CN113565439B - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113565439B CN113565439B CN202110793083.4A CN202110793083A CN113565439B CN 113565439 B CN113565439 B CN 113565439B CN 202110793083 A CN202110793083 A CN 202110793083A CN 113565439 B CN113565439 B CN 113565439B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrode
- angle
- cavity
- frame
- voltage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000005422 blasting Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 14
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 33
- 238000004880 explosion Methods 0.000 claims description 20
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims description 17
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 14
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 6
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 5
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 5
- -1 polypropylene Polymers 0.000 claims description 5
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 5
- 239000008399 tap water Substances 0.000 claims description 5
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 claims description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 5
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 4
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 claims description 3
- 229910052602 gypsum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010440 gypsum Substances 0.000 claims description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 3
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 abstract description 32
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 14
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 6
- 238000011160 research Methods 0.000 description 6
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000012943 hotmelt Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 239000002817 coal dust Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
- E21B7/14—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling
- E21B7/15—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling of electrically generated heat
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B12/00—Accessories for drilling tools
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B41/00—Equipment or details not covered by groups E21B15/00 - E21B40/00
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Geology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
- Disintegrating Or Milling (AREA)
Abstract
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。
Description
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。
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、聚丙烯绝缘套环、刻度圆盘组成；橡胶垫板放置在电极头部的下端，通过绝缘螺栓将两者固定起来；
橡胶垫板下方连接固定框架，固定框架包括两块竖板和两块横向板，竖板上端与电极头部采用焊接方式连接，使固定框架达到稳定。
可转动框架为环形结构，可转动框架设置在固定框架的中部，通过螺栓与固定框架的横向板连接，二者连接处设有刻度圆盘；高压电极和接地电极分别固定在可转动框架的上下两端，聚丙烯绝缘套环密闭包裹在高压电极、接地电极的外表面，仅裸露出一小部分电极尖端即可。
为了使得可转动框架和固定框架连接且固定，可转动框架的中心位置与固定框架的横向板对应钻取螺纹孔，用绝缘螺栓和橡胶垫板把可转动框架与固定框架固定起来。将绝缘螺栓旋入固定框架和可转动框架的对应螺纹孔中，拧紧后达到固定的效果。
固定框架与可转动框架连接位置装有刻度圆盘，刻度圆盘与固定框架焊接在一起，固定框架的横向板焊接在刻度圆盘的中心位置，且两者中心线保持一致；可转动框架与刻度圆盘接触处，在可转动框架中心位置刻有一条指针刻度线，指针刻度线与刻度圆盘的中心线（0刻度线）对应，转动时通过指针刻度线与刻度圆盘的指向来确定旋转的角度。可转动框架以绝缘螺栓中心线所在直线为中心轴进行旋转。
在进行角度调整时，首先将连接固定框架与可转动框架的绝缘螺栓松动，但保证绝缘螺栓不会从框架脱落，松开使可转动框架能进行旋转即可。调整可转动框架，通过观察可转动框架上的刻度线与刻度圆盘的指向来确定电极放电通道与竖直方向的夹角，从而得到试验所要的角度。
密封腔体由厚层钢板组装制作而成，其盖板带有橡胶垫板。对密封腔体做加固处理，四周及底部由水性乳胶涂抹，确保腔体密封性能良好。为增加抗冲击能力，确保盖板与腔体壁紧密连接，四周腔体壁边缘每边钻取三个用来固定盖板的螺纹，通过螺丝钉固定盖板和腔体。避免后续试验因冲击而造成漏液、漏电现象造成实验人员受伤。
电极，其特征在于：将密封腔体盖板中心钻孔，钻孔大小与电极固定框架所成圆的大小相对应。将电极头部以下的部分从钻孔插入，且电极头部上下左右四个方向与盖板重合的部分也进行钻孔，用螺栓将电极头部和盖板进行固定。可控角度电极装置固定好后，可转动框架的中心应位于密封腔体的中心位置。
进一步地，高压电极与接地电极两部分之间的距离可以调整，两电极间隙可取5mm-15mm之间进行测试，可转动框架可以进行旋转来带动电极转动，从而达到可控角度的作用；
可转动框架与固定框架之间由绝缘螺母连接，且在固定框架上有一固定的刻度圆盘，对可转动框架进行旋转，在可转动框架的中心位置有一刻度线，通过观察刻度线在刻度圆盘的指向来确定电极对应竖直方向的夹角。两个框架之间采用绝缘螺母进行固定，避免因为在脉冲放电过程中产生强大的冲击波而造成电极不可控的旋转。固定框架与刻度圆盘采用焊接手段进行固定，刻度圆盘的0刻度线与固定框架的竖板的中心线对齐，且可转动框架位于0°时指针刻度线与刻度圆盘的0刻度线对齐，刻度圆盘的存在可以精确的研究脉冲能量、方向与电极放电通道的角度是否相关；
采用爆破测振仪，该测振仪具有量程自适应功能，无需设置量程。监测x、y、z三个方向振动值，通过振动速度来分析冲击波传播方向的变化。对振动信号进行EEMD分解，可以获得IMF分量，从而分解出不同频段的振动信号。分析得出x、y、z三个方向的优势频段和能量分布，分析角度变化下与能量分布和振动速度是否相关；
在上述的密封腔体中注入导电液体，可使用不同类型的溶液，如自来水、不同浓度的NaCl溶液、不同浓度的CaCl2溶液、不同浓度的AlCl3溶液等； 三种导电液体浓度可取1mol/L、1.5mol/L、2mol/L、3mol/L、5mol/L五种梯度进行测试；
所述密封腔体，其腔体体积大小为300mm×300mm×300mm 、400mm×400mm×400mm或500mm×500mm×500mm，由于放电瞬间会产生很强烈的冲击波和高温，需要对盛放导电液体的腔体进行加固处理，防止因破裂导致的漏水、漏电现象。
本发明所指的电极部分由针—板电极组合而成，且与电极装置连接的是可转动框架，两者组合成为可旋转角度的电极结构，改变以往液电效应破岩电极装置比较固定的模式，在满足传统电极间距可调、放电中心距岩石表面距离可调等基础条件，增加了两电极之间放电通道与竖直方向角度可控的特点。
放入电极的孔洞由台钻机从密封腔体盖板中心钻孔，钻孔大小取决于电极头部的大小，将密封腔体内注入导电液体，导电液体在选用时考虑绿色安全、来源广泛、性价比等方面，选用自来水作为导电液体，自来水是目前考虑到实际应用环境中最具有实用性的。而在研究时，可以考虑更换不同的导电液体，进行监测不同的导电液体在放电过程中产生的脉冲能量的大小，从而分析出可用于破岩的最佳导电液体，使得破损效果更加有利。
两电极连接产生的冲击波是破碎岩石的关键，而放电通道由两电极之间的距离决定，在研究时可以通过更改两电极之间的距离来实现释放的脉冲能量大小，进行监测分析，从而得出最佳电极间距。
当两电极在密封腔体内被导通时，两电极接通产生冲击波可以通过爆破测振仪来进行采集、分析，研究在导电液体条件下，不同电极角度的脉冲传播方向和能量大小，从而探索电极角度的变化与冲击波传播方向的关系。
