大，切缝深度也大的现象；或是力学参数值相差不大，但切缝深度相差较大的情况。因此，无法确切地判断AWJ切割岩石的切缝深度与岩石弹性模量、抗压强度和抗拉强度的相关性。

皮尔逊双变量相关性分析可用于判断两个变量之间的线性关系程度，也可用于衡量变量之间的相互影响。根据试验结果，利用SPSS软件对岩石的抗拉强度、抗压强度、弹性模量展开相关性分析。如图2所示，抗压强度、抗拉强度和弹性模量都出现了异常值，在SPSS中，这些异常值会被自动标记为圆圈或星“*”,其中圆圈代表轻度异常，而星“*”点则代表极端异常。图2中的异常点均为圆圈标注，代表数据轻度异常，异常点数据分别为：E18=50.75 GPa、E19=59.46 GPa、R11=165.25 MPa, 其中E18和E19是灰岩的弹性模量，R11是粗砂岩的抗压强度。由于灰岩在统计岩层中出现次数较少，且该灰岩强度较大，则被软件认定为异常值。粗砂岩的强度较大，在图中显示强度偏高，在实际工程环境中，该强度范围的粗砂岩也同样有较多的存在。在本文中，异常值并不影响后续数据分析，因此，不做异常值删除处理。

图2 力学参数箱图   

图3为切缝深度与岩石力学参数之间的关系散点图。由图3可以看出，切缝深度和岩石的弹性模量、抗压强度、抗拉强度均呈负相关。

图3 切缝深度与岩石力学参数的关系   

由表4可知，抗压强度(R)、抗拉强度(Rt)正态性检验结果的显著性均大于0.05,说明抗压强度值和抗拉强度值服从正态分布，可进行Pearson相关性分析；而弹性模量正态性检验结果的显著性为0.035,明显小于0.05,说明弹性模量不服从正态分布，且存在不可删除的异常点，因此进行Spearman相关性分析。

表4 正态性检验结果的显著性

岩石抗压强度、抗拉强度与切缝深度的相关性分析结果见表5,岩石抗压强度R与切缝深度h的皮尔逊相关性系数为-0.629,显著性检验结果为0.004,表明岩石的抗压强度与切缝深度之间存在极显著的中度负相关关系。岩石抗拉强度Rt与切缝深度h的相关性系数绝对值比抗压强度与切缝深度的相关性系数绝对值略小，为-0.451,显著性检验结果为0.053,说明岩石抗拉强度与切缝深度的相关关系弱于抗压强度与切缝深度的相关关系。岩石弹性模量E与切缝深度h的相关性系数为-0.742,显著性检验结果小于0.001,说明岩石的弹性模量与切缝深度之间也存在极为显著的负相关关系。

表5 岩石力学参数与切缝深度的相关性分析

通过比较，岩石抗压强度、弹性模量和抗拉强度与切缝深度的相关性系数的绝对值可知，岩石弹性模量与切缝深度的相关性最强，其次为抗压强度，抗拉强度与切缝深度的相关性最弱。

2.3 切缝深度与弹性模量的关系

如图4所示，对比不同岩性岩石的弹性模量与AWJ切缝深度，发现6种岩石的切缝深度均随着弹性模量增加而降低。但图4(a)中，粉砂岩C组弹性模量大于B组，切缝深度也是C组也大于B组。在图4(b)中，中砂岩F组和G组，虽然切缝深度基本相同，但G组的弹性模量大于F组的，弹性模量和切缝深度的关系与之前其他组不一致。由图4(c)至图4(f)可知，粗砂岩、砂质泥岩、泥岩、灰岩4种岩石弹性模量与切缝深度呈负线性相关关系。对岩石的切割结果可以看出，粉砂岩和中砂岩都出现了弹性模量和切缝深度关系的异常组，说明切缝深度的变化并不是单一的岩石弹性模量变化所导致的。

