摘要
高压电脉冲破岩在高温等离子弧的作用下，产生的热应力超过岩石的强度极限时就会使岩石破碎，其破碎坚硬岩石有显著效果。为研究电压、岩石矿物成分、孔隙率3个参数对岩石内电场强度分布的影响，本文基于Selfrag高压电脉冲破岩的试验数据，利用COMSOL Multiphysics仿真软件建立了一种针针电极结构仿真模型。结果表明，施加的电压不同，岩石内部电场强度分布不同；电场在不同矿物成分边界发生畸变，不同矿物成分相对介电常数变化越大，产生畸变越明显，高压电脉冲破碎优先发生在不同矿物成分的接触面；岩石内孔隙的存在，使其周围的电场发生了畸变，其他参数一定，孔隙率越大，岩石越容易被电击穿。研究结论可为高压电脉冲钻井破岩参数的选取提供参考。
脉冲功率技术是20世纪60年代开始发展起来的一个交叉学科的新兴技术。它是一种以较低的功率储存一定的能量，然后将能量以高功率密度的方式变换为脉冲能量的技术，它是应用物理学以及高电压技术相融合的产
国内外学者对高压电脉冲技术进行了广泛研究，在利用高压电脉冲破岩技术进行岩石开
目前关于高压电脉冲破岩的影响因素已经有了大量的试验及仿真模拟研究，相比之下，两者相结合研究其影响因素的较少。本文基于Selfrag高压电脉冲破岩的试验参数，利用COMSOL Multiphysics仿真软件建立了一种针针电极结构仿真模型，将电场强度作为表征指标，数值越高，说明越容易实现电击穿破碎。研究了电压、岩石矿物成分和孔隙率3个参数对岩石内电场强度分布的影响，从而可为高压电脉冲钻井破岩参数的选取提供参考。
由于高压电脉冲放电时的瞬时性、不可见性，目前还没有合适统一的物理数学模型来描述高压电脉冲破岩过
图1 高压电脉冲破岩机理
Fig.1 Rock breaking mechanism of high voltage electric pulse
电场强度出现在介电常数和电导率差异很大的2种矿物相的边界上。表面导电矿物的存在扭曲了整个粒子的电场分布，改变了击穿路径和模式，进而影响了破裂结果。基于此，Selfrag高压脉冲选择性碎样仪利用冲击电压发生器激发的高功率电脉冲对固体物质进行放电，使固体破碎和分离。此破碎方法的优势在于，优先破裂面是不同物相的边界，其次是矿物的解理和裂理，最后才是随机的破裂。当物相之间的介电常数相差很大时，优势更明显。Selfrag高压脉冲选择性碎样仪在地球科学领域也有应用，可将云母、独居石、石英等矿石充分破碎，且根据矿物质不同，完全分解出不同成分的矿物质，为从混合矿物质中分选单矿物质提供了有效途径。
脉冲放电发生器装备有电容和放电开关，可产生200 kV的高压脉冲和22 kA的脉冲电流。操作面板用于显示放电破岩过程中放电参数状态和控制放电破岩过程参数，可根据试验要求，设定脉冲工作电压（90~200 kV）、脉冲频率（1~5 Hz）、电极间距（10~40 mm）等工作参数。高压工作电极部分如
图2 高压工作电极部分
Fig.2 High voltage working electrode
采用Selfrag进行放电碎岩试验，选择的破碎对象为花岗岩，绝缘介质为自来水，如
图3 花岗岩样品
Fig.3 Granite samples
Selfrag高压电脉冲碎岩试验过程中设定电压峰值130 kV（监测峰值124 kV），脉冲频率5 Hz，电极间距15 mm，总放电能量689 J。
图4 破碎后的花岗岩粗颗粒
Fig.4 Coarse grains of broken granite
图5 破碎的细微矿渣
Fig.5 Broken fine slag
高压电脉冲破碎岩石是在多物理场耦合的环境下进行的，在破岩过程中，由于岩石内部成分的复杂性，岩石内部孔隙的影响，故采用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics进行仿真分析。根据放电松弛理论，岩石的放电松弛时间远大于外部放电时间，岩石可以被看作是一个绝热材料，可采用COMSOL中的AC/DC模块中的静电接口对高压电脉冲破岩过程进行数值仿真，岩石空间电场强度分布满足静电场的高斯定理。其方程微分形式可用下式表示：
| （1） |
式中：——电场强度，kV/mm；——电压，kV；——真空中电场强度，kV/mm，空间中电场密度，J/m
基于Selfrag高压电脉冲放电破岩的试验数据，模拟中电压参数范围为90~200 kV；电极结构采用针针电极，正负电极尺寸为Ø3 mm圆柱，间距为15 mm，电极材料选取不锈钢，在一端电极上施加脉冲电压，另一端电极进行接地处理；液体介质为水，相对介电常数为81；岩石为花岗岩，岩石厚度为15 mm，相对介电常数为6.5，孔隙率为0.8%。建立模型如
图6 建立仿真模拟几何模型
Fig.6 Simulation geometrical model
图7 四面体网格
Fig.7 Tetrahedral mesh
使用COMSOL求解器的默认选项，运行仿真并计算结果。
在高压电脉冲破碎岩石过程中，脉冲电压大小对岩石的破碎起到关键作用。在模拟中，岩石材料定义为花岗岩，液体介质为水，分别对脉冲电压为90、130、200 kV进行模拟分析。
图8 不同脉冲电压下花岗岩内部电场密度分布
Fig.8 Distribution of electric field density in granite at different voltages
从固体介质的电击穿理论可知，固体的电击穿与电压作用下固体内部的电场强度大小和分布有着密切相关的关系，且固体内部电场强度的大小与电压作用于固体内部电场能量密切相关。随着施加电压的增大，岩石内最大电场强度增大，岩石内磁通量密度增大，电击穿概率越大，破碎效率也就越高。当施加130 kV电压参数时，完全形成等离子通道，在水溶液中，可以对15 mm厚度花岗岩进行有效破碎。
为了研究不同岩石矿物成分对高压电脉冲破岩的影响，仿真模拟时施加电压130 kV，液体介质为水，定义了3种不同矿物成分（如
图9 矿物成分对电场强度分布的影响
Fig.9 Effect of different mineral composition on electric field intensity distribution
