红砂岩受高压电脉冲击穿作用下的破裂行为试验研究

彭建宇 王浩南 吴 硕 张凤鹏

(1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室,辽宁 沈阳 110819;2.辽宁省深部工程与智能技术重点实验室,辽宁 沈阳 110819)

岩石破碎是矿山开采、隧道开挖、工程拆除等岩 石工程中必不可少的关键环节。目前,炸药爆破和机械切削是工程中主要应用的破岩方法。然而,炸药化爆会产生强烈的爆破地震波、大量的有毒炮烟以及飞石,严重影响工程稳定性和施工人员安全[1]。以TBM为代表的机械破岩法遇到坚硬的岩石和孤石时,刀具磨损严重,工作效率大大降低[2]。越来越多的新型破岩方法应运而生。例如,微波辅助破岩[3]、激光破岩[4]以及高压电脉冲破岩[5]等。其中,高压电脉冲破岩技术(电爆炸破岩技术)是近年来发展的一种新型破岩技术。该技术具备能量可控、绿色环保、且可破碎高硬度岩石等特色,有望代替传统的破岩方式。

电液破碎和电破碎是高压脉冲放电破岩的两种主要方式[6-7]。电液破碎是通过在液体中放电的方式形成等离子通道,产生压缩波并在液体中传播,即利用压缩波来破碎岩石。电破碎是利用电极直接与岩石接触,通过高压脉冲放电在岩石内部形成等离子体通道,等离子体通道膨胀过程中产生拉伸载荷致使岩石破裂。通常来说,利用电破碎致裂岩石的效率高于电液破碎[8]。在高压脉冲放电破岩试验研究方面:章志成等[9]通过对白花岗岩进行脉冲放电试验时发现其击穿场强随着试件厚度增加而减小;YAN等[10-11]研究表明:煤样的击穿电压随含水率增加而变小;CHO等[12]统计了不同岩石的单轴抗压强度及抗拉强度与击穿强度的关系,发现击穿强度与单轴抗压强度和单轴抗拉强度之间具有良好的相关性。这些研究为高压脉冲技术破岩的进一步研究与应用提供了一定的基础。然而,高压脉冲放电作用下有关试件的尺寸及放电电压等因素对于岩石破裂行为的影响尚需进一步研究。

本研究选用相对均质的红砂岩作为试验材料,利用自主研发的高压脉冲放电破岩设备开展电击穿试验。分析了高压脉冲作用下试件的破裂机理,探讨了几何尺寸和放电电压对红砂岩破裂模式的影响。统计分析了裂纹密度的变化特征,并根据分形理论,探讨了裂纹分形维数变化规律。研究成果为高压脉冲放电破岩技术的应用提供了支撑。

1 高压电脉冲放电破岩试验

1.1 试验设备与试件

采用实验室自主研发的电爆破系统开展试验研究。该系统主要由Marx储能模块、双极性充电电源、光电延时同步触发系统等模块组成(图1)。系统可输出最大电压60 kV,最大能量7.2 kJ。其中,双极性充电电源用于给Marx储能模块充电,触发系统则用于触发储能模块释放存储的能量。

图1 试验装置示意Fig.1 Schematic of the test device

本研究试验材料为红砂岩。利用直径50 mm、高100mm的标准圆柱试件开展单轴压缩试验,得到抗压强度、弹性模量和泊松比等参数取值。采用直径50 mm、厚度为25 mm的试件开展巴西盘试验,测得抗拉强度。此外,还测试了试件的密度和波速。为了确保测试结果的可靠性,每种试验各测试3件试件,各参数指标取平均值见表1。所有试件均来源于同一个大块砂岩原料,切割后利用磨床打磨,保证双端面平行度≤0.05 mm。在加工后的岩石试件的两个表面中心做好放电位置标记。加工后的试件厚度均为10 mm,其尺寸依据具体试验目的进行设计。

表1 试件的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of specimens

1.2 试验步骤及试验结果的可靠性验证

本研究试验步骤为:① 将两个针状电极放置于支架上,将试件放置于两电极之间;②确保电极尖端与试件中心紧密接触、电极与放电设备的电缆连接良好;③ 利用充电电源给Marx储能模块充电,此过程中充电电源将220 V、50 Hz的交流电转变为直流电;④充电完成后,启动触发系统发出脉冲信号,用来触发储能模块释放储存的电能;⑤ 能量通过电缆和电极作用于试件,从而完成高压脉冲放电破岩试验。其中,通过改变电压值的大小可改变系统的输出能量。