图4 岩石切缝深度与岩石弹性模量的关系   

2.4 岩石切缝表面微观分析

岩石的抗压强度、抗拉强度、凝聚力与弹性模量随颗粒减小而减小，泊松比随颗粒变小而增大，内摩擦角随颗粒大小变化趋势不明显。磨料水射流切割岩石，主要是磨料颗粒对岩石晶体及胶结物的冲蚀。因此，岩石晶体强度、晶体直径和晶体间胶结情况都直接影响磨料水射流切割岩石的结果。相关研究发现，磨料水射流切割后，岩石晶体的破坏主要表现为穿晶断裂、沿晶断裂和在晶体上形成切槽3类[11]。在切割壁上部区域主要表现为穿晶断裂，同时还有沿晶断裂和在晶体上形成切槽。随着切割深度的增加，切割形式由穿晶断裂为主逐渐转变为沿晶断裂为主。该种变化主要是由于磨料射流的切割动能逐渐减弱所导致的。因此，本文中观测位置选择切割裂隙表面顶部垂直向下10 mm处，使用VHX-2000数码显微镜对异常组岩石切缝内壁进行观测，进一步探究切缝深度与弹性模量关系异常的原因，结果如图5、图6所示。

由图5可清晰看出，A组粉砂岩的晶体粒径虽然和B组的相近，但AWJ切割过后，在A组岩石的裂缝表面上晶体出现脆性破坏，说明A组的晶体强度低于B组的晶体强度，导致A组的弹性模量比B组的小，A组的切缝深度大于B组的切缝深度。C组粉砂岩的晶体粒径略大于B组的，但其晶体间的胶结物比B组的少，由于晶体强度强于胶结物强度，故C组的弹性模量比B组的大。但C晶体主要发生了穿晶断裂，还出现了水射流的切槽。C组岩石的晶体强度比B组的小，导致C组的弹性模量比B组的大，但C组的AWJ切缝深度却大于B组的。D组岩石的晶体粒径远大于其他3组，且裂隙表面晶体主要发生沿晶断裂，其晶体强度也大于其他3组，因此，D组的AWJ切缝深度最小。

图5 粉砂岩的裂隙表面微观形貌   

如图6所示，E组中砂岩的晶体粒径明显小于其他两组，晶体间胶结物也较多，于是导致其弹性模量最小，切缝深度最大。F组和G组岩石的晶体粒径大小相近，射流冲击后，F组和G组的晶体主要发生沿晶断裂，但G组有一些晶体发生了脆性破坏，晶体强度明显低于F组的，F组岩石的晶体间胶结物明显多于G组。因此，G组岩石的弹性模量较大，但其切缝深度却和F组的相近。

图6 中砂岩的裂隙表面微观形貌   

综上所述，岩石晶体强度、晶体直径和晶体间胶结情况对岩石强度有影响，同样，也会导致磨料水射流的切缝深度不同。晶体强度弱、晶体直径小和胶结物强度弱，磨料水射流能更好地冲蚀或剥离岩石晶体。

3、结论

(1) 统计并分析了二1煤层上方30 m内各类岩石分布情况，发现煤层上方大量岩石为砂质泥岩、粉砂岩、中砂岩、泥岩；其次有一定的灰岩和粗砂岩出现。选定了AWJ切割试验的靶件岩石类型并测定岩石的基本力学参数。

(2) 对AWJ切缝深度与岩石力学参数(抗压强度、抗拉强度、弹性模量)进行了相关性分析。分析结果表明，切缝深度与岩石弹性模量的相关性最强，与抗压强度的相关性次之，切缝深度与抗拉强度的相关性最弱。值得注意的是，一些岩石的切缝深度与其弹性模量存在异常关系。

(3) 对岩石切缝内壁微观形貌进行了观测，发现岩石晶体主要发生穿晶断裂和沿晶断裂，岩石岩性的改变并不影响AWJ的切割机理；切缝深度受岩石晶体强度、晶体胶结情况和晶体直径等因素的影响明显。

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基金资助:国家自然科学基金面上项目(52174109);河南省高校科技创新团队支持计划项目(22IRTSTHN005);

文章来源:袁瑞甫,秦博,邓俊豪等.磨料水射流切割能力与岩石参数相关关系研究[J].矿业研究与开发,2024,44(01):118-124.