泡沫電介質(zhì)中高壓脈沖放電的破巖機(jī)理研究

馬 瑞,孫西濛,呂 嘉,曲 駿,周 鵬,劉寶林,薛啟龍

(1.北京市政路橋股份有限公司,北京100045;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院,北京100083)

在隧道開挖、礦山開采等基礎(chǔ)工程建設(shè)中,巖石爆破技術(shù)發(fā)揮著重要作用。隨著工程難度的增加以及對環(huán)境方面的要求,傳統(tǒng)的炸藥碎巖技術(shù)在應(yīng)用中受到很大制約;機(jī)械脹裂法在遇到硬脆性巖體時(shí)施工進(jìn)度會(huì)大大降低,而且機(jī)械式工具比較容易磨損,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。其他碎巖技術(shù)如熱力碎巖、水力碎巖、微波碎巖等,還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,要實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用尚需時(shí)日。等離子體碎巖技術(shù)[1-2]具有無污染,破碎過程中無飛石、無有害氣體產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn),使用方便,作業(yè)效率高,是替代炸藥碎巖最有效、可行的方法。液電等離子體理論在納米材料制備、污水處理、石油天然氣鉆井、醫(yī)療碎石、液電加工成型等方面都有廣泛應(yīng)用。然而將其用于大型巖石破碎的工程上還缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,此方面的研究還較少。

高壓脈沖放電時(shí)采用電爆絲引弧,并以水中放電為主要方式。而電爆絲脈沖放電以其復(fù)雜的高能物理過程且過程中伴生有稠密等離子體、強(qiáng)紫外光、強(qiáng)氧化性自由基和強(qiáng)沖擊波等多種效應(yīng),成為目前研究的熱點(diǎn)。因此選擇泡沫溶液作為放電介質(zhì),來研究高壓脈沖放電的破巖機(jī)理,相比水介質(zhì),泡沫電介質(zhì)可以在巖石產(chǎn)生裂隙后減少漏失,而且空氣膨脹產(chǎn)生空泡效應(yīng),增加爆破能量。另外,泡沫由于含有空氣,其擊穿場強(qiáng)要小于水介質(zhì),對放電設(shè)備的要求更低,更適合于現(xiàn)場工程應(yīng)用。相關(guān)研究指出,因?yàn)樗斜馀莓a(chǎn)生的脈動(dòng)能量能夠達(dá)到爆炸總能量的40%,所以采用泡沫作為放電介質(zhì)。因此,研究泡沫中氣泡的力學(xué)特性[3-4]具有重要意義。放電過程中產(chǎn)生等離子體通道,同時(shí)伴隨著高溫作用,瞬間會(huì)導(dǎo)致液體介質(zhì)發(fā)生膨脹。泡沫電介質(zhì)中的氣泡在內(nèi)、外壓力作用下會(huì)發(fā)生膨脹或收縮的脈動(dòng)作用,在較強(qiáng)外壓作用下即時(shí)潰滅,產(chǎn)生一定的射流沖擊力。等離子體放電過程中使用液體電介質(zhì)相對于其他電介質(zhì)放電[5],例如空氣、真空放電的優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)生的沖擊能量較多,噪音較低。采用泡沫作為電介質(zhì),其功能介于氣液兩相之間,所以可用于研究氣泡受沖擊壓力后產(chǎn)生的脈動(dòng)力作用對促進(jìn)巖體破碎的力學(xué)效果。

因此,采用數(shù)值模擬分析了在不同電介質(zhì)環(huán)境下放電沖擊壓力的變化規(guī)律,運(yùn)用氣泡動(dòng)力學(xué)方程分析了氣泡在放電過程中的運(yùn)動(dòng)特性,同時(shí)分析了不同放電電壓、放電間隙等條件對氣泡爆破形態(tài)的影響規(guī)律。并進(jìn)行了初步室內(nèi)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了泡沫作為電介質(zhì)實(shí)現(xiàn)高壓脈沖放電破碎巖石的可行性。為高壓脈沖放電技術(shù)的研究提供了一種新的思路,在無炸藥巖石爆破方面具有廣闊應(yīng)用前景。