为了研究试件的几何尺寸及放电特征对高压脉冲放电破岩效果的影响,设计了两种不同类别的试验,试验方案见表2。研究试件尺寸影响时,保持放电电压不变,试件尺寸分别为 45、65、85、100、120 mm。在探讨放电电压影响时,保持试件尺寸不变,放电电压分别为 20、30、40 kV。

表2 高压脉冲试验方案Table 2 Schemes for high voltage pulse test

需要说明的是,本研究采用的红砂岩的均质性相对较好,所用的高压脉冲设备的电压精准可控。因此,从试验材料和设备方面,确保了试验结果的可靠性。此外,为了排除随机性,证明试验结果的可重复性,先开展了一组验证试验。选用3个边长均为120 mm的方形试件,放电电压均保持30 kV不变,即试验条件是一致的。试件的破裂模式如图2所示。可以看出,3件试件均是在中间位置出现击穿区,并未有径向裂纹和环向裂纹形成,证实了试验结果的可重复性。

图2 相同试验条件下3件试件的破裂结果Fig.2 Fracture results of three specimens under the same test condition

2 高压电脉冲破岩机理

岩石的电击穿过程可参考固体电介质的击穿理论进行解释[13]。其击穿过程为:强电场作用下,放电电极正极尖端附近形成树枝状放电先导(图3(a));放电先导不断发展,其主干由正极快速到达负极尖端,在岩石内部形成完整的导电路径,即等离子通道(图3(b));岩石由电介质转变成为电导体;随后,储能设备中的能量快速注入等离子体通道,导致其快速膨胀产生高温和冲击波,破碎岩石(图3(c)和图3(d))。

图3 放电破岩原理示意Fig.3 Schematic of the principal of rock breaking by electric discharge

40 kV放电电压下圆形和方形试件的击穿结果如图4所示。从破裂情况来看,无论是圆形还是方形试件,试件中心位置均被击穿,并且可以看到白色的灼烧痕迹。即等离子通道中能量快速大量的注入将会产生高温,高温对岩石的破坏发挥了作用。此外,在击穿区的外侧可见向外延伸的径向裂纹,多数裂纹一直扩展至边界。在试件的自由边界附近可见近乎平行于边界的裂纹。剥落裂纹的出现意味着反射波在高压脉冲破岩过程中发挥了重要作用。

图4 40 kV电压下试件的破裂模式Fig.4 Fracture modes of specimens under discharge voltage of 40 kV

3 试验结果分析

3.1 试件尺寸影响

3.1.1 破裂模式

高压脉冲作用后不同尺寸红砂岩试件的破裂模式如图5所示。由图5可知:不同尺寸的试件破裂模式差异性显著。直径为45 mm的试件直接破碎呈粉碎状,直径为120 mm的试件仅在中间位置出现击穿区,其他尺寸的试件均由中间的击穿区和裂纹构成。即当放电电压相同时,随着试件尺寸不断增加,岩石的破裂模式由破碎逐渐转化为穿孔,其破裂程度逐渐变差。这是由于随着试件尺寸的增加,爆炸波的强度不断衰减,较大尺寸试件中的应力波反射后的强度不足以继续致裂试件。这说明利用高压脉冲破岩时应充分利用自由边界的反射效应。

图5 不同尺寸的砂岩试件的破裂结果Fig.5 Fracture results of sandstone specimens with different sizes

3.1.2 裂纹密度

裂纹密度ρ是一种描述宏观裂缝发育程度的重要指标[14],可反映砂岩试件在高压脉冲作用下的破裂程度。裂纹密度可以表示为裂纹的总长度与覆盖面积的比值,公式为

式中,Li为第i条裂纹的长度;n为裂纹条数;S为覆盖面积。

1号试件由于破碎过于严重,无法准确获得裂纹长度。因此,统计了2～5号试件的裂纹长度,并依据式(1)计算了裂纹密度,结果见图6。由图6可知:不同试件的裂纹密度分别为 80.71、39.03、27.7、7.36 m-1,即随着试件尺寸增加,裂纹密度逐渐减小,这与前文破裂模式的观测结果一致。此外,放电电压相同意味着高压脉冲设备注入各试件的能量是一致的。试件尺寸越大,作用于试件上的平均能量则相对越小,这也是岩石破裂程度降低的一个原因。

