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      基于Selfrag 高壓電脈沖放電破巖試驗的仿真模擬

      2021-08-18 00:25:38孔二偉曾石友段隆臣李昌平
      鉆探工程 2021年8期
      關(guān)鍵詞:電脈沖破巖電場

      孔二偉 ,李 傲 ,曾石友 ,段隆臣 ,張 鋒 ,李昌平

      (1.河南省小口徑鉆探工程技術(shù)研究中心,河南鄭州 450001;2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)勘查院,河南鄭州 450001;3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢430074;4.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院,湖北武漢430074)

      脈沖功率技術(shù)是20 世紀(jì)60 年代開始發(fā)展起來的一個交叉學(xué)科的新興技術(shù)。它是一種以較低的功率儲存一定的能量,然后將能量以高功率密度的方式變換為脈沖能量的技術(shù),它是應(yīng)用物理學(xué)以及高電壓技術(shù)相融合的產(chǎn)物[1-2]。脈沖功率技術(shù)的應(yīng)用隨著其蓬勃發(fā)展已漸漸從軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到民用工業(yè)等領(lǐng)域,現(xiàn)已在醫(yī)療、環(huán)保、爆破等方面有著廣泛應(yīng)用[3-6]。

      國內(nèi)外學(xué)者對高壓電脈沖技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究,在利用高壓電脈沖破巖技術(shù)進(jìn)行巖石開采[7]、微礦石分解[8-9]、水垢的清理及礦物的回收[10-11]等方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展,并逐步推廣在高壓電脈沖鉆井[12]技術(shù)中應(yīng)用。Duan 等[10]實驗結(jié)果表明,高壓電脈沖可以達(dá)到較窄的金屬濃度,這一特性有利于金屬與環(huán)氧樹脂分離,以達(dá)到礦物的篩選分離。Andres 等[13]通過高壓電脈沖破巖試驗,確定了優(yōu)化能量消耗的3 種方法:(1)提高脈沖功率發(fā)生器的效率;(2)優(yōu)化電極幾何結(jié)構(gòu);(3)優(yōu)化電脈沖波形。Andres 等[14]利用電脈沖技術(shù)對磁鐵礦和赤鐵礦樣品的比較解離試驗表明效率很高,因為從電解離礦石中獲得的鐵精礦中SiO2和P 的雜質(zhì)回收率大大降低。Wang 等[15]采用 COULOMB 3D 軟件數(shù)值模擬了不同顆粒條件下巖石的電場強(qiáng)度,得到了礦物組成和電導(dǎo)率對巖石內(nèi)部電場分布的影響。Razavian等[16]針對磷礦進(jìn)行仿真模擬,研究了礦物組成、顆粒大小、顆粒形狀和電極距離對電場強(qiáng)度和分布的影響。

      目前關(guān)于高壓電脈沖破巖的影響因素已經(jīng)有了大量的試驗及仿真模擬研究,相比之下,兩者相結(jié)合研究其影響因素的較少。本文基于Selfrag 高壓電脈沖破巖的試驗參數(shù),利用COMSOL Multiphysics仿真軟件建立了一種針針電極結(jié)構(gòu)仿真模型,將電場強(qiáng)度作為表征指標(biāo),數(shù)值越高,說明越容易實現(xiàn)電擊穿破碎。研究了電壓、巖石礦物成分和孔隙率3個參數(shù)對巖石內(nèi)電場強(qiáng)度分布的影響,從而可為高壓電脈沖鉆井破巖參數(shù)的選取提供參考。

      1 高壓電脈沖破巖機(jī)理

      由于高壓電脈沖放電時的瞬時性、不可見性,目前還沒有合適統(tǒng)一的物理數(shù)學(xué)模型來描述高壓電脈沖破巖過程[17]。Li 等[18]通過模擬結(jié)果表明,脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖從電極向固體介質(zhì)輸入后,在固體介質(zhì)表面產(chǎn)生極化現(xiàn)象,產(chǎn)生等離子通道;等離子體通道在不均勻的固體介質(zhì)和液體介質(zhì)的交界處形成,放電通道可以在ms 級時間內(nèi)積累能量密度,迅速提高溫度,產(chǎn)生巨大壓力;等離子體通道周圍的電場強(qiáng)度明顯高于其他區(qū)域;當(dāng)?shù)入x子體通道的能量占總儲能的20%~40%時,可以有效地?fù)羲楣腆w介質(zhì)。國內(nèi)外學(xué)者[19-25]的研究表明,高壓電脈沖破巖機(jī)可以分為4 個階段(圖1):第Ⅰ階段,電極上施加高壓短脈沖,巖石內(nèi)部首先產(chǎn)生電場;第Ⅱ階段,巖石內(nèi)部形成樹枝狀細(xì)小的放電先導(dǎo),電極上電壓及回路中電流下降較小;第Ⅲ階段,當(dāng)先導(dǎo)發(fā)展到對電極時,等離子體通道形成,迅速釋放大量能量并對外做功,產(chǎn)生沖擊波對巖石形成張拉破壞;第Ⅳ階段,當(dāng)應(yīng)力超過巖石的強(qiáng)度時,巖石破碎并脫離主體。

