泡沫电介质中高压脉冲放电的破岩机理研究

马 瑞,孙西濛,吕 嘉,曲 骏,周 鹏,刘宝林,薛启龙

(1.北京市政路桥股份有限公司,北京100045;2.中国地质大学(北京)工程技术学院,北京100083)

在隧道开挖、矿山开采等基础工程建设中,岩石爆破技术发挥着重要作用。随着工程难度的增加以及对环境方面的要求,传统的炸药碎岩技术在应用中受到很大制约;机械胀裂法在遇到硬脆性岩体时施工进度会大大降低,而且机械式工具比较容易磨损,工人劳动强度大。其他碎岩技术如热力碎岩、水力碎岩、微波碎岩等,还处于实验室研究阶段,要实现工程应用尚需时日。等离子体碎岩技术[1-2]具有无污染,破碎过程中无飞石、无有害气体产生的优点,使用方便,作业效率高,是替代炸药碎岩最有效、可行的方法。液电等离子体理论在纳米材料制备、污水处理、石油天然气钻井、医疗碎石、液电加工成型等方面都有广泛应用。然而将其用于大型岩石破碎的工程上还缺乏实验验证,此方面的研究还较少。

高压脉冲放电时采用电爆丝引弧,并以水中放电为主要方式。而电爆丝脉冲放电以其复杂的高能物理过程且过程中伴生有稠密等离子体、强紫外光、强氧化性自由基和强冲击波等多种效应,成为目前研究的热点。因此选择泡沫溶液作为放电介质,来研究高压脉冲放电的破岩机理,相比水介质,泡沫电介质可以在岩石产生裂隙后减少漏失,而且空气膨胀产生空泡效应,增加爆破能量。另外,泡沫由于含有空气,其击穿场强要小于水介质,对放电设备的要求更低,更适合于现场工程应用。相关研究指出,因为水中爆炸气泡产生的脉动能量能够达到爆炸总能量的40%,所以采用泡沫作为放电介质。因此,研究泡沫中气泡的力学特性[3-4]具有重要意义。放电过程中产生等离子体通道,同时伴随着高温作用,瞬间会导致液体介质发生膨胀。泡沫电介质中的气泡在内、外压力作用下会发生膨胀或收缩的脉动作用,在较强外压作用下即时溃灭,产生一定的射流冲击力。等离子体放电过程中使用液体电介质相对于其他电介质放电[5],例如空气、真空放电的优点在于产生的冲击能量较多,噪音较低。采用泡沫作为电介质,其功能介于气液两相之间,所以可用于研究气泡受冲击压力后产生的脉动力作用对促进岩体破碎的力学效果。

因此,采用数值模拟分析了在不同电介质环境下放电冲击压力的变化规律,运用气泡动力学方程分析了气泡在放电过程中的运动特性,同时分析了不同放电电压、放电间隙等条件对气泡爆破形态的影响规律。并进行了初步室内实验,验证了泡沫作为电介质实现高压脉冲放电破碎岩石的可行性。为高压脉冲放电技术的研究提供了一种新的思路,在无炸药岩石爆破方面具有广阔应用前景。

1 泡沫电介质的制备

气泡获得能量的过程基本上是在受到压力冲击波作用而发生膨胀的阶段。瞬时放电过程中,气泡受到高能冲击波而发生形变,当气泡内压大于外压时向外膨胀,膨胀过程会因惯性维持一段时间,直到内压小于外压后,膨胀过程停止,气泡开始收缩。在这种往复脉动过程中,气泡会产生压力波。另外,泡沫中已有的气泡在受较大冲击后,当外部压强大于气泡内部压强时,气泡会发生溃灭,气泡溃灭过程也会产生一定的冲击力,即所谓的空泡效应,理论上会对岩石的破碎起到一定程度上的促进作用。在实际的工程应用中,泡沫应当越简单越稳定越好,所以在泡沫电介质的制备中,其组分应尽可能的简单[5]。考虑到泡沫的稳定性、可靠性以及泡沫使用过程的无污染性,选用性能较好,无污染的表面活性剂和稳泡剂进行泡沫的制备。