本发明提供了一种监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的方法，包括以下步骤：
a、本监测装置采用两台爆破测振仪进行监测，两台爆破测振仪分别粘贴在密封腔体内两个不同的侧壁上，爆破测振仪粘贴高度与电极中心距离水平高度相平，分别粘贴在腔体的横纵面上，x方向为垂直于腔体上下顶板，y方向为平行于腔体顶板，z方向为垂直于腔壁。爆破测振仪与腔体壁面采用石膏耦合的方式，提高测量效果。
b、将密封腔体内部注入导电液体，密封腔体体积由自行设计，可取体积大小为300mm×300mm×300mm 、400mm×400mm×400mm 、500mm×500mm×500mm等，电极总长度由密封腔体的体积决定，其范围可在150mm-300mm之间。为保证监测的准确性，导电液体加至距离腔体顶板80mm处停止加入。为了排除其他外部干扰，尽可能控制加入导电液体时的温度为恒定值。
c、电极框架旋转角度监测范围可采取0°-90°之间，探索电极角度与脉冲能量和方向的关系时，可以选择电极通道与刻度圆盘夹角的角度为0°、15°、30°、45°、60°、90°进行探索。首先将电极角度固定在0°进行放电监测，通过旋转可转动框架来观察刻度线与刻度圆盘的夹角。
d、取腔体盖板，采用台钻机在盖板中心位置钻孔，钻孔孔径的大小取决于采用的电极头部的直径，孔径应与电极头部直径相匹配，避免由于间隙造成导电液体的泄露。把电极从钻孔中心插入，且通过螺母来固定电极头部与盖板的稳定性。确保电极头部的橡胶圆圈与盖板钻孔边缘密切接触，且没有间隙，保证实验过程中没有液体泄漏。
e、把确定好角度的电极通过螺母固定在腔体盖板上，把腔体四周的螺纹也用螺丝固定，并用橡胶垫板来加固密封性能，保证密封腔体的的密闭性。
f、把各个系统部分的装置如图1连接起来，启动爆破测振仪，接入电压，采集在0°下的x、y、z三个方向的振动信号，并将采集的信号用Datademon软件进行分析，根据EEMD分解，可以将冲击波作用下爆破测振仪采集到的振动信号从高到低进行分解，形成多个本征模态函数：
式中：
为原始信号；
i为加入噪声次数；
j(j=1,2,3···n)为IMF的顺序编号；
其分解结果为：
则真实信号
可以分解为多个IMF分量与残余变量之和。公式表示为：
从而得到IMF分量，探索不同频段的振动信号是否与角度相关。
g、重复上述a-f过程，调整电极角度，探索在15°、30°、45°、60°、90°情况下采集到的信号，分析脉冲分布是否与角度有关。
本发明的有益效果：
（1）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；
（2）通过此装置，还可以监测脉冲能量的变化大小在角度的变化、电极间距、导电液体三者变量之间的关系，从而可以得出一个最佳的固定数值，便于运用在工程领域中。
（3）若角度改变与脉冲的方向和能量相关，则合适的电极角度可以有效解决煤矿开采过程中的坚硬顶板和遗留煤柱造成的应力集中问题，对岩块进行脉冲作用，达到有效致裂，从而缓解应力集中导致的冲击矿压的灾害。
附图说明
图1是本发明的高压电脉冲作用测试系统装置图；
图2是本发明实例中爆破测振仪在密封腔体壁的粘贴位置示意图；
图3为图2的俯视图；
图4是本发明高压电脉冲电极可控角度装置的结构图；
图5为图4的侧面图；
图6是电极旋转45°后的示意图；
图7是电极头部与腔体盖板固定连接图；
图8为图7的俯视图。
图中：1是第一爆破测振仪，2是电极头部，3是橡胶垫板，4是计算机，5是火花间隙开关，6是传输电缆，7是高压电源，8是电容器，9是输出柜，10是第二爆破测振仪，11是密封腔体、12是固定框架，13是聚丙烯绝缘套环， 14是高压电极，15是刻度圆盘，16是可转动框架，17是接地电极，18绝缘螺栓，19是指针刻度线，20是密封腔体盖板，21是密封腔体螺丝钉。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例：
如图1~8所示，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7、传输电缆6、电容器8、输出柜9、火花间隙开关5、计算机4、爆破测振仪、密封腔体11、高压电脉冲电极可控角度装置；传输电缆6依次将高压电源7、电容器8、输出柜9、火花间隙开关5、高压电脉冲电极可控角度装置和计算机4连接起来；
所述高压电脉冲电极可控角度装置包括电极头部2、橡胶垫板3、高压电极14、接地电极17、固定框架12、可转动框架16、刻度圆盘15；高压电脉冲电极可控角度装置位于密封腔体11内，可转动框架16的中心位于密封腔体11的中心位置；橡胶垫板3放置在电极头部2的下端，通过绝缘螺栓18将两者固定起来；橡胶垫板3下方连接固定框架12，固定框架12包括两块竖板和两块横向板，竖板上端与电极头部2采用焊接方式连接，使固定框架12达到稳定；可转动框架16为环形结构，可转动框架16设置在固定框架12的中部，通过螺栓与固定框架的横向板连接，二者连接处设有刻度圆盘15；可转动框架16与刻度圆盘15接触处，在可转动框架中心位置刻有一条指针刻度线19，指针刻度线19与刻度圆盘的中心线（刻度圆盘的0刻度线）对应，转动时通过指针刻度线19与刻度圆盘15的指向来确定旋转的角度；高压电极14和接地电极17分别固定在可转动框架的上下两端。
上述装置中，可转动框架16的中心位置与固定框架12的横向板对应钻取螺纹孔，用绝缘螺栓和橡胶垫板把可转动框架与固定框架固定起来；将绝缘螺栓旋入固定框架和可转动框架的对应螺纹孔中，拧紧后达到固定的效果。
