Influences of Parameters During Sandstone Breaking by Swirling Abrasive Water Jet Under Non-submerged Conditions

Wang Yu; Feng Yanjun; Zhao Kaikai; Li Jingbin; Li Huan; Cheng Kang; Li Wenbin

doi:10.12473/CPM.202512043

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Influences of Parameters During Sandstone Breaking by Swirling Abrasive Water Jet Under Non-submerged Conditions

OIL AND GAS FIELD DEVELOPMENT ENGINEERING | 更新时间：2026-10-15

- Influences of Parameters During Sandstone Breaking by Swirling Abrasive Water Jet Under Non-submerged Conditions
- China Petroleum Machinery Vol. 54, Issue 9, Pages: 72-82(2026)
- 作者机构：
  
  1.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院
  2.煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室
  3.中国石油大学（北京）油气资源与工程全国重点实验室
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.12473/CPM.202512043
  CLC： TE357
- Received：12 December 2025，
  
  Revised：2026-03-10，
  
  Accepted：13 March 2026，
  
  Published：25 September 2026
- 稿件说明：
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王宇，冯彦军，赵凯凯，等.非淹没条件下旋转磨料水射流破碎砂岩参数影响规律研究［J］.石油机械，2026，54（9）：72-82.

Wang Yu，Feng Yanjun，Zhao Kaikai，et al.Influences of parameters during sandstone breaking by swirling abrasive water jet under non-submerged conditions［J］.China Petroleum Machinery，2026，54（9）：72-82.
王宇，冯彦军，赵凯凯，等.非淹没条件下旋转磨料水射流破碎砂岩参数影响规律研究［J］.石油机械，2026，54（9）：72-82. DOI： 10.12473/CPM.202512043.

Wang Yu，Feng Yanjun，Zhao Kaikai，et al.Influences of parameters during sandstone breaking by swirling abrasive water jet under non-submerged conditions［J］.China Petroleum Machinery，2026，54（9）：72-82. DOI： 10.12473/CPM.202512043.

摘要

旋转磨料水射流技术可以在水平钻孔周围建立多分支流体通道，预先形成弱化结构，在低垂向应力条件下更易实现裂缝定向扩展，配合压裂实现顶板破断控制，解决悬顶问题。然而，在射流破岩过程中，施工环境由淹没条件转变为非淹没条件，非淹没条件下旋转磨料水射流破碎砂岩的效果和成孔形态尚不明确。基于煤矿井下钻孔内部非淹没工况，开展非淹没条件下旋转磨料水射流破岩室内试验，对比了淹没/非淹没条件下的差异，揭示了关键参数对破岩效果的影响规律，确定了非淹没条件下的最优参数组合。研究结果表明：淹没/非淹没条件下旋转磨料射流破岩的成孔形态均为内含中部倒锥体的规则圆孔；对比于淹没条件，非淹没条件下的成孔深度和成孔体积分别增加了76.89%和116.61%；各成孔参数均随泵压和喷射时间的增加而增大；随着喷射距离的增加，成孔直径增大，而成孔深度和成孔体积先增加后减小；对比于清水，添加磨料颗粒明显增大射流破岩的成孔参数，成孔直径和成孔深度分别增大了46.42%和295.61%；该试验条件下的最优作业参数组合为泵压25 MPa、喷射距离30 mm、喷射介质为质量分数10%石英砂、喷射时间600 s。在曹家滩煤矿122103工作面进行工业性试验，井下原位测定非淹没条件下旋转磨料水射流破岩的成孔直径为50 mm，成孔深度为40 mm。研究结果可为非淹没条件下旋转磨料水射流定点冲蚀破岩成孔提供理论依据和试验数据。

Abstract

The swirling abrasive water jet technology can create multi-branch fluid channels around horizontal boreholes and form pre-weakened structures， which facilitates directional fracture propagation under low vertical stress conditions. Combined with hydraulic fracturing， this technology can achieve controlled roof fracturing and solve the problem of roof suspension. However， during jet rock-breaking， the operating environment changes from submerged to non-submerged conditions. The sandstone breaking efficiency and drilling hole morphology by swirling abrasive water jet under non-submerged conditions remain unclear. Based on the non-submerged conditions in coal mine underground boreholes， laboratory tests on rock breaking by swirling abrasive water jet under non-submerged conditions were conducted. The rock-breaking performances under submerged and non-submerged conditions were compared， the influences of key parameters on rock-breaking performance were identified， and the optimal parameter combination of swirling abrasive water jet under non-submerged conditions was determined. The results show that the holes formed during rock breaking by swirling abrasive water jet under both submerged and non-submerged conditions are regular circular holes with inverted cones in the middle. Compared with the submerged conditions， the hole depth and volume under non-submerged conditions increase by 76.89% and 116.61%， respectively. All hole parameters increase with the increase of jet pressure and jet duration. With the increase of standoff distance， the hole diameter increases， while the hole depth and volume increase and then decrease. Compared with clean water， abrasive particles significantly improve the hole parameters of jet rock-breaking， with the hole diameter and depth increased by 46.42% and 295.61%， respectively. Under the test conditions， the optimal parameter combination is determined as： jet pressure of 25 MPa， standoff distance of 30 mm， jet medium of quartz （10 mass %）， and jet duration of 600 s. An industrial test was performed in the 122103 working face at Caojiatan Coal Mine. Underground in-situ measurement shows that the hole diameter and depth during rock breaking by swirling abrasive water jet under non-submerged conditions are 50 mm and 40 mm， respectively. The research provides theoretical basis and test data for fixed-point erosion rock breaking and hole formation by swirling abrasive water jets under non-submerged conditions.

