真三轴应力下水射流冲击不同层理面倾角煤的破坏机制

来源：振动与冲击杂志2024年第22期北京时间：

作者：葛兆龙,，马世榃,，周哲zhouzhe@cqu,，张旭,，常文旭,

单位：1.重庆大学资源与安全学院，重庆400044；2.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400044

摘要：煤的层理面倾角(bedding plane angles ,BDA)对射流破岩的效果影响显著。为探讨真三轴应力下不同层理面倾角煤的射流破坏机制，开展了不同层理面倾角煤在真三轴应力下的纯水射流冲蚀实验。结果表明，煤在层理面倾角较低和较高时，射流冲击分别容易形成锥形破碎坑和裂缝坑，破碎坑开口随着层理面倾角的增大由圆形逐步向椭圆形过渡，煤的破坏模式由剪切破坏主导转变为拉伸-水楔效应主导。随着层理面倾角增至60°，破岩体积增加了154.35%。当施加三轴应力时，层理面对射流破煤性能的影响被抑制，不同层理面倾角煤的破坏模式仅呈现圆孔破碎坑，水锤压力引起的剪切破坏是煤在三轴应力下破坏的主要原因，60°层理面倾角煤的破坏体积减少了95.6%，相比其他倾角降低幅度达到最大。层理面倾角对煤的轴向损伤演化具有驱动作用，随着倾角增大，轴向损伤发生波动。当施加三轴应力时，三轴应力抑制了射流破煤的损伤演化，煤的轴向损伤出现收缩。煤的破碎坑壁面的扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）结果表明：当施加三轴应力时，0°层理面倾角煤的破碎孔壁不再出现微裂隙与脆性剪切破坏的痕迹，并且孔隙的数量与尺寸大幅减小；60°层理面倾角煤的破碎孔壁不再出现由于水楔作用导致的大量锯齿状痕迹，三轴应力下不同层理面倾角煤的破碎孔壁面均出现明显的延性剪切破坏特征。<br>

关键词：径向射流钻井技术；煤层理面；三轴应力；损伤破坏