上述装置中，固定框架12与可转动框架16连接位置装有刻度圆盘15，刻度圆盘与固定框架焊接在一起，固定框架的横向板焊接在刻度圆盘的中心位置，且两者中心线保持一致。
上述装置中，密封腔体11由厚层钢板组装制作而成，其盖板带有橡胶垫板。对密封腔体做加固处理，四周及底部由水性乳胶涂抹，确保腔体密封性能良好；四周腔体壁边缘每边钻取三个用来固定盖板的螺纹，两端的螺纹孔距边缘100mm，螺纹相互之间距离150mm。
上述装置中，所述密封腔体11盖板中心钻孔，钻孔大小与电极固定框架所成圆的大小相对应。将电极头部以下的部分从钻孔插入，且电极头部上下左右四个方向与盖板重合的部分也进行钻孔，用螺栓将电极头部和盖板进行固定。
上述装置中，所述密封腔体11中注有导电液体，密封腔体体积为500mm×500mm×500mm。
上述装置中，电极部分由针—板电极组合而成，电极总长度由密封腔体的体积决定，取电极总长度为300mm，高压电极与接地电极两部分之间的距离为10mm；在高压电极、接地电极的外表面密闭包裹聚丙烯绝缘套环，仅裸露出一小部分电极尖端。
本发明提供了一种监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的方法，采用上述装置，当两电极在密封腔体内被导通时，两电极接通产生冲击波可以通过爆破测振仪来进行采集、分析，研究在导电液体条件下，不同电极角度的脉冲传播方向和能量大小，从而探索电极角度的变化与冲击波传播方向的关系。
上述方法具体包括以下步骤：
a、本监测装置采用两台爆破测振仪进行监测，两台爆破测振仪分别粘贴在密封腔体内两个不同的侧壁上，爆破测振仪粘贴高度与电极中心距离水平高度相平，分别粘贴在腔体的横纵面上，x方向为垂直于腔体上下顶板，y方向为平行于腔体顶板，z方向为垂直于腔壁。爆破测振仪与腔体壁面采用石膏耦合的方式，提高测量效果。
b、将密封腔体内部注入导电液体，密封腔体体积由自行设计，取体积大小为500mm×500mm×500mm，电极总长度由密封腔体的体积决定，取电极总长度为300mm，电极间距取10mm。为保证监测的准确性，导电液体加至距离腔体顶板80mm处停止加入。为了排除其他外部干扰，尽可能控制加入导电液体时的温度为恒定值。
c、电极框架旋转角度监测范围可采取0°-90°之间，探索电极角度与脉冲能量和方向的关系时，可以选择电极通道与刻度圆盘夹角的角度为0°、15°、30°、45°、60°、90°进行探索。首先将电极角度固定在0°进行放电监测，通过旋转可转动框架来观察刻度线与刻度圆盘的夹角。
d、取腔体盖板，采用台钻机在盖板中心位置钻孔，钻孔孔径的大小取决于采用的电极头部的直径，孔径应与电极头部直径相匹配，避免由于间隙造成导电液体的泄露。把电极从钻孔中心插入，且通过螺母来固定电极头部与盖板的稳定性。确保电极头部的橡胶圆圈与盖板钻孔边缘密切接触，且没有间隙，保证实验过程中没有液体泄漏。
e、把确定好角度的电极通过螺母固定在腔体盖板上，把腔体四周的螺纹也用螺丝固定，并用橡胶垫板来加固密封性能，保证密封腔体的的密闭性。
f、把各个系统部分的装置如图1连接起来，启动爆破测振仪，接入电压，采集在0°下的x、y、z三个方向的振动信号，并将采集的信号用Datademon软件进行分析，根据EEMD分解，将冲击波作用下爆破测振仪采集到的振动信号从高到低进行分解，形成多个本征模态函数：
式中：
为原始信号；
i为加入噪声次数；
j(j=1,2,3···n)为IMF的顺序编号；
其分解结果为：
则真实信号
可以分解为多个IMF分量与残余变量之和。公式表示为：
从而得到IMF分量，探索不同频段的振动信号是否与角度相关。
g、重复上述a-f过程，调整电极角度，探索在15°、30°、45°、60°、90°情况下采集到的信号，分析脉冲分布是否与角度有关。
上述方法中，导电液体选用自来水进行试验。
Claims (8)
1.一种监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的方法，其特征在于：当两电极在密封腔体内被导通时，两电极接通产生冲击波可以通过爆破测振仪来进行采集、分析，研究在导电液体条件下，不同电极角度的脉冲传播方向和能量大小，从而探索电极角度的变化与冲击波传播方向的关系；
实施上述方法采用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，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；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；
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；橡胶垫板放置在电极头部的下端，通过绝缘螺栓将两者固定起来；橡胶垫板下方连接固定框架，固定框架包括两块竖板和两块横向板，竖板上端与电极头部采用焊接方式连接，使固定框架达到稳定；可转动框架为环形结构，可转动框架设置在固定框架的中部，通过螺栓与固定框架的横向板连接，二者连接处设有刻度圆盘；可转动框架与刻度圆盘接触处，在可转动框架中心位置刻有一条指针刻度线，指针刻度线与刻度圆盘的中心线对应，转动时通过指针刻度线与刻度圆盘的指向来确定旋转的角度；高压电极和接地电极分别固定在可转动框架的上下两端；
所述的监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的方法，包括以下步骤：
a、监测装置采用两台爆破测振仪进行监测，两台爆破测振仪分别粘贴在密封腔体内两个不同的侧壁上，爆破测振仪粘贴高度与电极中心距离水平高度相平，分别粘贴在腔体的横纵面上，x方向为垂直于腔体上下顶板，y方向为平行于腔体顶板，z方向为垂直于腔壁；爆破测振仪与腔体壁面采用石膏耦合的方式，提高测量效果；