图1 泡沫稳定性测试实验Fig.1 Foam stability test experiment

为了测试所选泡沫电介质在生成泡沫后的稳定性,先对2种泡沫溶液进行稳定性实验,即通过2组实验来测量阴、阳离子泡沫溶液的稳定性。以析出液体50 mL所用时间作为泡沫稳定时间判断标准[6-7]。观察2组泡沫的生成情况(见图1),发现每组泡沫溶液生成的泡沫都比较均匀,整体比较稳定。通过实验最终测得阳离子泡沫溶液析出50 m L液体所需要的时间为21 min,阴离子泡沫溶液析出50 mL液体所需要的时间为25 min。该技术对泡沫稳定的时间没有严格的要求,但在考虑施工现场制备时间成本等因素的影响时,要保证泡沫电介质有较好的抗衰减特性。然后使用带阴、阳离子的泡沫两相体,对其进行放电实验测试。

2 放电过程中泡沫受力分析

2.1 冲击压力计算

在高压脉冲放电过程中,电极处释放的能量能够达到几百千焦,产生的冲击压力波会在电介质中传播,电介质中产生气泡并使气泡在冲击压力的作用下产生运动[8-9]。为研究冲击压力在不同电介质随时间变化的关系,需建立冲击压力波的理论计算模型[10-11]。

冲击波波前压力p1可以表示为

式中:pm为冲击压力的最大值,Pa;l0为放电间隙的长度,cm;Ri为孔壁距离放电处的距离,cm;δ为放电效率随时间变化系数,取值3.6;t为冲击波移动时间,t=Ri/α0,s;α0为电介质中的声速,m/s;σ［T -t］为爆炸函数,

式中:W0为放电设备中的高压电容所储存的能量,J;Wn为放电过程中的能量损失,J;μ为放电过程中的声音系数,约为0.5;K为经验常数,取值6.6×108Pa;L为放电电路的电感,H;C为脉冲电源的电容量,F。

放电通道中的最大冲击压力值pm,可依据如下经验公式[8]近似得到:

式中:ρ为液相介质的密度,kg/m3。

由此可计算出能量一次放电时的最大冲击压力值,如设定放电电压U0=20 kV,电感L=0.3μF,放电间隙长度l0为30 cm,电爆丝直径为0.11 mm时计算出最大冲击压力pm=174 MPa。

实验所采用的爆破方法是,先在岩石某一个自由面钻孔,将放电电极装入钻孔内,然后控制放电产生冲击波,冲击波在钻孔内以球形波释放。作用于岩石内部的力主要为拉应力与剪切应力,岩石的损坏主要是拉应力的作用。在上述放电参数的设定条件下,高压脉冲放电所释放的最大冲击力[12-13]远远大于硬脆性岩石的拉应力,花岗岩和玄武岩的岩石力学特性如表1所示,所以在该放电参数下能够对岩石造成破碎。

表1 岩石力学特性Table 1 Rock mechanics characteristics

2.2 实例分析

设定放电电压值分别为5、10、15、20 k V,泡沫电介质密度为0.4×103kg/m3,放电间隙长30 cm。当回路电感为2μH时,可以得到高压脉冲设备储存的能量W0:

式中:C为电容器储存的电容容量,取1 280μF。

由于高功率设备系统产生的电感,回路电阻以及相关稳定装置的影响,到达爆破冲击电极端后,放电回路的能量总损失达80%。

冲击波的最大压力与脉冲电源电压成正比关系,在其他条件不变的情况下,随着脉冲电压的升高,放电通道最大压力逐渐增加(见图2)。根据高压脉冲放电产生的冲击波压力计算方程,求解泡沫电介质在不同电压值条件下冲击波压力的变化情况。

图2 不同电压放电时产生的最大冲击压力Fig.2 Maximum shock pressure generated during discharge at different voltages

