高压水射流破碎煤体是高压水射流的一项具体应用,提高水射流冲击破碎煤体效率在水力采煤和 水力冲孔治理瓦斯等领域具有重要的研究价值。若要提高水射流破碎煤岩的效率,必须首先在理论上 掌握煤体在高压水射流作用下的力学特征。因此,在高压水射流破煤过程中,水体与煤体的力学特征一 直是高压水射流破煤研究的重点。倪红坚等[1-2]、王瑞和等[3]、廖华林等[4-5]、卢义玉等[6]、田方宝等[7]对 高压水射流冲击岩石的基本力学特性进行了深入的研究,在高压水射流冲击岩石的破孔过程、岩石表面 与内部的应力分布、岩石破碎的门槛压力等方面得出一系列有价值的研究成果,为高压水射流破岩提供 了理论与实验方面有益的参考。穆朝民等对于煤体在高压水射流作用下的动态损伤机理[8]、临界破煤 强度[9]及高压磨料射流破煤体的过程和数值计算方法[10]进行了探讨,得出了在高压水射流作用下煤体 的损伤形式和临界破煤压力。 

       目前高压水射流破岩机理大多为实验和数值分析结果,没有涉及高压水射流破煤的力学特征,即尚 未建立高压水射流在冲击煤体的过程中,未破水体、破碎水体、煤体的破碎区与扩孔区完整的力学方程, 因此对于高压水射流破煤的力学机理很难形成有效的指导。本文中,拟在李永池等[11]关于长杆弹高速 侵彻混凝土相关研究(主要是弹体蘑菇头系数和混凝土刚性破碎流体介质假设)的基础上得出高压水射 流冲击煤体的基本力学特征。 

1 基本力学分析与假设 

       高压水射流冲击煤体的力学分析如图1所示[11],A0-A0以左为高压水射流未变形破裂部分(未变 形区),面积为SA0 ,长度为l;A0A0A1A1为高压水射流的变形蘑菇头区,A1-A1为高压水射流破碎前阵 面,面积为SA1 ,未变形区与变形蘑菇头区合称为未破碎高压水射流区;A1A1B1A2A2B1A1为高压水射 流的破碎反射水射流区,其中B1-A2为破碎高压水扩孔终止界面,A1-B1为高压水反射界面,高压水形 成的总体环形面积为 SB1 ,A2-A2 为反射高压水前沿和煤渣后沿的交界面,即冲击交界面,其面积为 SA2 ;A2B2A3A3B2A2为煤的破碎和扩孔区,A3-A3为煤的破碎前阵面,面积为SA3 ,B2A3为煤渣与实体 煤的交界面,即扩孔界面其总体环形面积为S,图中 KB2A2B1 称为煤渣的反向运动区,边界 A2B2 上的煤渣是和冲击界面A2-A2一起以冲击速度u运动的,并且 A2-A2上的压力为冲击压力p。KB2为煤渣 最终成孔的截面。 高压水射流冲击煤体很复杂,为简化问题,假定[11]:(1)煤体为刚性破碎流体介质,当p(冲击压力)。