紅砂巖受高壓電脈沖擊穿作用下的破裂行為試驗研究

彭建宇 王浩南 吳 碩 張鳳鵬

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110819;2.遼寧省深部工程與智能技術重點實驗室,遼寧 沈陽 110819)

巖石破碎是礦山開采、隧道開挖、工程拆除等巖 石工程中必不可少的關鍵環節。目前,炸藥爆破和機械切削是工程中主要應用的破巖方法。然而,炸藥化爆會產生強烈的爆破地震波、大量的有毒炮煙以及飛石,嚴重影響工程穩定性和施工人員安全[1]。以TBM為代表的機械破巖法遇到堅硬的巖石和孤石時,刀具磨損嚴重,工作效率大大降低[2]。越來越多的新型破巖方法應運而生。例如,微波輔助破巖[3]、激光破巖[4]以及高壓電脈沖破巖[5]等。其中,高壓電脈沖破巖技術(電爆炸破巖技術)是近年來發展的一種新型破巖技術。該技術具備能量可控、綠色環保、且可破碎高硬度巖石等特色,有望代替傳統的破巖方式。

電液破碎和電破碎是高壓脈沖放電破巖的兩種主要方式[6-7]。電液破碎是通過在液體中放電的方式形成等離子通道,產生壓縮波并在液體中傳播,即利用壓縮波來破碎巖石。電破碎是利用電極直接與巖石接觸,通過高壓脈沖放電在巖石內部形成等離子體通道,等離子體通道膨脹過程中產生拉伸載荷致使巖石破裂。通常來說,利用電破碎致裂巖石的效率高于電液破碎[8]。在高壓脈沖放電破巖試驗研究方面:章志成等[9]通過對白花崗巖進行脈沖放電試驗時發現其擊穿場強隨著試件厚度增加而減小;YAN等[10-11]研究表明:煤樣的擊穿電壓隨含水率增加而變小;CHO等[12]統計了不同巖石的單軸抗壓強度及抗拉強度與擊穿強度的關系,發現擊穿強度與單軸抗壓強度和單軸抗拉強度之間具有良好的相關性。這些研究為高壓脈沖技術破巖的進一步研究與應用提供了一定的基礎。然而,高壓脈沖放電作用下有關試件的尺寸及放電電壓等因素對于巖石破裂行為的影響尚需進一步研究。

本研究選用相對均質的紅砂巖作為試驗材料,利用自主研發的高壓脈沖放電破巖設備開展電擊穿試驗。分析了高壓脈沖作用下試件的破裂機理,探討了幾何尺寸和放電電壓對紅砂巖破裂模式的影響。統計分析了裂紋密度的變化特征,并根據分形理論,探討了裂紋分形維數變化規律。研究成果為高壓脈沖放電破巖技術的應用提供了支撐。

1 高壓電脈沖放電破巖試驗

1.1 試驗設備與試件

采用實驗室自主研發的電爆破系統開展試驗研究。該系統主要由Marx儲能模塊、雙極性充電電源、光電延時同步觸發系統等模塊組成(圖1)。系統可輸出最大電壓60 kV,最大能量7.2 kJ。其中,雙極性充電電源用于給Marx儲能模塊充電,觸發系統則用于觸發儲能模塊釋放存儲的能量。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic of the test device

本研究試驗材料為紅砂巖。利用直徑50 mm、高100mm的標準圓柱試件開展單軸壓縮試驗,得到抗壓強度、彈性模量和泊松比等參數取值。采用直徑50 mm、厚度為25 mm的試件開展巴西盤試驗,測得抗拉強度。此外,還測試了試件的密度和波速。為了確保測試結果的可靠性,每種試驗各測試3件試件,各參數指標取平均值見表1。所有試件均來源于同一個大塊砂巖原料,切割后利用磨床打磨,保證雙端面平行度≤0.05 mm。在加工后的巖石試件的兩個表面中心做好放電位置標記。加工后的試件厚度均為10 mm,其尺寸依據具體試驗目的進行設計。

表1 試件的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of specimens

1.2 試驗步驟及試驗結果的可靠性驗證

本研究試驗步驟為:① 將兩個針狀電極放置于支架上,將試件放置于兩電極之間;②確保電極尖端與試件中心緊密接觸、電極與放電設備的電纜連接良好;③ 利用充電電源給Marx儲能模塊充電,此過程中充電電源將220 V、50 Hz的交流電轉變為直流電;④充電完成后,啟動觸發系統發出脈沖信號,用來觸發儲能模塊釋放儲存的電能;⑤ 能量通過電纜和電極作用于試件,從而完成高壓脈沖放電破巖試驗。其中,通過改變電壓值的大小可改變系統的輸出能量。