取距离放电通道半径Ri=10 mm处的压力波的变化情况为研究对象,当回路电感为2μH,电容量为1 280μF,放电间隙为10 cm,放电电压分别为U=5、10、15、20 k V时,压力冲击波引起的变化规律如图3所示。随着放电电压的升高,冲击波在波头时间段内冲击压力值变大;而且放电电压值越高,冲击波压力值变化的斜率越陡,这说明了电压越高冲击波波形在波头时间段上升沿越陡,冲击压力峰值与上升时间的比值越高,产生的瞬间冲击力越集中,碎岩效果越好。

图3 不同放电电压下冲击波压力与时间变化关系Fig.3 The relationship between shock wave pressure and time under different discharge voltage

放电间隙的长度决定了等离子体通道的路径长度,从而和最后产生的冲击波压力密切相关,所以说研究冲击波压力与放电间隙的关系很重要。根据高压脉冲放电产生冲击波的计算方程,通过求解泡沫电介质的冲击压力值来分析不同放电间隙对冲击压力的影响。仍然选取距离放电通道Ri为10 mm处作为研究对象,设定放电电压U=10 k V,回路电感为2μH,电容量为1 280μF,放电间隙分别设定为10、20、30、40 mm。计算结果如图4所示,可以看出冲击波压力的变化和放电间隙之间是非线性的关系,放电间隙在一定放电回路参数设置下存在最优值,本次设置的放电间隙在30 mm处时冲击压力最高(见图4),在实际应用中可以根据具体情况选取。

图4 不同放电间隙下冲击波压力随时间变化关系Fig.4 The relationship between shock wave pressure and time under different discharge gaps

3 气泡动力学分析

3.1 放电冲击压力下气泡半径变化数值模型

在高压脉冲放电过程中,产生的气泡和原有气泡在高密度能量的等离子体作用下,产生运动变化,这个过程既是等离子体物理问题,又是气液两相流动问题,首先进行基本假设:①液体电介质中的气泡假设为理想球形;②忽略岩壁对气泡的边界效应影响;③忽略热场能量传递变化影响。根据Rayleigh的无黏性效应的球形气泡动力学理论[14]:

式中:R为泡沫的半径,mm;ρl为液体的密度,kg/m3;pA为气泡内的压强,MPa。

对式(5)进行变换,

Rayleigh方程可以转换为

式中:R0与p0分别为初始状态气泡的半径和初始气泡内部压强。

将θ进行近似数值求解,(1+θ)-16近似于1,假设该表达式约等于一个常数0.942,式(10)可以简化为

对式(11)进行积分可得:

最后,将C和θ的表达式代入式(12),可得气泡半径与对应时间的关系式

式(13)为球形气泡在溃灭过程半径与时间的关系式,当气泡体积减少到0时,可得溃灭时间。

由于本次研究的泡沫电介质变化过程,是以岩石钻孔内的泡沫整体为研究对象,所以可通过测得放电时间来确定泡沫在放电过程所受到的压力值。

由于放电过程产生的冲击压力作用于气泡上的时间很短,可通过式(15)确定放电过程中泡沫电介质所传递的压力大小[9,14]。

3.2 实验理论分析

根据实验中所设置的放电参数,研究泡沫电介质中气泡的变化过程。设定在放电电压为5、10、15、20 k V电压变化条件下,当电介质密度为400 kg/m3时,先选取回路中的参数为,距离放电通道Ri=10 mm,放电电压U=10 k V,回路电感为2μH,电容量为1 280μF,然后计算气泡半径在不同放电电压下变化值,不同放电电压下气泡半径与时间变化关系如图5所示。在气泡溃灭后期,气泡半径逐渐趋近于零(小于零的部分由仿真计算得出),实际实验中无法出现。这说明在冲击压力作用下,气泡发生了溃灭直至消失。电压越高,气泡的膨胀速度越快,但在气泡收缩后期,其溃灭的时间较短;放电电压越低,气泡的脉动膨胀与收缩的时间越长。

图5 不同放电电压下气泡半径与时间变化关系Fig.5 The relationship between bubble radius and time under different discharge voltage