1 泡沫電介質(zhì)的制備

氣泡獲得能量的過程基本上是在受到壓力沖擊波作用而發(fā)生膨脹的階段。瞬時(shí)放電過程中,氣泡受到高能沖擊波而發(fā)生形變,當(dāng)氣泡內(nèi)壓大于外壓時(shí)向外膨脹,膨脹過程會(huì)因慣性維持一段時(shí)間,直到內(nèi)壓小于外壓后,膨脹過程停止,氣泡開始收縮。在這種往復(fù)脈動(dòng)過程中,氣泡會(huì)產(chǎn)生壓力波。另外,泡沫中已有的氣泡在受較大沖擊后,當(dāng)外部壓強(qiáng)大于氣泡內(nèi)部壓強(qiáng)時(shí),氣泡會(huì)發(fā)生潰滅,氣泡潰滅過程也會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊力,即所謂的空泡效應(yīng),理論上會(huì)對巖石的破碎起到一定程度上的促進(jìn)作用。在實(shí)際的工程應(yīng)用中,泡沫應(yīng)當(dāng)越簡單越穩(wěn)定越好,所以在泡沫電介質(zhì)的制備中,其組分應(yīng)盡可能的簡單[5]?？紤]到泡沫的穩(wěn)定性、可靠性以及泡沫使用過程的無污染性,選用性能較好,無污染的表面活性劑和穩(wěn)泡劑進(jìn)行泡沫的制備。

圖1 泡沫穩(wěn)定性測試實(shí)驗(yàn)Fig.1 Foam stability test experiment

為了測試所選泡沫電介質(zhì)在生成泡沫后的穩(wěn)定性,先對2種泡沫溶液進(jìn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn),即通過2組實(shí)驗(yàn)來測量陰、陽離子泡沫溶液的穩(wěn)定性。以析出液體50 mL所用時(shí)間作為泡沫穩(wěn)定時(shí)間判斷標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。觀察2組泡沫的生成情況(見圖1),發(fā)現(xiàn)每組泡沫溶液生成的泡沫都比較均勻,整體比較穩(wěn)定。通過實(shí)驗(yàn)最終測得陽離子泡沫溶液析出50 m L液體所需要的時(shí)間為21 min,陰離子泡沫溶液析出50 mL液體所需要的時(shí)間為25 min。該技術(shù)對泡沫穩(wěn)定的時(shí)間沒有嚴(yán)格的要求,但在考慮施工現(xiàn)場制備時(shí)間成本等因素的影響時(shí),要保證泡沫電介質(zhì)有較好的抗衰減特性。然后使用帶陰、陽離子的泡沫兩相體,對其進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)測試。

2 放電過程中泡沫受力分析

2.1 沖擊壓力計(jì)算

在高壓脈沖放電過程中,電極處釋放的能量能夠達(dá)到幾百千焦,產(chǎn)生的沖擊壓力波會(huì)在電介質(zhì)中傳播,電介質(zhì)中產(chǎn)生氣泡并使氣泡在沖擊壓力的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)[8-9]。為研究沖擊壓力在不同電介質(zhì)隨時(shí)間變化的關(guān)系,需建立沖擊壓力波的理論計(jì)算模型[10-11]。

沖擊波波前壓力p1可以表示為

式中:pm為沖擊壓力的最大值,Pa;l0為放電間隙的長度,cm;Ri為孔壁距離放電處的距離,cm;δ為放電效率隨時(shí)間變化系數(shù),取值3.6;t為沖擊波移動(dòng)時(shí)間,t=Ri/α0,s;α0為電介質(zhì)中的聲速,m/s;σ［T -t］為爆炸函數(shù),

式中:W0為放電設(shè)備中的高壓電容所儲(chǔ)存的能量,J;Wn為放電過程中的能量損失,J;μ為放電過程中的聲音系數(shù),約為0.5;K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),取值6.6×108Pa;L為放電電路的電感,H;C為脈沖電源的電容量,F。

放電通道中的最大沖擊壓力值pm,可依據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式[8]近似得到:

式中:ρ為液相介質(zhì)的密度,kg/m3。

由此可計(jì)算出能量一次放電時(shí)的最大沖擊壓力值,如設(shè)定放電電壓U0=20 kV,電感L=0.3μF,放電間隙長度l0為30 cm,電爆絲直徑為0.11 mm時(shí)計(jì)算出最大沖擊壓力pm=174 MPa。