b、将密封腔体内部注入导电液体；为保证监测的准确性，导电液体加至距离腔体顶板80mm处停止加入；控制加入导电液体时的温度为恒定值；
c、电极框架旋转角度监测范围取0°-90°之间，探索电极角度与脉冲能量和方向的关系时，选择电极通道与刻度圆盘夹角的角度为0°、15°、30°、45°、60°、90°进行探索；首先将电极角度固定在0°进行放电监测，通过旋转可转动框架来观察刻度线与刻度圆盘的夹角：在进行角度调整时，首先将连接固定框架与可转动框架的绝缘螺栓松动，但保证绝缘螺栓不会从框架脱落，松开使可转动框架能进行旋转即可；调整可转动框架，通过观察可转动框架上的指针刻度线与刻度圆盘的指向来确定电极放电通道与竖直方向的夹角，从而得到试验所要的角度；
d、取密封腔体盖板，采用台钻机在盖板中心位置钻孔，钻孔孔径的大小取决于采用的电极头部的直径，孔径应与电极头部直径相匹配，避免由于间隙造成导电液体的泄露；把电极从钻孔中心插入，且通过螺母来固定电极头部与盖板的稳定性；
e、把确定好角度的电极通过螺母固定在腔体盖板上，把腔体四周的螺纹也用螺丝固定，并用橡胶垫板来加固密封性能，保证密封腔体的的密闭性；
f、把各个部件连接起来，启动爆破测振仪，接入电压，采集在0°下的x、y、z三个方向的振动信号，并将采集的信号用Datademon软件进行分析，根据EEMD分解，将冲击波作用下爆破测振仪采集到的振动信号从高到低进行分解，形成多个本征模态函数：
式中：St(t)为原始信号；
Rj，t(t)为残余量；
i为加入噪声次数；
j为IMF的顺序编号，j＝1,2,3···n；
其分解结果为：
则真实信号S(τ)可以分解为多个IMF分量与残余变量之和；公式表示为：
从而得到IMF分量，探索不同频段的振动信号是否与角度相关；
g、重复上述a-f过程，调整电极角度，探索在15°、30°、45°、60°、90°情况下采集到的信号，分析脉冲分布是否与角度有关。
2.根据权利要求1所述的监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的方法，其特征在于：导电液体，包括自来水或其他导电溶液，其他导电溶液包括NaCl溶液、CaCl2溶液、AlCl3溶液中的一种，其他导电溶液的浓度为1mol/L、1.5mol/L、2mol/L、3mol/L或5mol/L。
3.根据权利要求1所述的监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的方法，其特征在于：可转动框架的中心位置与固定框架的横向板对应钻取螺纹孔，用绝缘螺栓和橡胶垫板把可转动框架与固定框架固定起来；将绝缘螺栓旋入固定框架和可转动框架的对应螺纹孔中，拧紧后达到固定的效果。
4.根据权利要求1所述的监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的方法，其特征在于：固定框架与可转动框架连接位置装有刻度圆盘，刻度圆盘与固定框架焊接在一起，固定框架的横向板焊接在刻度圆盘的中心位置，且两者中心线保持一致。
5.根据权利要求1所述的监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的方法，其特征在于：密封腔体由厚层钢板组装制作而成，其盖板带有橡胶垫板；对密封腔体做加固处理，四周及底部由水性乳胶涂抹，确保腔体密封性能良好；四周腔体壁边缘每边钻取三个用来固定盖板的螺纹，通过螺丝钉固定盖板和腔体。
6.根据权利要求5所述的监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的方法，其特征在于：所述密封腔体盖板中心钻孔，钻孔大小与电极固定框架所成圆的大小相对应；将电极头部以下的部分从钻孔插入，且电极头部上下左右四个方向与盖板重合的部分也进行钻孔，用螺栓将电极头部和盖板进行固定。
7.根据权利要求1所述的监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的方法，其特征在于：所述密封腔体中注有导电液体，密封腔体体积为300mm×300mm×300mm、400mm×400mm×400mm或500mm×500mm×500mm。
8.根据权利要求1所述的监测电极角度可控的高压电脉冲能量及方向的方法，其特征在于：电极部分由针—板电极组合而成，电极总长度由密封腔体的体积决定，其范围在150mm-300mm之间，高压电极与接地电极两部分之间的距离为5mm-15mm；在高压电极、接地电极的外表面密闭包裹聚丙烯绝缘套环，仅裸露出一小部分电极尖端。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110793083.4A CN113565439B (zh) | 2021-07-14 | 2021-07-14 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110793083.4A CN113565439B (zh) | 2021-07-14 | 2021-07-14 | 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 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113565439A CN113565439A (zh) | 2021-10-29 |