为研究岩石内孔隙对高压电脉冲破岩的影响，本模型将岩石内孔隙放大，设定为Ø1 mm的球体，岩石为10 mm×10 mm×10 mm正方体。模型内球体为空气材料，岩石材料为长石，相对介电常数为6.5，施加电压参数为130 kV。
图10 单一孔隙影响下岩石内电场强度分布云图
Fig.10 Distribution of electric field intensity in rock under the influence of a single pore
图11 孔隙个数对岩石内部电场强度的影响
Fig.11 Influence of the number of pores on the electric field strength in rock
（1）施加不同电压参数，岩石内部电场强度分布不同，随着施加电压的增大，岩石内部最大电场强度增大。当加载130 kV电压时，在水溶液中，可有效对15 mm厚花岗岩进行破碎。
（2）电场在不同矿物成分边界发生畸变，不同矿物成分相对介电常数变化越大，产生畸变越明显。高压电脉冲破碎优先发生在不同矿物成分的接触面，根据岩石内矿物质不同，可以分解出不同成分的矿物质。
（3）岩石的孔隙率对高压电脉冲破岩有较大影响，岩石内孔隙的存在，使其周围的电场发生了畸变，其他参数不变，孔隙率越大，岩石内最大电场强度增大，随着孔隙率的增大而趋于一个稳定值。
（4）目前设计的电脉冲钻机或原理性样机采用的高压脉冲电源设置在地面，深井及超深井电脉冲破岩钻进中电能在传输过程中损失严重，需采用井下动力发电并将利用半导体技术，将脉冲功率电源和供电电源设计安装在井下，可减小能量传输过程中的损失。
（5）在大断面硬岩隧道掘进方面，传统的钻爆法开挖及全断面硬岩掘进（TBM）存在成本高、对地质条件要求较为严格等缺陷。因此在深井、超深井钻进及隧道快速开挖掘进施工方面需要研发新型破岩钻进技术，高压电脉冲钻进是具有潜力、接近工业化应用的一种新型破岩钻进方法。
参考文献（References）
刘锡三.高脉冲功率技术［M］.北京：国防工业出版社，2005. [百度学术]
LIU Xisan. High Pulsed Power Technology［M］. Beijing： National Defense Industry Press， 2005. [百度学术]
曾正中.实用脉冲功率技术引论［M］.西安：陕西科学技术出版社，2003. [百度学术]
ZENG Zhengzhong. Introduction to Practical Pulse Power Technology［M］. Xi’an： Shaanxi Science and Technology Press， 2003. [百度学术]
江伟华.脉冲功率系统的原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2008. [百度学术]
JIANG Weihua. Pulsed Power Systems Principles and Applications［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 2008. [百度学术]
Bluhm H， Frey W， Giese H， et al. Application of pulsed HV discharges to material fragmentation and recycling［J］. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation， 2000，7（5）：625-636. [百度学术]
Bluhm H. Pulsed Power Systems［M］. Berlin Germany： Springer‑Verlag Berlin Heidelberg， 2006. [百度学术]
马瑞,周世生,胡燕川,等.水中丝爆等离子体破岩机理研究[J].探矿工程（岩土钻掘工程）,2019,46(11):1-7. [百度学术]
MA Rui, ZHOU Shisheng, HU Yanchuan, et al. Rock breaking mechanism of underwater wire explosion plasma[J]. Eploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 2019,46(11):1-7. [百度学术]
Yan F Z， Lin B Q， Zhu C J， et al. Using high‑voltage electrical pulses to crush coal in an air environment： An experimental study［J］. Powder Technology， 2016，298：50-56. [百度学术]
Andres U， Timoshkin I， Jirestig J， et al. Liberation of valuable inclusions in ores and slags by electrical pulses［J］. Powder Technology， 2001，114（1/3）：40-50. [百度学术]
Shi F， Zuo W， Manlapig E. Pre‑concentration of copper ores by high voltage pulses. Part 1： Principle and major findings［J］. Minerals Engineering， 2015，79：306-314. [百度学术]
Duan L C， Diao Z J， Zhao Y M， et al. Liberation of valuable materials in waste printed circuit boards by high‑voltage electrical pulses［J］. Minerals Engineering， 2015，70：170-177. [百度学术]
