脉冲放电破碎岩石影响规律仿真模拟研究

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高压电脉冲破岩技术相较于其它新型破岩技术具有环保、高效、可控等特点,在破岩领域具有很大前景。电脉冲破岩技术涉及到多物理场共同作用,由于其作用原理复杂导致目前高压脉冲破岩影响规律不明确,制约了该技术发展,需要进一步夯实。本文从电气击穿角度出发,以高压电脉冲作用下岩石电场强度为主要研究对象,采用仿真模拟方法分析电击穿过程中各参数对破岩的影响规律。本文主要工作如下:(1)首先对固体电击穿的机理进行探究,随后对脉冲电源进行数学分析,得到了放电电压电流的计算公式,确定电破碎放电过程中所需电源参数,为脉冲放电破岩仿真中的脉冲电压提供了边界条件。建立岩石电击穿等效电路模型,代入相关参数计算等离子体通道能量的变化与破岩过程,为高压脉冲放电破岩提供理论支撑。(2)对高压脉冲破岩过程中不同影响因素进行分析,通过COMSOL Multiphysics软件建立高压电脉冲破岩立体仿真模型进行仿真实验,结果表明:输出电压越大,岩石越厚,电极头部与岩石接触面积越小,液体介质常数越大,电场强度越大。电场强度随着电极间距的增大先增加后降低,存在一个最优电极间距,岩石内部孔隙数量越大,在孔隙所在平面电场强度越大,岩石越容易被击穿破碎(3)深入研究孔隙对破岩的影响规律,基于拉格朗日定理对岩石介质中孔隙对电场强度影响进行分析,通过COMSOL Multiphysics软件建立平面仿真模型,分析孔隙对岩石内部电场强度的影响作用。结果表明:孔隙数量越多,孔径越大,孔隙间距越小,岩石越容易破碎。孔隙与电场线有效作用面越大,电场强度越大,破岩效率越高。(4)搭建高压脉冲破岩装置,以不同孔隙度的砂岩为实验材料,设计实验方法计算岩石的电击穿概率,确定了电极电压,电极间距,岩石孔隙度对破岩效率的影响,对仿真研究的结果进行验证。
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