實(shí)驗(yàn)所采用的爆破方法是,先在巖石某一個(gè)自由面鉆孔,將放電電極裝入鉆孔內(nèi),然后控制放電產(chǎn)生沖擊波,沖擊波在鉆孔內(nèi)以球形波釋放。作用于巖石內(nèi)部的力主要為拉應(yīng)力與剪切應(yīng)力,巖石的損壞主要是拉應(yīng)力的作用。在上述放電參數(shù)的設(shè)定條件下,高壓脈沖放電所釋放的最大沖擊力[12-13]遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硬脆性巖石的拉應(yīng)力,花崗巖和玄武巖的巖石力學(xué)特性如表1所示,所以在該放電參數(shù)下能夠?qū)r石造成破碎。

表1 巖石力學(xué)特性Table 1 Rock mechanics characteristics

2.2 實(shí)例分析

設(shè)定放電電壓值分別為5、10、15、20 k V,泡沫電介質(zhì)密度為0.4×103kg/m3,放電間隙長30 cm。當(dāng)回路電感為2μH時(shí),可以得到高壓脈沖設(shè)備儲(chǔ)存的能量W0:

式中:C為電容器儲(chǔ)存的電容容量,取1 280μF。

由于高功率設(shè)備系統(tǒng)產(chǎn)生的電感,回路電阻以及相關(guān)穩(wěn)定裝置的影響,到達(dá)爆破沖擊電極端后,放電回路的能量總損失達(dá)80%。

沖擊波的最大壓力與脈沖電源電壓成正比關(guān)系,在其他條件不變的情況下,隨著脈沖電壓的升高,放電通道最大壓力逐漸增加(見圖2)。根據(jù)高壓脈沖放電產(chǎn)生的沖擊波壓力計(jì)算方程,求解泡沫電介質(zhì)在不同電壓值條件下沖擊波壓力的變化情況。

圖2 不同電壓放電時(shí)產(chǎn)生的最大沖擊壓力Fig.2 Maximum shock pressure generated during discharge at different voltages

取距離放電通道半徑Ri=10 mm處的壓力波的變化情況為研究對象,當(dāng)回路電感為2μH,電容量為1 280μF,放電間隙為10 cm,放電電壓分別為U=5、10、15、20 k V時(shí),壓力沖擊波引起的變化規(guī)律如圖3所示。隨著放電電壓的升高,沖擊波在波頭時(shí)間段內(nèi)沖擊壓力值變大;而且放電電壓值越高,沖擊波壓力值變化的斜率越陡,這說明了電壓越高沖擊波波形在波頭時(shí)間段上升沿越陡,沖擊壓力峰值與上升時(shí)間的比值越高,產(chǎn)生的瞬間沖擊力越集中,碎巖效果越好。

圖3 不同放電電壓下沖擊波壓力與時(shí)間變化關(guān)系Fig.3 The relationship between shock wave pressure and time under different discharge voltage

放電間隙的長度決定了等離子體通道的路徑長度,從而和最后產(chǎn)生的沖擊波壓力密切相關(guān),所以說研究沖擊波壓力與放電間隙的關(guān)系很重要。根據(jù)高壓脈沖放電產(chǎn)生沖擊波的計(jì)算方程,通過求解泡沫電介質(zhì)的沖擊壓力值來分析不同放電間隙對沖擊壓力的影響。仍然選取距離放電通道Ri為10 mm處作為研究對象,設(shè)定放電電壓U=10 k V,回路電感為2μH,電容量為1 280μF,放電間隙分別設(shè)定為10、20、30、40 mm。計(jì)算結(jié)果如圖4所示,可以看出沖擊波壓力的變化和放電間隙之間是非線性的關(guān)系,放電間隙在一定放電回路參數(shù)設(shè)置下存在最優(yōu)值,本次設(shè)置的放電間隙在30 mm處時(shí)沖擊壓力最高(見圖4),在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)具體情況選取。

圖4 不同放電間隙下沖擊波壓力隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.4 The relationship between shock wave pressure and time under different discharge gaps