图6 不同尺寸试件的裂纹密度Fig.6 Fracture densities of specimens with different sizes

3.1.3 分形特征

分形维数可以反映裂纹的复杂程度,本研究利用盒维法来计算高压脉冲击穿后试件的分形维数[15]。计算公式为

式中,Nr为盒子数;r为盒子边长;FD为分形维数。

利用上式计算得到击穿后2～5号试件裂纹的分维数分别为1.405 3、1.340 9、1.319 7、1.003 9。 可以看到随着试件尺寸增加,分形维数呈减小趋势(图7)。结合图5中的破裂模式分析可知:2号试件表面裂纹数量多且弯折裂纹较多,裂纹形态复杂,试件四角部位没有裂纹产生。3号试件裂纹覆盖的面积比例大于4号试件,且裂纹的形态并非平直曲线,而是有一定弯曲程度的曲线,且部分区间存在弯折现象,故分形维数较4号试件大,比2号试件小。5号试件没有破碎,仅形成一个凹坑状的爆坑,表面没有可见宏观裂纹,只有爆坑边缘坑线,裂纹结构单一,故分形维数最小。

图7 不同尺寸试件的分形维数Fig.7 Fractal dimension of specimens with different sizes

3.2 放电电压的作用

3.2.1 破裂模式

不同放电电压下试件的破裂模式如图8所示。由图8可知:放电电压为20 kV时,试件中心位置出现击穿区,从击穿区向外延伸出1条径向裂纹,由于注入能量较小裂纹发育一段距离后消失,未能延伸至试件边缘。放电电压增大至30 kV,击穿区规模较20 kV时更大,同时产生大量的径向裂纹和剥落裂纹。当继续加大电压至40 kV,中间的击穿区明显地贯穿试件,径向裂纹和剥落裂纹也相较前两次更丰富。

图8 不同放电电压下试件的破裂模式Fig.8 Fracture modes of specimens under different voltages

3.2.2 裂纹密度

裂纹密度随放电电压的变化曲线如图9所示。由图9可知:在 20、30、40 kV电压下方形试件裂纹密度依次为 7.6、27.8、54.2 m-1,即随着放电电压增加,裂纹密度表现出变大的趋势。这是因为随着注入能量的增强,试件表面的裂纹数量以及贯穿程度都有所增加,使得试件变得更加破碎,裂纹密度越大,试件的破碎效果越好。

图9 不同电压下试件的裂纹密度Fig.9 Fracture density of specimens under different voltages

3.2.3 分形特征

分形维数随放电电压的变化特征如图10所示。由图10可知:随着放电电压增加,试件的分形维数呈现出增长趋势。当放电电压为20 kV时,试件的分形维数为1.132 7。由图8中的破裂模式可以看出,该试件虽然中间被击穿,但仍保持一定的完整性。试件表面裂纹中部有些许弯曲,没有分叉现象。放电电压为30 kV时,分形维数为1.349 3。该试件破碎成块,少部分裂纹出现弯折、分叉现象。放电电压为40 kV时,分形维数为1.459 7。试件表面裂纹弯折交错,分叉现象更加明显。上述结果表明,随着放电电压的增加,裂纹网结构变得更加复杂,且裂纹更加密集,导致了分形维数变大。

图10 不同电压下的试件分形维数Fig.10 Fractal dimension of specimens under different voltages

4 结 论

(1)利用高压脉冲放电设备开展试验,研究了红砂岩受电击穿作用下的破裂行为。圆形试件和方形试件的电击穿结果,初步揭示了高压脉冲作用下红砂岩的破裂机制。试件中间击穿区出现明显的白色灼烧痕迹,证实了高压脉冲放电过程中高温的显著作用。试件边界附近形成的剥落裂纹说明了爆炸波的反射效应发挥了重要作用。

(2)通过裂纹密度和分形维数定量分析了试件几何尺寸和放电电压对红砂岩破裂程度的影响。在试验所用的尺寸范围内,随着试件尺寸不断增加,试件的破裂模式由破碎逐渐转化为穿孔,破裂的复杂程度降低,裂纹密度和分形维数减小,破碎效果变差。随着放电电压增加,试件的破裂模式由穿孔转为破碎,裂纹密度和分形维数变大。更大的电压意味着更大的能量输入和爆炸载荷强度,这使得试件的破碎程度加剧。

(3)本研究通过试件的宏观破坏特征,初步分析了高压脉冲作用下红砂岩的破裂机制。关于高温、冲击波导致的岩石内部微裂纹、孔洞等方面的变化则需借助扫描电镜等微观手段进一步探讨。