同样的,研究放电间隙对气泡变化过程的影响时,设定10 k V的放电电压,泡沫电介质的密度为400 kg/m3,选取回路中距离放电通道Ri为10 mm,设定放电电压U=10 k V,回路电感为2μH,电容量为1 280μF,放电间隙取值分别为20、30、40、50 mm,计算气泡半径在不同放电间隙下的变化情况(见图6)。气泡半径变化呈非线性,放电间隙存在最优值,当放电间隙为30 mm时,电介质中的气泡半径在冲击波作用下的变化相对于其他放电间隙下气泡的半径变化较为明显,说明压力脉动比较明显,从而产生的冲击波压力也较大,与冲击波的压力分析结果一致。

图6 不同放电间隙下气泡半径与时间变化关系Fig.6 The relationship between bubble radius and time under different discharge gaps

4 室内实验及破岩效果

将设置的放电参数,建立高压脉冲放电电源,以泡沫作为电介质进行室内实验,宏观衡量压力冲击波的碎岩效果,实验取混凝土块作为被测试样块,尺寸为40 cm×40 cm×40 cm。放电设备设置的放电电压为20 k V,整个高压脉冲装置的电容量为1 280μF,充电间隙为30 mm。实验过程中实时采集放电过程中的电流变化,观察放电电流与压力波的变化规律(见图7)。

图7 放电电流与压力波的变化规律Fig.7 Variations of discharge current and pressure wave

由图7可以看出,放电电流变化规律同压力波的变化规律基本一致,当电流上升沿达到最大时,压力冲击波的压力也达到最大值。如第1次放电后脉冲电流的上升沿较陡,最大脉冲电流达到66 k A(见图7a),距放电通道处10 mm处的最大冲击压力为35.4 MPa,并随着时间变化迅速降低(见图7b)。因此可以看出,高压脉冲放电的过程是一个瞬间冲击的过程,岩石受到的是一个瞬间冲击应力,由于大多岩石承受拉应力的能力较小,冲击波才起到了很好的碎岩效果。

爆破实验效果如图8所示,混凝土实验样品已经出现大体积块状碎裂,表面裂纹并不多,混凝土块沿主要裂纹碎裂,搬移实验样品后,该块混凝土整体破碎,碎块较为完整。可见高压脉冲碎岩技术实质上是一种压力致裂,不会像炸药爆破产生飞石,安全性更好。在工程应用中具有更大的发展潜力。

图8 岩体破碎效果Fig.8 Rock mass fracture effect

5 结论

高压强电场通过液体时,由于巨大的能量瞬间释放于放电通道内,通道中的液体就迅速汽化、膨胀并引起爆炸,这就是所谓的液电效应。液电效应的应用相当广泛,但在宏观的岩石破碎上应用较少,尤其是以泡沫作为电介质的高压脉冲放电实验研究还鲜见报道。本次实验配备了半衰期基本满足要求的泡沫溶液,且进行了稳定性实验,保证了在放电过程中泡沫能够保持较好的稳定性。这也是泡沫作为放电介质用于岩石破碎的前提。

1)通过不同密度泡沫介质下冲击波压力的计算,结果表明,电压越高冲击波波形在波头时间段上升沿越陡,冲击压力峰值与上升时间的比值越高,产生的瞬间冲击力越集中,碎岩效果越好。

2)冲击波压力的变化和放电间隙之间是非线性关系,放电间隙在一定放电回路参数设置下存在最优值,在本次实验的放电参数设置下,放电间隙在30 mm处时冲击压力最高。

3)在冲击压力作用下,气泡发生了溃灭直至消失。电压越高,气泡的膨胀速度越快,但在气泡收缩后期,其溃灭的时间较短。放电电压越低,气泡的脉动膨胀与收缩的时间越长。

4)当放电间隙为30 mm时,电介质中的气泡半径在冲击波作用下的变化,相对于其他放电间隙下的气泡半径变化更为明显,说明压力脉动比较明显,从而产生的冲击波压力也较大。

5)放电电流变化规律同压力波的变化规律基本一致,当电流上升沿达到最大时,压力冲击波的压力也达到最大值。

6)高压脉冲碎岩技术实质上是一种压力致裂,不会像炸药爆破产生飞石,安全性更好。在工程应用中具有更大的发展潜力。