[发明专利]一种真三轴围压下高压电脉冲破岩致裂装置及方法

说明书

本发明公开了一种真三轴围压下高压电脉冲破岩致裂装置及方法。所述装置包括真三轴围压加载系统和高压放电系统；真三轴围压加载系统包括液压油缸、油压控制箱、试样压板和压力机支撑架；高压脉冲放电系统包括储能柜、放电控制箱、电极、同轴电缆。本发明在真三轴围压条件下，施加不同大小、不同方向的压力，从而达到模拟在不同条件下试样的受力情况，具有一定的现实应用性。

技术领域

本发明涉及一种真三轴围压下高压电脉冲破岩致裂装置及方法，属于高压电脉冲破岩致裂领域。

背景技术

岩石的破碎是与人类密不可分的一项活动。在煤炭开采、煤层气抽采，石油开采等工程中，对岩体进行破碎，有利于资源的安全高效开采。在如今的工程建设中，岩石的破碎量越来越大，更为高效、环保、节能和安全的破碎方法是工程中不断追求的。

近年来，涌现出一批新兴的破岩技术：一类为机械能破碎岩石，包括超声波、高压水射流破碎等；另一类为热能破碎岩石，包括火钻、激光碎岩、热熔钻进、热熔岩技术等。而新式机械能破碎岩石中，可利用冲击载荷对岩石进行破碎，达到破碎岩石的效果。

高压电脉冲技术近年来受到国内外的关注，可以广泛应用于岩石开采、钻井、机械除垢、医疗等领域。而高压电脉冲破岩技术具有安全、高效的特点，具有很大的发展潜力。在电脉冲破岩机理中，当击穿电压上升时间小于500ns时，水的击穿场强大于岩石的击穿场强，在水为绝缘液时，岩石首先被击穿，达到破碎岩石的效果；在液电效应破岩机理中，水中的高压脉冲波以及气泡的产生与溃灭会对岩石造成损伤，达到破碎岩石的效果。

在煤矿开采过程中，坚硬厚层顶板条件下较大的悬顶，造成较大的应力集中，在坚硬顶板断裂破碎过程中或者滑移过程中，大量的弹性能突然释放，导致顶板型冲击矿压；或者在开采过程中煤柱停采和遗留煤柱形成的应力集中对下部煤层造成了很大的威胁，造成的应力集中传递到临近煤层，都有可能造成冲击矿压现象。传统采煤过程中顶板不能及时、规则的垮落，极易造成大面积悬顶的危害，导致发生冲击矿压，造成煤岩体振动和破坏、支架和设备的损坏、人员伤亡、巷道垮落破坏、导致瓦斯与煤尘爆炸，更严重的情况会造成地面建筑物破坏等。

发明内容

本发明旨在提供一种真三轴围压下高压电脉冲破岩致裂装置及方法。本发明提供的真三轴围压下高压电脉冲破岩致裂技术，可以应用到坚硬顶板和遗留煤柱因应力集中现象而造成冲击矿压的危害领域，可以做到更为安全、高效、定向的对岩石进行破损，从而减少煤矿事故的发生。

本发明提供了一种具有真三轴加载围压能力的高压电脉冲破岩致裂装置，包括真三轴围压加载系统和高压放电系统；真三轴围压加载系统包括液压油缸2、油压控制箱12、试样压板7和压力机支撑架；高压脉冲放电系统包括储能柜14、放电控制箱13、电极3、同轴电缆6。压力机支撑架包括压力机顶板1、压力机底板11和压力机立柱10。

压力机支撑架构成整个三轴试验压力机系统的大框架，压力机立柱连接压力机顶板和压力机底板，液压油缸固定在压力机支撑架上，且液压油缸上端与油压控制箱连接提供油压；下端和试样压板连接，给试样提供围压。同轴电缆将放电控制箱、储能柜、电极连接起来，并把电极安装在由不同配比制成的300mm×300mm×300m或500mm×500mm×500mm两种尺寸的立方水泥砂浆试样的孔洞中。高压电极的尖端部分和接地电极的尖端部分相对，高压电极固定在电极头部位置，接地电极由电极框架固定在电极的下部，电极框架连接电极头部与电极下端，且聚丙烯绝缘套环套在电极框在的外部。

本发明所指的试样电脉冲破碎是在真三轴围压条件下进行的，所以在对电极通电之前，将试样放置于三轴试验压力机，对试样进行三轴围压，用给定三轴围压值来模拟试样在岩体中所受到的真实的压应力。