关键词

Keywords

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康红普，徐刚，王彪谋，等．我国煤炭开采与岩层控制技术发展40 a及展望［J］．采矿与岩层控制工程学报， 2019 ， 1 （ 2 ）： 7 - 39 ．

Kang Hongpu ， Xu Gang ， Wang Biaomou ， et al . Forty years development and prospects of underground coal mining and strata control technologies in China ［J］. Journal of Mining and Strata Control Engineering ， 2019 ， 1 （ 2 ）： 7 - 39 .

蒋金泉，张培鹏，聂礼生，等．高位硬厚岩层破断规律及其动力响应分析［J］．岩石力学与工程学报， 2014 ， 33 （ 7 ）： 1366 - 1374 ．

Jiang Jinquan ， Zhang Peipeng ， Nie Lisheng ， et al . Fracturing and dynamic response of high and thick stratas of hard rocks ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2014 ， 33 （ 7 ）： 1366 - 1374 .

潘俊锋，康红普，闫耀东，等．顶板 “人造解放层”防治冲击地压方法、机理及应用［J］．煤炭学报， 2023 ， 48 （ 2 ）： 636 - 648 ．

Pan Junfeng ， Kang Hongpu ， Yan Yaodong ， et al . The method， mechanism and application of preventing rock burst by artificial liberation layer of roof ［J］. Journal of China Coal Society ， 2023 ， 48 （ 2 ）： 636 - 648 .

康红普，姜鹏飞，冯彦军，等．煤矿巷道围岩卸压技术及应用［J］．煤炭科学技术， 2022 ， 50 （ 6 ）： 1 - 15 ．

Kang Hongpu ， Jiang Pengfei ， Feng Yanjun ， et al . Destressing technology for rock around coal mine roadways and its applications ［J］. Coal Science and Technology ， 2022 ， 50 （ 6 ）： 1 - 15 .

康红普，姜鹏飞，黄炳香，等．煤矿千米深井巷道围岩支护-改性-卸压协同控制技术［J］．煤炭学报， 2020 ， 45 （ 3 ）： 845 - 864 ．

Kang Hongpu ， Jiang Pengfei ， Huang Bingxiang ， et al . Roadway strata control technology by means of bolting-modification-destressing in synergy in 1000 m deep coal mines ［J］. Journal of China Coal Society ， 2020 ， 45 （ 3 ）： 845 - 864 .

杨胜江，李正杰，娄金福．深孔爆破构造裂隙卸压技术研究［J］．煤炭科学技术， 2015 ， 43 （ 7 ）： 55 - 59 ．

Yang Shengjiang ， Li Zhengjie ， Lou Jinfu . Study on pressure releasing technology with structural cracking made with deep borehole blasting ［J］. Coal Science and Technology ， 2015 ， 43 （ 7 ）： 55 - 59 .

杨增强，窦林名，刘畅，等．深井巷帮煤体冲击机理及水射流卸压技术应用［J］．采矿与安全工程学报， 2017 ， 34 （ 4 ）： 670 - 677 ．

Yang Zengqiang ， Dou Linming ， Liu Chang ， et al . Mechanism of rock burst in roadway side wall and the application of water jet pressure relief technology in deep mine ［J］. Journal of Mining and Safety Engineering ， 2017 ， 34 （ 4 ）： 670 - 677 .

王振锋，王宇，张涛．掘进工作面水环保压聚能定向爆注卸压技术与装置［J］．煤炭学报， 2023 ， 48 （ 11 ）： 4036 - 4048 ．

Wang Zhenfeng ， Wang Yu ， Zhang Tao . Energy-accumulation blasting and water injecting under local water storage and pressure retention in heading face ［J］. Journal of China Coal Society ， 2023 ， 48 （ 11 ）： 4036 - 4048 .

He Jianming ， Lin Chong ， Li Xiao ， et al . Initiation， propagation， closure and morphology of hydraulic fractures in sandstone cores ［J］. Fuel ， 2017 ， 208 ： 65 - 70 .