      圖1 高壓電脈沖破巖機(jī)理Fig.1 Rock breaking mechanism of high voltage electric pulse

      2 Selfrag 高壓電脈沖放電破巖試驗

      電場強(qiáng)度出現(xiàn)在介電常數(shù)和電導(dǎo)率差異很大的2 種礦物相的邊界上。表面導(dǎo)電礦物的存在扭曲了整個粒子的電場分布,改變了擊穿路徑和模式,進(jìn)而影響了破裂結(jié)果?;诖?,Selfrag 高壓脈沖選擇性碎樣儀利用沖擊電壓發(fā)生器激發(fā)的高功率電脈沖對固體物質(zhì)進(jìn)行放電,使固體破碎和分離。此破碎方法的優(yōu)勢在于,優(yōu)先破裂面是不同物相的邊界,其次是礦物的解理和裂理,最后才是隨機(jī)的破裂。當(dāng)物相之間的介電常數(shù)相差很大時,優(yōu)勢更明顯。Self?rag 高壓脈沖選擇性碎樣儀在地球科學(xué)領(lǐng)域也有應(yīng)用,可將云母、獨居石、石英等礦石充分破碎,且根據(jù)礦物質(zhì)不同,完全分解出不同成分的礦物質(zhì),為從混合礦物質(zhì)中分選單礦物質(zhì)提供了有效途徑。

      脈沖放電發(fā)生器裝備有電容和放電開關(guān),可產(chǎn)生200 kV 的高壓脈沖和22 kA 的脈沖電流。操作面板用于顯示放電破巖過程中放電參數(shù)狀態(tài)和控制放電破巖過程參數(shù),可根據(jù)試驗要求,設(shè)定脈沖工作電壓(90~200 kV)、脈沖頻率(1~5 Hz)、電極間距(10~40 mm)等工作參數(shù)。高壓工作電極部分如圖2 所示,主要包括高壓電極、低壓電極、高壓電極絕緣和接地,其中高、低壓電極是Selfrag 高壓脈沖破碎儀的重要工作部件,其結(jié)構(gòu)為針針電極形式。

      圖2 高壓工作電極部分Fig.2 High voltage working electrode

      采用Selfrag 進(jìn)行放電碎巖試驗,選擇的破碎對象為花崗巖,絕緣介質(zhì)為自來水,如圖3 所示為準(zhǔn)備的花崗巖樣品,高度不超過40 mm,并將樣品盛裝容器中倒入自來水到一定高度,把樣品盛裝容器正確放置在升降臺上,在操作面板上設(shè)定放電電壓、電極間距、脈沖頻率和放電次數(shù)。

      圖3 花崗巖樣品Fig.3 Granite samples

      Selfrag 高壓電脈沖碎巖試驗過程中設(shè)定電壓峰值130 kV(監(jiān)測峰值124 kV),脈沖頻率5 Hz,電極間距15 mm,總放電能量689 J。圖4 所示為電脈沖破碎后的粗顆粒的花崗巖,圖5 所示為電脈沖破碎后的細(xì)顆粒的花崗巖。巖石薄片鑒定結(jié)果,巖石中各類礦物成分含量:鉀長石38%,斜長石25%,石英25%,黑云母(綠泥石)8%。得出Selfrag 高壓脈沖破碎儀在該參數(shù)下能實現(xiàn)花崗巖的快速破碎。

      圖4 破碎后的花崗巖粗顆粒Fig.4 Coarse grains of broken granite

      圖5 破碎的細(xì)微礦渣Fig.5 Broken fine slag

      3 高壓電脈沖放電破巖仿真模擬

      高壓電脈沖破碎巖石是在多物理場耦合的環(huán)境下進(jìn)行的,在破巖過程中,由于巖石內(nèi)部成分的復(fù)雜性,巖石內(nèi)部孔隙的影響,故采用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics 進(jìn)行仿真分析。根據(jù)放電松弛理論,巖石的放電松弛時間遠(yuǎn)大于外部放電時間,巖石可以被看作是一個絕熱材料,可采用COM?SOL 中的AC/DC 模塊中的靜電接口對高壓電脈沖破巖過程進(jìn)行數(shù)值仿真,巖石空間電場強(qiáng)度分布滿足靜電場的高斯定理。其方程微分形式可用下式表示:

      式中:E——電場強(qiáng)度,kV/mm;V——電壓,kV;D——真空中電場強(qiáng)度,kV/mm,ρv——空間中電場密度,J/mm3。

      基于Selfrag 高壓電脈沖放電破巖的試驗數(shù)據(jù),模擬中電壓參數(shù)范圍為90~200 kV;電極結(jié)構(gòu)采用針針電極,正負(fù)電極尺寸為?3 mm 圓柱,間距為15 mm,電極材料選取不銹鋼,在一端電極上施加脈沖電壓,另一端電極進(jìn)行接地處理;液體介質(zhì)為水,相對介電常數(shù)為81;巖石為花崗巖,巖石厚度為15 mm,相對介電常數(shù)為6.5,孔隙率為0.8%。建立模型如圖6 所示。通過在已定義模型的網(wǎng)格實體中使用自由四面體選項,在幾何模型上擬合合適的網(wǎng)格,圖7 為已劃分的四面體網(wǎng)格。模擬中分別對電壓、巖石礦物成分和孔隙率3 個影響因素做單一變量影響因素研究。

      圖6 建立仿真模擬幾何模型Fig.6 Simulation geometrical model

      圖7 四面體網(wǎng)格Fig.7 Tetrahedral mesh

      使用COMSOL 求解器的默認(rèn)選項,運行仿真并計算結(jié)果。

      4 仿真模擬結(jié)果與分析

      4.1 施加不同電壓的影響

      在高壓電脈沖破碎巖石過程中,脈沖電壓大小對巖石的破碎起到關(guān)鍵作用。在模擬中,巖石材料定義為花崗巖,液體介質(zhì)為水,分別對脈沖電壓為90、130、200 kV 進(jìn)行模擬分析。圖 8 為施加不同電壓時花崗巖內(nèi)部電場強(qiáng)度分布。箭頭的顏色、大小表示電場強(qiáng)度和方向。磁通總是沿高電勢向低電勢方向流動。通量的大小呈現(xiàn)在紅色(高強(qiáng)度)到藍(lán)色(低強(qiáng)度)的顏色尺度上。通量之間的距離代表電荷濃度,距離越短,電荷濃度越高。

      圖8 不同脈沖電壓下花崗巖內(nèi)部電場密度分布Fig.8 Distribution of electric field density in granite at different voltages

      從固體介質(zhì)的電擊穿理論可知,固體的電擊穿與電壓作用下固體內(nèi)部的電場強(qiáng)度大小和分布有著密切相關(guān)的關(guān)系,且固體內(nèi)部電場強(qiáng)度的大小與電壓作用于固體內(nèi)部電場能量密切相關(guān)。隨著施加電壓的增大,巖石內(nèi)最大電場強(qiáng)度增大,巖石內(nèi)磁通量密度增大,電擊穿概率越大,破碎效率也就越高。當(dāng)施加130 kV 電壓參數(shù)時,完全形成等離子通道,在水溶液中,可以對15 mm 厚度花崗巖進(jìn)行有效破碎。

      4.2 不同巖石礦物成分的影響

      為了研究不同巖石礦物成分對高壓電脈沖破巖的影響,仿真模擬時施加電壓130 kV,液體介質(zhì)為水,定義了 3 種不同礦物成分(如圖 9 所示):(a)100%長石,相對介電常數(shù)為6.5;(b)100%磁鐵礦,相對介電常數(shù)為65;(c)上半部分50%為長石,下半部分50%為磁鐵礦。(b)與(a)相比,磁鐵礦的相對介電常數(shù)較大,內(nèi)部的最大電場強(qiáng)度24.4 kV/mm,比長石內(nèi)部最大電場強(qiáng)度21.3 kV/mm 要大3.1 kV/mm,但是其內(nèi)部平均電場強(qiáng)度比長石內(nèi)部要小。(c)中可以發(fā)現(xiàn)電場強(qiáng)度在長石與磁鐵礦邊界發(fā)生明顯的畸變,并且電場能量密度明顯相較其它區(qū)域密,說明高壓電脈沖破碎優(yōu)先發(fā)生在不同礦物成分的接觸面,根據(jù)巖石內(nèi)礦物質(zhì)不同,可以分解出不同成分的礦物質(zhì),為篩選不同礦物質(zhì)提供了有效途徑,這也是高壓電脈沖破碎不同于機(jī)械破碎的一個顯著特征。

      圖9 礦物成分對電場強(qiáng)度分布的影響Fig.9 Effect of different mineral composition on electric field intensity distribution