為了研究試件的幾何尺寸及放電特征對高壓脈沖放電破巖效果的影響,設計了兩種不同類別的試驗,試驗方案見表2。研究試件尺寸影響時,保持放電電壓不變,試件尺寸分別為 45、65、85、100、120 mm。在探討放電電壓影響時,保持試件尺寸不變,放電電壓分別為 20、30、40 kV。

表2 高壓脈沖試驗方案Table 2 Schemes for high voltage pulse test

需要說明的是,本研究采用的紅砂巖的均質性相對較好,所用的高壓脈沖設備的電壓精準可控。因此,從試驗材料和設備方面,確保了試驗結果的可靠性。此外,為了排除隨機性,證明試驗結果的可重復性,先開展了一組驗證試驗。選用3個邊長均為120 mm的方形試件,放電電壓均保持30 kV不變,即試驗條件是一致的。試件的破裂模式如圖2所示?？梢钥闯?3件試件均是在中間位置出現擊穿區,并未有徑向裂紋和環向裂紋形成,證實了試驗結果的可重復性。

圖2 相同試驗條件下3件試件的破裂結果Fig.2 Fracture results of three specimens under the same test condition

2 高壓電脈沖破巖機理

巖石的電擊穿過程可參考固體電介質的擊穿理論進行解釋[13]。其擊穿過程為:強電場作用下,放電電極正極尖端附近形成樹枝狀放電先導(圖3(a));放電先導不斷發展,其主干由正極快速到達負極尖端,在巖石內部形成完整的導電路徑,即等離子通道(圖3(b));巖石由電介質轉變成為電導體;隨后,儲能設備中的能量快速注入等離子體通道,導致其快速膨脹產生高溫和沖擊波,破碎巖石(圖3(c)和圖3(d))。

圖3 放電破巖原理示意Fig.3 Schematic of the principal of rock breaking by electric discharge

40 kV放電電壓下圓形和方形試件的擊穿結果如圖4所示。從破裂情況來看,無論是圓形還是方形試件,試件中心位置均被擊穿,并且可以看到白色的灼燒痕跡。即等離子通道中能量快速大量的注入將會產生高溫,高溫對巖石的破壞發揮了作用。此外,在擊穿區的外側可見向外延伸的徑向裂紋,多數裂紋一直擴展至邊界。在試件的自由邊界附近可見近乎平行于邊界的裂紋。剝落裂紋的出現意味著反射波在高壓脈沖破巖過程中發揮了重要作用。

圖4 40 kV電壓下試件的破裂模式Fig.4 Fracture modes of specimens under discharge voltage of 40 kV

3 試驗結果分析

3.1 試件尺寸影響

3.1.1 破裂模式

高壓脈沖作用后不同尺寸紅砂巖試件的破裂模式如圖5所示。由圖5可知:不同尺寸的試件破裂模式差異性顯著。直徑為45 mm的試件直接破碎呈粉碎狀,直徑為120 mm的試件僅在中間位置出現擊穿區,其他尺寸的試件均由中間的擊穿區和裂紋構成。即當放電電壓相同時,隨著試件尺寸不斷增加,巖石的破裂模式由破碎逐漸轉化為穿孔,其破裂程度逐漸變差。這是由于隨著試件尺寸的增加,爆炸波的強度不斷衰減,較大尺寸試件中的應力波反射后的強度不足以繼續致裂試件。這說明利用高壓脈沖破巖時應充分利用自由邊界的反射效應。

圖5 不同尺寸的砂巖試件的破裂結果Fig.5 Fracture results of sandstone specimens with different sizes

3.1.2 裂紋密度

裂紋密度ρ是一種描述宏觀裂縫發育程度的重要指標[14],可反映砂巖試件在高壓脈沖作用下的破裂程度。裂紋密度可以表示為裂紋的總長度與覆蓋面積的比值,公式為

式中,Li為第i條裂紋的長度;n為裂紋條數;S為覆蓋面積。

1號試件由于破碎過于嚴重,無法準確獲得裂紋長度。因此,統計了2～5號試件的裂紋長度,并依據式(1)計算了裂紋密度,結果見圖6。由圖6可知:不同試件的裂紋密度分別為 80.71、39.03、27.7、7.36 m-1,即隨著試件尺寸增加,裂紋密度逐漸減小,這與前文破裂模式的觀測結果一致。此外,放電電壓相同意味著高壓脈沖設備注入各試件的能量是一致的。試件尺寸越大,作用于試件上的平均能量則相對越小,這也是巖石破裂程度降低的一個原因。