Ha S J ， Yun T S ， Kim K Y ， et al . Experimental study of pumping rate effect on hydraulic fracturing of cement paste and mortar ［J］. Rock Mechanics and Rock Engineering ， 2017 ， 50 （ 11 ）： 3115 - 3119 .

康红普，雷亚军，赵福堂，等．特厚煤层10 m超大采高综采关键技术及装备［J］．煤炭学报， 2025 ， 50 （ 4 ）： 1849 - 1875 ．

Kang Hongpu ， Lei Yajun ， Zhao Futang ， et al . Key technology and equipment for fully mechanized mining with extra-large shearing height of 10m in extra-thick coal seam ［J］. Journal of China Coal Society ， 2025 ， 50 （ 4 ）： 1849 - 1875 .

雷亚军，冯彦军，康红普，等．超大采高工作面厚硬顶板压裂卸压技术研究及应用［J］．煤炭学报， 2025 ， 50 （ 4 ）： 1907 - 1934 ．

Lei Yajun ， Feng Yanjun ， Kang Hongpu ， et al . Research and application of pressure relief technology for fracturing thick hard roof in super-high mining face ［J］. Journal of China Coal Society ， 2025 ， 50 （ 4 ）： 1907 - 1934 .

王锐，徐刚，康红普，等．曹家滩煤矿10 m超大采高工作面采场围岩控制技术［J］．煤炭学报， 2025 ， 50 （ 4 ）： 1935 - 1950 ．

Wang Rui ， Xu Gang ， Kang Hongpu ， et al . Surrounding rock control technology of 10 m super large mining height working face in Caojiatan coal mine ［J］. Journal of China Coal Society ， 2025 ， 50 （ 4 ）： 1935 - 1950 .

杨永印，沈忠厚，王瑞和，等．旋转磨料射流破岩钻孔试验研究［J］．石油钻探技术， 1999 ， 27 （ 4 ）： 4 - 6 ．

Yang Yongyin ， Shen Zhonghou ， Wang Ruihe ， et al . Experimental study on rotary abrasive jet drilling ［J］. Petroleum Drilling Techniques ， 1999 ， 27 （ 4 ）： 4 - 6 .

Han Feng ， Wang Lixiang ， Wen Minjie ， et al . Insights into the influence of 3D spiral perforation parameters on initiation pressure and fracture morphology： a comprehensive numerical study based on CDEM ［J］. Engineering Fracture Mechanics ， 2025 ， 323 ： 111164 .

毕刚，吴捷敏，杨尚谕，等．不同储层射孔参数适用性评价技术研究［J］．煤田地质与勘探， 2023 ， 51 （ 7 ）： 80 - 91 ．

Bi Gang ， Wu Jiemin ， Yang Shangyu ， et al . Applicability evaluation technology of perforating parameters in different reservoirs ［J］. Coal Geology & Exploration ， 2023 ， 51 （ 7 ）： 80 - 91 .

张儒鑫，侯冰，单清林，等．致密砂岩储层水平井螺旋射孔参数优化研究［J］．岩土工程学报， 2018 ， 40 （ 11 ）： 2143 - 2147 ．

Zhang Ruxin ， Hou Bing ， Shan Qinglin ， et al . Parameter optimization of spiral perforations in horizontal well with tight sandstone reservoir ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2018 ， 40 （ 11 ）： 2143 - 2147 .

Zhao Xi ， Ju Yang ， Yang Yong ， et al . Impact of hydraulic perforation on fracture initiation and propagation in shale rocks ［J］. Science China Technological Sciences ， 2016 ， 59 （ 5 ）： 756 - 762 .

Li Jing ， Wang Lixiang ， Feng Chun ， et al . Study on the influence of perforation parameters on hydraulic fracture initiation and propagation based on CDEM ［J］. Computers and Geotechnics ， 2024 ， 167 ： 106061 .

魏建平，校朋伟，张慧栋，等．磨料水射流旋转切割煤岩最优参数匹配模形研究［J］．煤炭科学技术， 2025 ， 53 （ 1 ）： 192 - 202 ．

Wei Jianping ， Jiao Pengwei ， Zhang Huidong ， et al . Study on the optimal parameter matching model of rotary cutting coal-rock for abrasive water jet ［J］. Coal Science and Technology ， 2025 ， 53 （ 1 ）： 192 - 202 .

杨睿月，黄中伟，李根生，等．煤层气水平井水力喷射分段造穴技术探索［J］．煤炭学报， 2022 ， 47 （ 9 ）： 3284 - 3297 ．

Yang Ruiyue ， Huang Zhongwei ， Li Gensheng ， et al . Investigation of hydraulic jet multistage cavity completion in coalbed methane horizontal wells ［J］. Journal of China Coal Society ， 2022 ， 47 （ 9 ）： 3284 - 3297 .