Touze S， Bru K， Menard Y， et al. Electrical fragmentation applied to the recycling of concrete waste—Effect on aggregate liberation［J］. International Journal of Mineral Processing，2017，158：68-75. [百度学术]
Timoshkin I V， Mackersie J W， Macgregor S J. Plasma channel miniature hole drilling technology［J］. Transactions on Plasma Science， 2004，32（5）：2055-2061. [百度学术]
Andres U， Timoshkin I， Soloviev M. Energy consumption and liberation of minerals in explosive electrical breakdown of ores［J］. Mineral Processing and Extractive Metallurgy， 2001，110（3）：149-157. [百度学术]
Andres U， Jirestig J， Timoshkin I. Liberation of minerals by high‑voltage electrical pulses［J］. Powder Technol， 1999，144：37-49. [百度学术]
Wang Eric， Shi Fengnian， Emmy Manlapig. Experimental and numerical studies of selective fragmentation of mineral ores in electrical comminution［J］. International Journal of Mineral Processing， 2012，112-113：30-36. [百度学术]
Razavian S M， Rezai B， Irannajad M， et al. Numerical simulation of high voltage electric pulse comminution of phosphate ore［J］. International Journal of Mining Science and Technology， 2015，25（3）：473-478. [百度学术]
Li C P， Duan L C， Tan S C， et al. An electro breakdown damage model for granite and simulation of deep drilling by high‑voltage electropulse boring［J］. Shock and Vibration， 2019：680-692. [百度学术]
Li H A， Zhang B B. Simulation study on dielectric materials broken by high voltage discharge［J］. Journal of Nanjing University of Science and Technology， 2019，43（3）：320-325. [百度学术]
Lisitsyn I V， Inoue H. Use of inductive energy storage for electric pulse destruction of solid materials［J］. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation， 1999，6（1）：105-108. [百度学术]
Kurets V I， Lopatin V V， Noskov M D. Influence of local heterogeneities on discharge channel trajectory at electric pulse destruction of materials［J］. Journal of Mining Science， 2000，36（3）：268-274. [百度学术]
Andres U. Development and prospects of mineral liberation by electrical pulses［J］. International Journal of Mineral Processing， 2010，97（1）：31-38. [百度学术]
Yan F Z， Lin B Q， Zhu C J， et al. Using high‑voltage electrical pulses to crush coal in an air environment： An experimental study［J］. Powder Technology， 2016，298：50-56. [百度学术]
Cho S H， Yokota M， Ito M， et al. Electrical disintegration and micro‑focus X‑ray CT observations of cement paste samples with dispersed mineral particles［J］. Minerals Engineering， 2014，57：79-85. [百度学术]
Li C P， Duan L C， Tan S C， et al. Damage model and numerical experiment of high‑voltage electro pulse boring in granite［J］. Energies， 2019，12（4）：727-736. [百度学术]
