高电压等离子放电破坏岩石机理研究

High voltage plasma in rock breaking with electro-discharging is a energy-efficient,environmental protecting and safe technology . As the complex working process,the working principle of rock breaking has not been discovered accurately,so the application and development is restricted.The principle is:a hundred million volt and nanosecond order of magnitude high voltage pulse acts on the surface of the rock through an pair of electrode,a plasma passage of micro-meter magnitude is established, and the released energy from the high voltage source works against the pulling stress sharply, form the complex stress wave, go through the crack and make the stone break. The procedure of this project is:first a complex self-matched maths and physics model based on the rock breaking with electro-discharging is established, and then investigate the principle of the hundred million volt and ns order of magnitude high voltage pulse against the pulling stress,recruit the new content to traditional method of rock breaking which apply work through overcoming the compressive stress in the space of mm order of magnitude and time of us order of magnitude; and then devise a electrode without water pressure,overcome the the problem of low depth and the down flow of the water while working upward;Finally base on the model established above,measure the rock breaking with electro-discharging,summarize the principle of puncture and fracture, form the regular pattern of rock breaking with high voltage plasma electro-discharging.So this project can rich the principle of rock breaking,it significance is profound and lasting in energy-saving and emission-reduction in practice.

高电压等离子放电破岩是一种节能、环保、安全的新技术，但因作用规律复杂, 致使其破岩机理至今未能被准确揭示, 从而制约着其应用和发展。原理是纳秒级数百千伏高压脉冲通过电极输入表面被水绝缘的硬岩，硬岩内部建立微米径的等离子体通道,随后高压脉冲发生器向通道瞬间释放能量，使其剧烈扩展并克服拉应力做功,形成复杂应力波,沿裂隙发展并造成岩石破坏。本工作首先建立高压放电破岩机理复合自匹配数学-物理模型，目标是对纳秒时间特性、微米空间特性、主要克服拉应力做功的放电破岩机理研究，对微秒级时间特性、毫米级空间特性、靠克服压应力做功传统破岩理论补充新内容；其次，探索无水绝缘压场式电极，克服水绝缘毁伤深度小及向上开凿绝缘液倒流难题；最后，基于上述模型构建实验平台，测试高电压等离子放电破岩过程，总结击穿与裂隙发展准则，总结高电压等离子放电破岩机理。本项目理论上能丰富破岩机理，实践上对节能减排及军事应用意义深远。

项目的背景：高电压等离子放电破岩是一种节能、环保、安全的新技术，但因作用规律复杂, 致使其破岩机理至今未能被准确揭示, 从而制约着其应用和发展。因此提出此研究。.研究内容：高电压放电等离子破岩过程可简述为：高电压发生器通过被水绝缘的电极系统，向岩石传输纳秒级几百千伏的高压脉冲，在岩石内部产生微米级等离子放电通道并扩展至岩石破坏，因此本研究从三个方面展开研究：从高压脉冲发生器参数优化角度，进行高压放电破岩机理复合自匹配模型研究；从绝缘液与电极系统角度，进行压场式无水绝缘数学-物理模型研究；从放电等离子通道做功破岩过程测试角度，进行实验平台构建与机理总结。.重要结果：仿真发现当岩混材料越接近临界击穿厚度，电极端载流子的倍增效应越发显著，发生雪崩击穿时所需更大电流其上升前沿变得越窄，且峰值越高。临界击穿条件下电极尖端能量分布趋于边界聚焦，意味着将输入岩混材料的脉冲能量密度更大，所产生的应力波具有更强的破坏力。如果将电极端头设计成为薄壁空心圆柱，有望进一步提改善穿时的输出波形，保持更窄的脉宽。使两电极间建立的等离子通道保持较高的能量密度，从而有效增强电脉冲对岩混材料目标的毁伤效果，同时提高能量的利用率，达到节能的目的。.关键数据：在岩混材料破碎实验中，脉冲数、电压、极间距对材料破坏的裂纹深度、质量损失、击穿电压均有不同程度影响，但无论如何更改参数，损伤的深度均约为电极间距的0.3倍。.科学意义：高电压等离子放电破岩技术可应用于硬岩开凿、切割、破碎等诸多领域,甚至包括所有岩石类电介质材料的破碎处理。本研究能从理论上能丰富破岩机理（提出纳秒微米时空下特性的无水绝缘压场式高压等离子放电破岩理论，丰富传统破岩理论中微秒毫米水平时空特性等内容）。