高壓水射流破碎煤體是高壓水射流的一項(xiàng)具體應(yīng)用,提高水射流沖擊破碎煤體效率在水力采煤和 水力沖孔治理瓦斯等領(lǐng)域具有重要的研究?jī)r(jià)值。若要提高水射流破碎煤巖的效率,必須首先在理論上 掌握煤體在高壓水射流作用下的力學(xué)特征。因此,在高壓水射流破煤過(guò)程中,水體與煤體的力學(xué)特征一 直是高壓水射流破煤研究的重點(diǎn)。倪紅堅(jiān)等[1-2]、王瑞和等[3]、廖華林等[4-5]、盧義玉等[6]、田方寶等[7]對(duì) 高壓水射流沖擊巖石的基本力學(xué)特性進(jìn)行了深入的研究,在高壓水射流沖擊巖石的破孔過(guò)程、巖石表面 與內(nèi)部的應(yīng)力分布、巖石破碎的門(mén)檻壓力等方面得出一系列有價(jià)值的研究成果,為高壓水射流破巖提供 了理論與實(shí)驗(yàn)方面有益的參考。穆朝民等對(duì)于煤體在高壓水射流作用下的動(dòng)態(tài)損傷機(jī)理[8]、臨界破煤 強(qiáng)度[9]及高壓磨料射流破煤體的過(guò)程和數(shù)值計(jì)算方法[10]進(jìn)行了探討,得出了在高壓水射流作用下煤體 的損傷形式和臨界破煤壓力。 

       目前高壓水射流破巖機(jī)理大多為實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果,沒(méi)有涉及高壓水射流破煤的力學(xué)特征,即尚 未建立高壓水射流在沖擊煤體的過(guò)程中,未破水體、破碎水體、煤體的破碎區(qū)與擴(kuò)孔區(qū)完整的力學(xué)方程, 因此對(duì)于高壓水射流破煤的力學(xué)機(jī)理很難形成有效的指導(dǎo)。本文中,擬在李永池等[11]關(guān)于長(zhǎng)桿彈高速 侵徹混凝土相關(guān)研究(主要是彈體蘑菇頭系數(shù)和混凝土剛性破碎流體介質(zhì)假設(shè))的基礎(chǔ)上得出高壓水射 流沖擊煤體的基本力學(xué)特征。 

1 基本力學(xué)分析與假設(shè) 

       高壓水射流沖擊煤體的力學(xué)分析如圖1所示[11],A0-A0以左為高壓水射流未變形破裂部分(未變 形區(qū)),面積為SA0 ,長(zhǎng)度為l;A0A0A1A1為高壓水射流的變形蘑菇頭區(qū),A1-A1為高壓水射流破碎前陣 面,面積為SA1 ,未變形區(qū)與變形蘑菇頭區(qū)合稱(chēng)為未破碎高壓水射流區(qū);A1A1B1A2A2B1A1為高壓水射 流的破碎反射水射流區(qū),其中B1-A2為破碎高壓水?dāng)U孔終止界面,A1-B1為高壓水反射界面,高壓水形 成的總體環(huán)形面積為 SB1 ,A2-A2 為反射高壓水前沿和煤渣后沿的交界面,即沖擊交界面,其面積為 SA2 ;A2B2A3A3B2A2為煤的破碎和擴(kuò)孔區(qū),A3-A3為煤的破碎前陣面,面積為SA3 ,B2A3為煤渣與實(shí)體 煤的交界面,即擴(kuò)孔界面其總體環(huán)形面積為S,圖中 KB2A2B1 稱(chēng)為煤渣的反向運(yùn)動(dòng)區(qū),邊界 A2B2 上的煤渣是和沖擊界面A2-A2一起以沖擊速度u運(yùn)動(dòng)的,并且 A2-A2上的壓力為沖擊壓力p。KB2為煤渣 最終成孔的截面。 高壓水射流沖擊煤體很復(fù)雜,為簡(jiǎn)化問(wèn)題,假定[11]:(1)煤體為剛性破碎流體介質(zhì),當(dāng)p(沖擊壓力)。