高压电脉冲-机械钻掘耦合作用下岩石破碎机理的多物理场建模与效率优化研究

本文创新性地提出高压电脉冲(HVEP)与机械破岩耦合技术，通过建立电-热-力多物理场耦合模型，揭示了电脉冲预处理通过等离子体通道形成(损伤变量χ量化)和应力重分布使岩石损伤面积提升100%、裂纹长度达25.2 cm的作用机制。研究为深部资源开采提供了理论突破(参数敏感性显示电压影响显著)和工程指导(异步加载方案最优)。

　　

Highlight

电-机联合破岩概念模型

图2展示了HVEP辅助机械破岩的完整作业流程。该集成系统在实际工程中同步执行电脉冲预处理和机械破岩功能，机械探头与高压电极均采用金属材料制造，确保设备系统内组件布局的一致性。

基本假设

• 岩石为连续均质各向同性材料，电击穿过程中电导率满足相同变化规律；

• 忽略温度-应力变化对岩石物理性质(如密度)的影响；

• 高压电脉冲与机械探头作用位置相同，均作用于岩石表面钻孔位点；

• 机械探头以机械应力形式作用于岩石表面。

HVEP联合机械破岩过程模拟

基于3.2节建立的几何模型，采用表3参数开展数值模拟研究。前期研究发现岩石断裂路径与HVEP引发的等离子体通道形成过程高度相关，但表面通道形成机制尚未阐明。本研究首次捕捉到电极尖端先导放电引发的"树突状微通道网络"，这些微通道在纳秒级时间内(约50 ns)通过电离作用形成主等离子体通道(直径约200 μm)。

电极电压对联合破岩的影响

前节分析了120 kV峰值电压下的岩石表面应力损伤。本研究进一步探讨不同电压(120-160 kV)对破岩效率的影响：当电压升至140 kV时，等离子体通道分形维数增加37%，导致岩石内部产生"蜘蛛网状"损伤网络；160 kV条件下表面裂纹密度提升2.1倍，证实存在电压阈值效应(临界值约135 kV)。

Conclusion

本研究通过建立电-热-力多物理场耦合模型，揭示了HVEP预处理通过等离子体通道引发岩石内部"预损伤场"的机制，使后续机械破岩从"完整岩体强冲击"转变为"预制裂缝低阻扩张"高效模式。参数优化表明异步加载方案能使破岩能耗降低42%，为深部资源开发提供了创新技术路径。