2024-06-28
（1）针对传统岩体致裂方法在矿山开采过程中存在的局限性，提出将基于液电效应的高压电脉冲致裂技术应用于处理煤矿井下坚硬岩体的新思路，该技术凭借其安全高效、绿色环保、能量可控等特点，在煤矿井下围岩应力调控方面拥有广阔的应用前景。（2）利用自主研发的高压电脉冲岩体致裂试验平台，开展了不同围岩应力条件下的岩体致裂试验，获得了岩体表面破裂特征，验证了该技术在岩体致裂方面的可靠性及安全性。（3）基于RHT本构模型建立了LS-DYNA高压电脉冲岩体致裂数值模型，根据炸药爆破与高压电脉冲的能量等效关系，构建了高压电脉冲数值模拟等效参数，开展了不同围岩应力条件下的岩体致裂数值模拟分析，结合实验室试验结果对比分析了岩体致裂特征及其裂缝扩展机理，并验证了数值模型和等效参数的可靠性。
作者：郭军1, 2, 3，米鑫程1,2，冯国瑞1, 2, 4，白锦文1,2, 3，文晓泽1, 2，朱林俊1,2，王子1, 2，皇文博1,2单位：1.太原理工大学 矿业工程学院；2.矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室；3.山西焦煤集团有限责任公司；4.山西浙大新材料与化工研究院在矿山开采、隧道开挖等实际工程中经常遇到需要对坚硬岩体进行致裂的情况。目前主要采用水压致裂、钻孔爆破和CO2相变致裂等传统手段对坚硬岩体进行致裂，但传统致裂技术都有比较明显的局限性。水压致裂耗水量大，劳工强度高，导致施工进度缓慢，且容易受原生裂隙影响；钻孔爆破易与地下存在的易燃易爆气体发生反应，同时会产生爆烟等有毒气体，具有一定的安全隐患，且炸药使用量大，成本较高；CO2相变致裂的振动速度衰减快，致裂范围有限。基于液电效应的高压电脉冲致裂技术作为一种新型的岩体致裂技术，与水压致裂相比，耗水量小且不需施加过大水压，不易受原生裂隙影响，致裂效率更高且成本更低；与钻孔爆破相比，该技术能够在低功率下缓慢储存能量，并在极短的时间内迅速释放，放电过程均在水中进行，且不会产生有毒气体，更加安全经济；相较于CO2相变致裂，该技术可以快速多次循环致裂，且单次释放能量大，致裂的区域更大，适用范围更广。凭借上述优点，高压电脉冲致裂技术在岩体致裂领域具有广阔的应用前景。
在控制高压电脉冲放电过程相同的情况下，影响岩体致裂效果的因素可分为岩体自身因素与外部环境因素。针对岩体自身因素，章志成、LISITSYN等通过开展电脉冲作用下岩石的电击穿实验，发现岩石孔隙度越大，越容易实现电击穿破坏；林柏泉等对经过NaCl溶液浸泡后的煤体进行电脉冲致裂，得出煤体的导电性越高，致裂效果越好；彭建宇等通过对不同尺寸的岩石试样进行高压电脉冲致裂，发现随着试样尺寸增加，试样由块状破碎转变成穿孔破坏模式；张辉等通过液相放电对页岩、砂岩与混凝土进行致裂实验，揭示了不同种类岩石致裂后的损伤破坏形态。针对外部环境因素，卞德存等在静水压下对岩体进行电脉冲致裂后发现围压的增加抑制了裂纹的扩展；张大伟等通过开展在不同介质条件下的高压电脉冲致裂实验，得出液体介质导电性越好，击穿时延越短，液体越容易被击穿。由于高压电脉冲致裂岩体过程中伴随着大电流大电压，会对监测设备产生较强的电磁干扰，目前难以通过室内试验的手段对岩体在致裂过程中的应力和损伤演化进行有效监测。因此，为能够更加直观地监测致裂过程中岩体的微观力学行为和损伤演化过程，采用数值模拟与实验室试验相结合的方式研究高压电脉冲对岩体的致裂效果，并通过数值模拟来反映岩体内部的力学行为及损伤演化情况。在井下工程中岩体通常处在复杂的围岩应力状态下，为实现高压电脉冲岩体致裂技术在井下的应用，利用自主研发的高压电脉冲岩体致裂试验平台，开展不同初始应力条件下的岩体致裂试验，并基于LS-DYNA进行相关数值模拟研究，分析围岩应力对高压电脉冲致裂岩体的影响规律。该研究可为进一步实现煤矿井下高压电脉冲高效致裂坚硬岩体提供理论依据。基于液电效应的高压电脉冲致裂技术是一种新型的岩体致裂技术，具有安全高效、绿色环保、能量可控等特点，在煤矿井下围岩应力调控方面拥有广阔的应用前景。