3 氣泡動(dòng)力學(xué)分析

3.1 放電沖擊壓力下氣泡半徑變化數(shù)值模型

在高壓脈沖放電過程中,產(chǎn)生的氣泡和原有氣泡在高密度能量的等離子體作用下,產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)變化,這個(gè)過程既是等離子體物理問題,又是氣液兩相流動(dòng)問題,首先進(jìn)行基本假設(shè):①液體電介質(zhì)中的氣泡假設(shè)為理想球形;②忽略巖壁對氣泡的邊界效應(yīng)影響;③忽略熱場能量傳遞變化影響。根據(jù)Rayleigh的無黏性效應(yīng)的球形氣泡動(dòng)力學(xué)理論[14]:

式中:R為泡沫的半徑,mm;ρl為液體的密度,kg/m3;pA為氣泡內(nèi)的壓強(qiáng),MPa。

對式(5)進(jìn)行變換,

Rayleigh方程可以轉(zhuǎn)換為

式中:R0與p0分別為初始狀態(tài)氣泡的半徑和初始?xì)馀輧?nèi)部壓強(qiáng)。

將θ進(jìn)行近似數(shù)值求解,(1+θ)-16近似于1,假設(shè)該表達(dá)式約等于一個(gè)常數(shù)0.942,式(10)可以簡化為

對式(11)進(jìn)行積分可得:

最后,將C和θ的表達(dá)式代入式(12),可得氣泡半徑與對應(yīng)時(shí)間的關(guān)系式

式(13)為球形氣泡在潰滅過程半徑與時(shí)間的關(guān)系式,當(dāng)氣泡體積減少到0時(shí),可得潰滅時(shí)間。

由于本次研究的泡沫電介質(zhì)變化過程,是以巖石鉆孔內(nèi)的泡沫整體為研究對象,所以可通過測得放電時(shí)間來確定泡沫在放電過程所受到的壓力值。

由于放電過程產(chǎn)生的沖擊壓力作用于氣泡上的時(shí)間很短,可通過式(15)確定放電過程中泡沫電介質(zhì)所傳遞的壓力大小[9,14]。

3.2 實(shí)驗(yàn)理論分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所設(shè)置的放電參數(shù),研究泡沫電介質(zhì)中氣泡的變化過程。設(shè)定在放電電壓為5、10、15、20 k V電壓變化條件下,當(dāng)電介質(zhì)密度為400 kg/m3時(shí),先選取回路中的參數(shù)為,距離放電通道Ri=10 mm,放電電壓U=10 k V,回路電感為2μH,電容量為1 280μF,然后計(jì)算氣泡半徑在不同放電電壓下變化值,不同放電電壓下氣泡半徑與時(shí)間變化關(guān)系如圖5所示。在氣泡潰滅后期,氣泡半徑逐漸趨近于零(小于零的部分由仿真計(jì)算得出),實(shí)際實(shí)驗(yàn)中無法出現(xiàn)。這說明在沖擊壓力作用下,氣泡發(fā)生了潰滅直至消失。電壓越高,氣泡的膨脹速度越快,但在氣泡收縮后期,其潰滅的時(shí)間較短;放電電壓越低,氣泡的脈動(dòng)膨脹與收縮的時(shí)間越長。

圖5 不同放電電壓下氣泡半徑與時(shí)間變化關(guān)系Fig.5 The relationship between bubble radius and time under different discharge voltage

同樣的,研究放電間隙對氣泡變化過程的影響時(shí),設(shè)定10 k V的放電電壓,泡沫電介質(zhì)的密度為400 kg/m3,選取回路中距離放電通道Ri為10 mm,設(shè)定放電電壓U=10 k V,回路電感為2μH,電容量為1 280μF,放電間隙取值分別為20、30、40、50 mm,計(jì)算氣泡半徑在不同放電間隙下的變化情況(見圖6)。氣泡半徑變化呈非線性,放電間隙存在最優(yōu)值,當(dāng)放電間隙為30 mm時(shí),電介質(zhì)中的氣泡半徑在沖擊波作用下的變化相對于其他放電間隙下氣泡的半徑變化較為明顯,說明壓力脈動(dòng)比較明顯,從而產(chǎn)生的沖擊波壓力也較大,與沖擊波的壓力分析結(jié)果一致。

圖6 不同放電間隙下氣泡半徑與時(shí)間變化關(guān)系Fig.6 The relationship between bubble radius and time under different discharge gaps

