考虑多场耦合高压电脉冲作用下岩体破碎响应

摘要

基于电学理论、热学理论和力学理论建立高压电脉冲作用下岩体破碎多物理场耦合数值模型，提出一种考虑电击穿的电–热–力耦合数值模型揭示岩体在高压电脉冲下的破碎过程。利用随机分布模型模拟岩体中可能出现的导体矿物颗粒，综合分析电击穿过程中等离子体通道的形成规律。与现场试验进行对比，验证该数值模型的准确性。计算结果表明：击穿场强是主导等离子体通道形成的关键因素。岩体在高压电脉冲作用下的破碎过程可分为3个阶段，等离子体通道初步形成阶段、等离子体通道扩展阶段和等离子体通道形成阶段。在等离子体通道形成前，通道处的温度保持在500 K左右，应力达到10^–2MPa左右；当等离子体通道形成时，温度和应力会在短时间内剧增，温度达到10～3 K，应力达到10 MPa。在电脉冲持续作用下，等离子体通道处的温度和应力持续增加。当最大应力超过岩体的临界应力强度后，岩体将发生破碎；同时通道也会继续分支扩展，更大范围地对岩体造成破坏。导体矿物颗粒会引导等离子体通道的形成，颗粒分布越密，对通道的形成越有利。脉冲电压到达峰值的时间越长，岩体的破坏速率相对越快。数值模型的计算结果有助于加深对高压电脉冲过程中岩体破碎过程的理解。

关键词

高压电脉冲 / 电–热–力耦合 / 导体矿物颗粒 / 等离子体通道 / 岩体破碎