《Powder Technology》：Damage evolution and fracture mechanism of abrasive jet repeated cutting granite based on SPH-FEM
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高压力水射流重复切割硬岩时，速度与次数比（STR）对损伤累积和切槽体积的影响规律及机理研究。摘要：采用SPH-FEM耦合方法模拟不同STR下硬岩破碎过程，发现当STR为3时切槽深度和体积分别提升22.3%和19.5%，超过该值后性能增益显著衰减。摘要：
尚关建明|葛兆龙|李倩|刘雷|葛彬彬|刘向杰
中国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
高压磨料水射流（AWJ）结合了高速流体冲击和高频磨料研磨的特性，具有卓越的岩石破碎能力。重复切割策略有效克服了单次切割能力不足的局限，从而提高了切割和岩石破碎效果，增强了水射流岩石破碎的整体效率。采用平滑粒子流体动力学与有限元方法（SPH-FEM）来分析切割速度与次数比（STR）对岩石损伤和动态切口形成的影响。结果表明，在总能量输入不变的情况下，当切割速度提高三倍并进行三次重复切割时，切割深度和切口体积达到最大值。与低速条件相比，这两个数值分别提高了22.3%和19.5%。然而，随着切割速度的进一步增加以及切割次数的增加（达到四次），切割深度和体积的提高效果逐渐减弱，增长率分别降至24.5%和9.1%。从机理上讲，虽然重复切割会引起明显的疲劳效应和损伤累积，但同时也会导致切口内持续积累磨料。这种磨料缓冲层的形成产生了减缓应力峰值的效果。损伤累积与缓冲效应之间的竞争机制限制了高速多次切割性能的进一步提升。
引言
随着岩土工程向深部资源开发领域的发展，在地下采矿和地热能开采等领域，对硬岩的高效挖掘和破碎的需求日益迫切。作为岩土工程的基本工序，硬岩破碎技术目前面临着严峻的挑战。目前，硬岩破碎主要依赖于传统的钻爆方法和机械工具切割。然而，这些传统技术在遇到超硬岩层时存在显著的固有局限性。钻爆不仅会对周围岩石造成严重扰动，还伴随着岩爆等高风险[1]，[2]；而机械切割工具在高强度岩石环境中会严重磨损，导致频繁更换工具，从而增加运营成本并降低效率[3]，[4]。因此，开发新型高效的硬岩破碎方法已成为工程技术领域的重要优先事项。
磨料水射流（AWJ）技术在硬岩挖掘中展现出巨大潜力，其优势包括高能量密度、可控的破碎过程和非接触式操作。通过高速流体冲击和磨料颗粒侵蚀的耦合效应，AWJ能够高效地切割和破碎硬岩[5]，[6]。在实验研究方面，全球学者取得了显著进展。研究表明，AWJ的辅助作用可以诱导岩石的预破裂损伤，从而提高机械切割器的破碎效率[7]，[8]。与纯水射流相比，引入磨料颗粒显著增强了射流的穿透力和切割能力。此外，泵压、喷射距离和切割速度等水力参数通过改变射流的能量分布和传递特性直接影响岩石破碎性能[9]，[10]。磨料本身的物理性质（如类型、形态和粒径）也显著影响切割性能[11]，[12]。因此，根据特定岩石特性匹配最优磨料参数对于最大化切割性能至关重要[6]，[13]。
直接观察磨料颗粒对岩石的冲击机制及局部损伤演变过程仍然极具挑战性。这一困难源于AWJ岩石破碎过程本身的极端瞬变性和复杂环境。因此，数值模拟技术被广泛用于射流破碎的机理分析。其中，平滑粒子流体动力学与有限元方法（SPH-FEM）作为一种特别有效的工具脱颖而出。该方法能够处理大变形和材料断裂，成功模拟了AWJ的穿透和切口形成过程[14]，[15]，[16]，[17]。例如，李等人[18]，[19]利用这种方法模拟了AWJ对岩石的冲击，深入分析了磨料颗粒形态和相互作用对破碎结果的影响。黄等人[20]使用SPH-FEM研究了新型冰颗粒磨料射流的煤炭破碎机制，证实了其相对于纯水射流的能量消耗优势。刘等人[21]通过数值模拟明确了射流冲击下混凝土的分阶段断裂机制。这些研究共同验证了SPH-FEM方法在分析射流岩石破碎微观机制方面的适用性和准确性。
尽管现有研究证实了AWJ在硬岩切割中的显著优势，但实际工程应用常常受到硬岩高强度的限制，使得单次切割难以达到所需的深度。我们的初步工作表明，采用“重复切割”策略是克服单次切割深度局限的有效途径[5]，[22]。为了系统化这一策略，本研究引入了切割速度与次数比（STR）的概念，旨在探索切割速度与切割次数之间的最佳匹配关系。目的是描述AWJ重复切割条件下的损伤累积和切口演变过程。然而，对重复切割过程中动态损伤演变的机理理解仍然不够充分。
因此，本研究建立了一个SPH-FEM耦合数值模型，深入分析了不同STR条件下的岩石损伤和能量分布，以及磨料颗粒的分布和传输规律，从而阐明了切口形成的调控机制。这些发现有望加深对硬岩在重复AWJ切割下动态断裂机制的理解，并为地下资源开采等工程应用中的参数优化提供指导。
基于全面的文献分析，本文采用SPH-FEM方法研究了高压水射流反复来回切割硬岩时的损伤演变和岩石破碎机制。第二部分详细介绍了SPH-FEM方法的原理、模型材料和数值模型的建立过程。第三部分主要探讨了高压射流重复切割下硬岩的损伤特性。第四部分基于磨料颗粒粒径分布和岩石能量变化，讨论了重复射流切割的岩石破碎机制。最后在第五部分得出结论。
部分摘录
SPH-FEM耦合方法
水和磨料颗粒采用平滑粒子流体动力学（SPH）方法进行建模。SPH是一种无网格计算技术，基于插值理论，利用一组无序的离散颗粒来插值任意宏观变量（如密度、速度和能量），并构建近似函数。通过将问题域离散为颗粒，该方法有效规避了由于单元变形导致的计算终止问题
切口形态演变
切口深度、切口宽度和切口体积是定量评估AWJ切割岩石破碎效率的直接参数。图5展示了四种STR条件下的最终切口形态和宏观几何参数的定量统计结果。观察三维和截面切口形态发现，切口宽度通常具有较高的规律性。然而，在两侧自由表面附近，切口宽度略有扩大
磨料颗粒分布和运动规律
磨料颗粒的空间分布和传输特性对射流的能量传递和岩石破碎性能至关重要。如图16所示，在STR 0.1–4条件下，磨料流在初次切割时高度集中，能够在岩石中达到一定的穿透深度。然而，随着切割次数的增加，大量低速磨料颗粒在切口底部滞留并累积
结论
本研究采用SPH-FEM耦合方法模拟了不同STR条件下花岗岩的重复AWJ切割过程，系统揭示了损伤演变和切口形成机制。主要结论如下：
（1）在总能量输入不变的情况下，STR 0.075–3条件下的切割深度和体积最大，与STR 0.025–1相比，分别提高了22.3%和19.5%，实现了最佳的岩石破碎性能
作者贡献声明
尚关建明：撰写——原始稿件、可视化、验证、研究。葛兆龙：方法论、概念化。李倩：方法论、概念化。刘雷：资源、数据管理。葛彬彬：监督、正式分析。刘向杰：正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了中国深地重大科学技术项目（项目编号：2024ZD1003803）和国家自然科学基金（项目编号：U23A20597）的支持。