4 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及破巖效果

將設(shè)置的放電參數(shù),建立高壓脈沖放電電源,以泡沫作為電介質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn),宏觀衡量壓力沖擊波的碎巖效果,實(shí)驗(yàn)取混凝土塊作為被測試樣塊,尺寸為40 cm×40 cm×40 cm。放電設(shè)備設(shè)置的放電電壓為20 k V,整個(gè)高壓脈沖裝置的電容量為1 280μF,充電間隙為30 mm。實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)采集放電過程中的電流變化,觀察放電電流與壓力波的變化規(guī)律(見圖7)。

圖7 放電電流與壓力波的變化規(guī)律Fig.7 Variations of discharge current and pressure wave

由圖7可以看出,放電電流變化規(guī)律同壓力波的變化規(guī)律基本一致,當(dāng)電流上升沿達(dá)到最大時(shí),壓力沖擊波的壓力也達(dá)到最大值。如第1次放電后脈沖電流的上升沿較陡,最大脈沖電流達(dá)到66 k A(見圖7a),距放電通道處10 mm處的最大沖擊壓力為35.4 MPa,并隨著時(shí)間變化迅速降低(見圖7b)。因此可以看出,高壓脈沖放電的過程是一個(gè)瞬間沖擊的過程,巖石受到的是一個(gè)瞬間沖擊應(yīng)力,由于大多巖石承受拉應(yīng)力的能力較小,沖擊波才起到了很好的碎巖效果。

爆破實(shí)驗(yàn)效果如圖8所示,混凝土實(shí)驗(yàn)樣品已經(jīng)出現(xiàn)大體積塊狀碎裂,表面裂紋并不多,混凝土塊沿主要裂紋碎裂,搬移實(shí)驗(yàn)樣品后,該塊混凝土整體破碎,碎塊較為完整?？梢姼邏好}沖碎巖技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種壓力致裂,不會(huì)像炸藥爆破產(chǎn)生飛石,安全性更好。在工程應(yīng)用中具有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖8 巖體破碎效果Fig.8 Rock mass fracture effect

5 結(jié)論

高壓強(qiáng)電場通過液體時(shí),由于巨大的能量瞬間釋放于放電通道內(nèi),通道中的液體就迅速汽化、膨脹并引起爆炸,這就是所謂的液電效應(yīng)。液電效應(yīng)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛,但在宏觀的巖石破碎上應(yīng)用較少,尤其是以泡沫作為電介質(zhì)的高壓脈沖放電實(shí)驗(yàn)研究還鮮見報(bào)道。本次實(shí)驗(yàn)配備了半衰期基本滿足要求的泡沫溶液,且進(jìn)行了穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn),保證了在放電過程中泡沫能夠保持較好的穩(wěn)定性。這也是泡沫作為放電介質(zhì)用于巖石破碎的前提。

1)通過不同密度泡沫介質(zhì)下沖擊波壓力的計(jì)算,結(jié)果表明,電壓越高沖擊波波形在波頭時(shí)間段上升沿越陡,沖擊壓力峰值與上升時(shí)間的比值越高,產(chǎn)生的瞬間沖擊力越集中,碎巖效果越好。

2)沖擊波壓力的變化和放電間隙之間是非線性關(guān)系,放電間隙在一定放電回路參數(shù)設(shè)置下存在最優(yōu)值,在本次實(shí)驗(yàn)的放電參數(shù)設(shè)置下,放電間隙在30 mm處時(shí)沖擊壓力最高。

3)在沖擊壓力作用下,氣泡發(fā)生了潰滅直至消失。電壓越高,氣泡的膨脹速度越快,但在氣泡收縮后期,其潰滅的時(shí)間較短。放電電壓越低,氣泡的脈動(dòng)膨脹與收縮的時(shí)間越長。

4)當(dāng)放電間隙為30 mm時(shí),電介質(zhì)中的氣泡半徑在沖擊波作用下的變化,相對于其他放電間隙下的氣泡半徑變化更為明顯,說明壓力脈動(dòng)比較明顯,從而產(chǎn)生的沖擊波壓力也較大。

5)放電電流變化規(guī)律同壓力波的變化規(guī)律基本一致,當(dāng)電流上升沿達(dá)到最大時(shí),壓力沖擊波的壓力也達(dá)到最大值。

6)高壓脈沖碎巖技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種壓力致裂,不會(huì)像炸藥爆破產(chǎn)生飛石,安全性更好。在工程應(yīng)用中具有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>