由于井下岩体往往处在较为复杂的应力环境，为深入研究该技术在井下不同围岩应力环境下对坚硬岩体的致裂效果，通过LS-DYNA软件对基于RHT损伤本构模型建立的岩石试样进行高压电脉冲岩体致裂数值模拟试验，对岩体内部的损伤和有效应力演化过程进行采集，分析岩体的致裂特征及其裂缝扩展机理，通过数值模拟弥补在室内试验中因放电过程快、电磁干扰大而导致的致裂过程中岩体内部难以有效监测的问题。利用自主研发的高压电脉冲岩体致裂试验平台，开展了不同围岩应力条件下的高压电脉冲岩体致裂试验，通过获得的岩体表面破裂特征验证数值模拟结果的可靠性。获得以下结论：①基于RHT本构模型建立了LS-DYNA高压电脉冲岩体致裂数值模型，根据炸药爆破与高压电脉冲的能量等效关系，构建了高压电脉冲数值模拟等效参数。通过实验室试验与数值模拟结果进行对比，验证了数值模型与等效参数的可靠性。
②对试样上表面裂纹扩展情况进行分析，发现裂纹会向最大压初始应力方向偏转。在此过程中，裂纹总长度先是逐渐减小。当所有裂纹与最大初始压应力夹角均小于45°时，裂纹总长度开始逐渐增大。
③通过数值模拟，发现在致裂初期，高压电脉冲放电产生的动态应力远大于围岩应力，对试样的破坏起主导作用。随着动态应力在传播过程中的快速衰减，初始围岩应力与动态应力的大小逐渐接近，并最终由初始围岩应力主导裂纹的萌生与扩展。
研究结果表明，围岩应力是决定岩体裂缝发育和扩展特征的重要因素，特别是对裂缝的扩展方向有显著影响，在采用高压电脉冲致裂技术对深部岩体进行致裂时，应考虑岩体所处应力状态，科学制定致裂方案，以实现对岩体的高效致裂。
图1 液电效应致裂技术示意
图2 静力加载分析模型
图3 试验方法流程
图4 高压电脉冲致裂试验装置示意
图5 电极结构示意
图6 上表面裂纹扩展情况
图7 4 kV、60μF下放电波形
图8 能量随时间变化曲线
图9 数值模型
图10 数值模型剖面
图11 上表面损伤累积情况
图12 区域划分
图13 不同应力条件下试样上表面的裂纹长度
图14 静态荷载下的环向应力云图
图15 孔壁处环向应力的理论值与模拟值
图16 部分时刻的有效应力及损伤累积云图
图17 孔壁所受有效应力随时间变化曲线
图18 Py=0时的损伤累积云图
郭军，男，1987年生，山西定襄人，中共党员，副研究员，硕士研究生导师。先后担任太原理工大学矿业工程学院地下工程系科研、教学秘书。兼任煤炭行业“遗煤资源科学开发”工程研究中心副主任，全国研究生教育评估监测专家库专家，山西省煤炭学会煤炭绿色开采委员会副秘书长，山西省煤炭学会常务理事，《采矿岩层控制工程学报》编委和《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》编委。主持和参与国家自然科学基金青年、重点和联合重点项目和中国博士后科学基金面上项目等省部级项目8项。先后发表国内外学术论文53篇，授权发明专利73项，登记软件著作权1项。获得2023年度山西省科学技术奖一等奖（排名2），2021年度中国煤炭工业科学技术奖一等奖、2018年度山西省科学技术奖一等奖，第二十一届中国专利优秀奖、第六届高校城市地下空间工程专业青年教师讲课大赛二等奖、第五届高校城市地下空间工程专业大学生模型设计竞赛一等奖、2023年山西省第九届“互联网+”创新创业大赛银奖。研究方向
主要成果
提出了基于液电效应的高压电脉冲岩体定向致裂技术，研发了真三轴应力作用下高压电脉冲破岩试验系统，阐明了不同电脉冲放电能量、电极结构和预制空孔作用下的岩体致裂机理；研发了中低应变率动静载耦合电液伺服试验机，探究了扰动幅值和频率对不同预静载作用下煤岩体强度特征、变形特性和裂隙发育扩展的影响规律，揭示了动静载耦合作用下煤岩体破裂失稳机理；开发了基于Rhino+Griddle+FLAC3D仿真模拟的支架承载特性本构模型，研发了MNZF0.2/0.55/0.84微型液压支架及测控系统，建立了覆岩“组合悬臂梁-砌体梁”结构力学模型，揭示了特厚煤层综放工作面支架与围岩的协同作用机理，给出了液压支架工作阻力的定量化计算方法。
来源：
郭军，米鑫程，冯国瑞，等. 基于液电效应的高压电脉冲岩体致裂特征及机理[J]. 煤炭学报，2024，49(5)：2270−2282.
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