Li Huan ， Li Jingbin ， Guo Chenrui ， et al . Sandstone breaking performances and mechanisms of swirling abrasive water jet during radial het drilling process ［J］. Petroleum Science ， 2024 ， 21 （ 6 ）： 4298 - 4310 .

毕刚，李根生，屈展，等．自进式旋转射流钻头破岩效果［J］．石油学报， 2016 ， 37 （ 5 ）： 680 - 687 ．

Bi Gang ， Li Gensheng ， Qu Zhan ， et al . Rock breaking efficiency of the self-propelled swirling jet bit ［J］. Acta Petrolei Sinica ， 2016 ， 37 （ 5 ）： 680 - 687 .

周蒙蒙，李欢，李根生，等．旋转磨料射流钻孔储层适应性研究［J］．流体机械， 2023 ， 51 （ 1 ）： 1 - 7 ．

Zhou Mengmeng ， Li Huan ， Li Gensheng ， et al . Study on applicability of swirling abrasive water jet drilling in reservoirs ［J］. Fluid Machinery ， 2023 ， 51 （ 1 ）： 1 - 7 .

马国锐，李敬彬，李欢，等．旋转磨料射流破碎碳酸盐岩成孔特性研究［J］．流体机械， 2021 ， 49 （ 11 ）： 12 - 17，53 ．

Ma Guorui ， Li Jingbin ， Li Huan ， et al . Study on pore forming characteristics of carbonate rock broken by swirling abrasive water jet ［J］. Fluid Machinery ， 2021 ， 49 （ 11 ）： 12 - 17， 53 .

Li Huan ， Huang Zhongwei ， Li Jingbin ， et al . Performances of different abrasive materials during swirling impeller abrasive water jet drilling of granite ［J］. Rock Mechanics and Rock Engineering ， 2023 ， 56 （ 6 ）： 4343 - 4361 .

Li Lei ， Wang Fangxiang ， Li Tianyang ， et al . The effects of inclined particle water jet on rock failure mechanism： experimental and numerical study ［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering ， 2020 ， 185 ： 106639 .

Liao Hualin ， Jia Xia ， Niu Jilei ， et al . Flow structure and rock-breaking feature of the self-rotating nozzle for radial jet drilling ［J］. Petroleum Science ， 2020 ， 17 ： 211 - 221 .

李欢，黄中伟，李敬彬，等．旋转磨料射流破碎碳酸盐岩参数影响规律及机理研究［J］．石油科学通报， 2024 ， 9 （ 6 ）： 991 - 1004 ．

Li Huan ， Huang Zhongwei ， Li Jingbin ， et al . Investigation on the effect of process parameters and rock breaking mechanisms on swirling impeller abrasive water jet breaking carbonate rock ［J］. Petroleum Science Bulletin ， 2024 ， 9 （ 6 ）： 991 - 1004 .

Zhang Dongqing ， Li Jingbin ， Hu Xiao ， et al . Flow field simulation of swirling abrasive jet nozzle for hard rock breaking ［J］. Geofluids ， 2022 ， 2022 （ 1 ）： 4681189 .

Li Huan ， Li Jingbin ， Guo Chenrui ， et al . Numerical investigation into the abrasive particle movement characteristics inside the swirling impeller nozzle based on the coupled SPH-FEM method ［J］. Powder Technology ， 2024 ， 436 ： 119458 .

Li Huan ， Li Jingbin ， Huang Zhongwei ， et al . Numerical investigation of abrasive water jet rock damage characteristics that considers the shape， the interaction and the fragmentation of abrasive particles ［J］. Rock Mechanics and Rock Engineering ， 2025 ， 58 （ 2 ）： 2105 - 2131 .

Li Huan ， Huang Zhongwei ， Li Jingbin ， et al . Rock breaking characteristics by swirling impeller abrasive water jet （SAWJ） on granite ［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences ， 2022 ， 159 ： 105230 .

Li Huan ， Li Jingbin ， Huang Zhongwei ， et al . Experimental investigation into the effect of process parameters on the drilling performance for swirling impeller abrasive water jet ［J］. Rock Mechanics and Rock Engineering ， 2023 ， 56 （ 12 ）： 8833 - 8850 .

Wang Zizhen ， Lei Xianbo ， Zhou Weidong ， et al . Numerical simulation of the damage process of rock containing cracks by impacts of steel-particle water jet ［J］. Powder Technology ， 2023 ， 422 ： 118465 .

Zhao Huihe ， Jiang Hongxiang ， Li Hongsheng ， et al . Numerical research on rock cutting by abrasive jet under confining pressure based on SPH-FEM method ［J］. Powder Technology ， 2024 ， 433 ： 119196 .

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