基于液电效应的高压电脉冲岩体致裂特征及机理
郭军1
米鑫程2
冯国瑞3
白锦文1
文晓泽2
朱林俊2
王子2
皇文博2
1.太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024;矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室,山西太原 030024;山西焦煤集团有限责任公司,山西太原 0300242.太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024;矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室,山西太原 0300243.太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024;矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室,山西太原 030024;山西浙大新材料与化工研究院,山西太原 030024
摘要：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.
关键词：岩体致裂液电效应高压电脉冲围岩应力LS-DYNA
分类号：TD315(矿山压力与支护)
资助基金：国家自然科学基金(51925402)山西省基础研究计划自然科学研究面上资助项目(202303021211062)国家自然科学基金(52334005)
论文发表日期：2024-05-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：13( 2270-2282 )
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