      4.3 不同孔隙率的影響

      為研究巖石內(nèi)孔隙對高壓電脈沖破巖的影響,本模型將巖石內(nèi)孔隙放大,設(shè)定為?1 mm 的球體,巖石為10 mm×10 mm×10 mm 正方體。模型內(nèi)球體為空氣材料,巖石材料為長石,相對介電常數(shù)為6.5,施加電壓參數(shù)為130 kV。圖10 為單一孔隙在巖石內(nèi)部電場強(qiáng)度分布云圖,可以發(fā)現(xiàn)在巖石內(nèi)遠(yuǎn)離孔隙的地方幾乎不受孔隙影響,電場強(qiáng)度為13 kV/mm,接近孔隙處最大電場強(qiáng)度為18.2 kV/mm,是未加孔隙時的1.4 倍??紫吨車黠@存在高低差,使周圍電場強(qiáng)度產(chǎn)生了畸變,變得極不均勻,導(dǎo)致巖石內(nèi)電場強(qiáng)度分布不均勻,根據(jù)固體的電擊穿特點,在這樣的電場強(qiáng)度分布中,其他相同的參數(shù)影響下,巖石相較于其他均勻固體介質(zhì)更容易被電擊穿。

      圖10 單一孔隙影響下巖石內(nèi)電場強(qiáng)度分布云圖Fig.10 Distribution of electric field intensity in rock under the influence of a single pore

      圖11 為孔隙個數(shù)為 0、1、6、10、15、20、25 時對巖石內(nèi)部電場強(qiáng)度的影響,可以發(fā)現(xiàn)孔隙個數(shù)從0變?yōu)? 時,電場強(qiáng)度從13 kV/mm 突變?yōu)?8.2 kV/mm,說明巖石內(nèi)有無孔隙對電場強(qiáng)度影響極大。隨著孔隙個數(shù)的增加,巖石內(nèi)部最大電場強(qiáng)度在孔隙為15 時達(dá)到最大為20.8 kV/mm,隨后趨于穩(wěn)定。說明孔隙對電場強(qiáng)度的分布有較大影響,隨著孔隙的增多,最大電場強(qiáng)度增大,但不是呈線性關(guān)系,而是達(dá)到一個值后趨于穩(wěn)定。實際由于巖石內(nèi)部礦物顆粒的聯(lián)結(jié)方式,使得巖石內(nèi)部存在大量孔隙,孔隙周圍的電場畸變使得巖石內(nèi)部電場強(qiáng)度在整體上也變得極不均勻,在相同的能量注入下,孔隙率高的巖石可以更加有效形成電擊穿,破巖效率越高。

      圖11 孔隙個數(shù)對巖石內(nèi)部電場強(qiáng)度的影響Fig.11 Influence of the number of pores on the electric field strength in rock

      5 結(jié)論與展望

      (1)施加不同電壓參數(shù),巖石內(nèi)部電場強(qiáng)度分布不同,隨著施加電壓的增大,巖石內(nèi)部最大電場強(qiáng)度增大。當(dāng)加載130 kV 電壓時,在水溶液中,可有效對15 mm 厚花崗巖進(jìn)行破碎。

      (2)電場在不同礦物成分邊界發(fā)生畸變,不同礦物成分相對介電常數(shù)變化越大,產(chǎn)生畸變越明顯。高壓電脈沖破碎優(yōu)先發(fā)生在不同礦物成分的接觸面,根據(jù)巖石內(nèi)礦物質(zhì)不同,可以分解出不同成分的礦物質(zhì)。

      (3)巖石的孔隙率對高壓電脈沖破巖有較大影響,巖石內(nèi)孔隙的存在,使其周圍的電場發(fā)生了畸變,其他參數(shù)不變,孔隙率越大,巖石內(nèi)最大電場強(qiáng)度增大,隨著孔隙率的增大而趨于一個穩(wěn)定值。

      (4)目前設(shè)計的電脈沖鉆機(jī)或原理性樣機(jī)采用的高壓脈沖電源設(shè)置在地面,深井及超深井電脈沖破巖鉆進(jìn)中電能在傳輸過程中損失嚴(yán)重,需采用井下動力發(fā)電并將利用半導(dǎo)體技術(shù),將脈沖功率電源和供電電源設(shè)計安裝在井下,可減小能量傳輸過程中的損失。

      (5)在大斷面硬巖隧道掘進(jìn)方面,傳統(tǒng)的鉆爆法開挖及全斷面硬巖掘進(jìn)(TBM)存在成本高、對地質(zhì)條件要求較為嚴(yán)格等缺陷。因此在深井、超深井鉆進(jìn)及隧道快速開挖掘進(jìn)施工方面需要研發(fā)新型破巖鉆進(jìn)技術(shù),高壓電脈沖鉆進(jìn)是具有潛力、接近工業(yè)化應(yīng)用的一種新型破巖鉆進(jìn)方法。

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