圖6 不同尺寸試件的裂紋密度Fig.6 Fracture densities of specimens with different sizes

3.1.3 分形特征

分形維數可以反映裂紋的復雜程度,本研究利用盒維法來計算高壓脈沖擊穿后試件的分形維數[15]。計算公式為

式中,Nr為盒子數;r為盒子邊長;FD為分形維數。

利用上式計算得到擊穿后2～5號試件裂紋的分維數分別為1.405 3、1.340 9、1.319 7、1.003 9。 可以看到隨著試件尺寸增加,分形維數呈減小趨勢(圖7)。結合圖5中的破裂模式分析可知:2號試件表面裂紋數量多且彎折裂紋較多,裂紋形態復雜,試件四角部位沒有裂紋產生。3號試件裂紋覆蓋的面積比例大于4號試件,且裂紋的形態并非平直曲線,而是有一定彎曲程度的曲線,且部分區間存在彎折現象,故分形維數較4號試件大,比2號試件小。5號試件沒有破碎,僅形成一個凹坑狀的爆坑,表面沒有可見宏觀裂紋,只有爆坑邊緣坑線,裂紋結構單一,故分形維數最小。

圖7 不同尺寸試件的分形維數Fig.7 Fractal dimension of specimens with different sizes

3.2 放電電壓的作用

3.2.1 破裂模式

不同放電電壓下試件的破裂模式如圖8所示。由圖8可知:放電電壓為20 kV時,試件中心位置出現擊穿區,從擊穿區向外延伸出1條徑向裂紋,由于注入能量較小裂紋發育一段距離后消失,未能延伸至試件邊緣。放電電壓增大至30 kV,擊穿區規模較20 kV時更大,同時產生大量的徑向裂紋和剝落裂紋。當繼續加大電壓至40 kV,中間的擊穿區明顯地貫穿試件,徑向裂紋和剝落裂紋也相較前兩次更豐富。

圖8 不同放電電壓下試件的破裂模式Fig.8 Fracture modes of specimens under different voltages

3.2.2 裂紋密度

裂紋密度隨放電電壓的變化曲線如圖9所示。由圖9可知:在 20、30、40 kV電壓下方形試件裂紋密度依次為 7.6、27.8、54.2 m-1,即隨著放電電壓增加,裂紋密度表現出變大的趨勢。這是因為隨著注入能量的增強,試件表面的裂紋數量以及貫穿程度都有所增加,使得試件變得更加破碎,裂紋密度越大,試件的破碎效果越好。

圖9 不同電壓下試件的裂紋密度Fig.9 Fracture density of specimens under different voltages

3.2.3 分形特征

分形維數隨放電電壓的變化特征如圖10所示。由圖10可知:隨著放電電壓增加,試件的分形維數呈現出增長趨勢。當放電電壓為20 kV時,試件的分形維數為1.132 7。由圖8中的破裂模式可以看出,該試件雖然中間被擊穿,但仍保持一定的完整性。試件表面裂紋中部有些許彎曲,沒有分叉現象。放電電壓為30 kV時,分形維數為1.349 3。該試件破碎成塊,少部分裂紋出現彎折、分叉現象。放電電壓為40 kV時,分形維數為1.459 7。試件表面裂紋彎折交錯,分叉現象更加明顯。上述結果表明,隨著放電電壓的增加,裂紋網結構變得更加復雜,且裂紋更加密集,導致了分形維數變大。

圖10 不同電壓下的試件分形維數Fig.10 Fractal dimension of specimens under different voltages

4 結 論

(1)利用高壓脈沖放電設備開展試驗,研究了紅砂巖受電擊穿作用下的破裂行為。圓形試件和方形試件的電擊穿結果,初步揭示了高壓脈沖作用下紅砂巖的破裂機制。試件中間擊穿區出現明顯的白色灼燒痕跡,證實了高壓脈沖放電過程中高溫的顯著作用。試件邊界附近形成的剝落裂紋說明了爆炸波的反射效應發揮了重要作用。

(2)通過裂紋密度和分形維數定量分析了試件幾何尺寸和放電電壓對紅砂巖破裂程度的影響。在試驗所用的尺寸范圍內,隨著試件尺寸不斷增加,試件的破裂模式由破碎逐漸轉化為穿孔,破裂的復雜程度降低,裂紋密度和分形維數減小,破碎效果變差。隨著放電電壓增加,試件的破裂模式由穿孔轉為破碎,裂紋密度和分形維數變大。更大的電壓意味著更大的能量輸入和爆炸載荷強度,這使得試件的破碎程度加劇。

(3)本研究通過試件的宏觀破壞特征,初步分析了高壓脈沖作用下紅砂巖的破裂機制。關于高溫、沖擊波導致的巖石內部微裂紋、孔洞等方面的變化則需借助掃描電鏡等微觀手段進一步探討。