[发明专利]监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的装置和方法

说明书

本发明公开了一种监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的装置和方法，属于高压电脉冲破岩致裂领域。该装置包括高压电源、传输电缆、电容器、输出柜、火花间隙开关、计算机、爆破测振仪、密封腔体、高压电脉冲电极可控角度装置；所述高压电脉冲电极可控角度装置包括电极头部、橡胶垫板、高压电极、接地电极、固定框架、可转动框架、刻度圆盘；高压电脉冲电极可控角度装置位于密封腔体内，可转动框架的中心位于密封腔体的中心位置。依据此监测装置，可以改变电极与竖直方向的角度，从而可以得到不同角度下的脉冲传播方向和能量变化，通过使用一个电极便可以实现在360°任意角度的监测，从而分析角度与脉冲的变化。

技术领域

本发明涉及一种监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的装置和方法，属于高压电脉冲破岩致裂领域。

背景技术

岩石的破碎是人类生活中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，对完成岩体进行破碎，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，破碎效率也要求不断的提高，更为高效、环保、节能和安全的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：分为机械能对岩石的破碎，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。

在采矿过程引起的应力集中问题中，目前比较成熟的解决方法有水压致裂法和钻孔爆破法。水压致裂因设备体积较大，所需水的流量大、高压情况下封孔困难等，导致采用水压致裂破岩效率较低；钻孔爆破技术需要使用化学炸药，在煤矿井下富有瓦斯的情况下，具有一定的风险，而爆破的碎岩方向不可控以及会产生大量的粉尘，导致钻孔爆破具有一定的局限性。而采用高压电脉冲致裂坚硬顶板的技术更加安全，可有效避免爆破引起的煤矿瓦斯爆炸问题，也避免水压致裂破岩的高压力问题，在更少的水流量下可以有效弱化坚硬顶板。研究高压电脉冲电极可控角度与脉冲指向性问题，可以达到有效致裂，从而可以更好地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危害问题，通过裂纹扩展和延伸方向能够有效控制，可以做到定向的对岩石进行破损，从而减少煤矿事故。

目前电脉冲破岩技术的研究大多处于理论研究阶段，很少在工程实际中应用，而电极角度引起的脉冲方向和能量变化的研究更少，距离大规模工业化应用仍有待深入研究。

发明内容

本发明旨在提供一种监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的装置和方法，研究了高压电脉冲电极可控角度冲击波的传播方向和能量变化关系。

本发明提供一种监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的装置，包括高压电源、传输电缆、电容器、输出柜、火花间隙开关、计算机、爆破测振仪、密封腔体、高压电脉冲电极可控角度装置；高压电脉冲电极可控角度装置位于密封腔体内，传输电缆依次将高压电源、电容器、输出柜、火花间隙开关、高压电脉冲电极可控角度装置和计算机连接起来。