| CN113565439B true CN113565439B (zh) | 2023-05-26 |
Family
ID=78164800
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110793083.4A Active CN113565439B (zh) | 2021-07-14 | 2021-07-14 | 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 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113565439B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117596762B (zh) * | 2024-01-18 | 2024-04-05 | 离享未来(德州)等离子科技有限公司 | 一种用于放电等离子体的双极性纳秒脉冲电源 |
| CN117627546B (zh) * | 2024-01-26 | 2024-04-30 | 山东大学 | 一种适用于隧道钻孔电法探测的可伸缩电极递送保护套管装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007527962A (ja) * | 2003-12-01 | 2007-10-04 | ユーノドリル アーエス | 放電パルスによる掘削のための方法、掘削機、ドリルビット、およびボトムホールアッセンブリ |
| CN109668754A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-04-23 | 中铁工程装备集团有限公司 | 适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台 |
| CN111350503A (zh) * | 2020-03-03 | 2020-06-30 | 中国矿业大学 | 煤岩脉冲可控强波致裂煤岩体形成巷道防冲弱结构层的方法 |
| CN212079203U (zh) * | 2020-01-13 | 2020-12-04 | 中国地质大学（武汉） | 一种高压电脉冲钻头及破岩实验装置 |
| CN112198071A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-01-08 | 东北石油大学 | 可测试岩石温度应力的电脉冲破岩实验装置 |
-
2021
- 2021-07-14 CN CN202110793083.4A patent/CN113565439B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007527962A (ja) * | 2003-12-01 | 2007-10-04 | ユーノドリル アーエス | 放電パルスによる掘削のための方法、掘削機、ドリルビット、およびボトムホールアッセンブリ |
| CN109668754A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-04-23 | 中铁工程装备集团有限公司 | 适于第四代半、第五代破岩方式的多模式测试实验台 |
| CN212079203U (zh) * | 2020-01-13 | 2020-12-04 | 中国地质大学（武汉） | 一种高压电脉冲钻头及破岩实验装置 |
| CN111350503A (zh) * | 2020-03-03 | 2020-06-30 | 中国矿业大学 | 煤岩脉冲可控强波致裂煤岩体形成巷道防冲弱结构层的方法 |
| CN112198071A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-01-08 | 东北石油大学 | 可测试岩石温度应力的电脉冲破岩实验装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113565439A (zh) | 2021-10-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113565439B (zh) | 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 | |
| US10407995B2 (en) | Repetitive pulsed electric discharge drills including downhole formation evaluation | |
| US10060195B2 (en) | Repetitive pulsed electric discharge apparatuses and methods of use | |
| CA2896335C (en) | Repetitive pulsed electric discharge apparatus for downhole formation evaluation | |
| EP2870316B1 (en) | Apparatuses and methods for supplying electrical power to an electrocrushing drill | |
| CN102505965B (zh) | 一种岩体破坏失稳预警识别的方法 | |
| CN113567257A (zh) | 一种真三轴围压下高压电脉冲破岩致裂装置及方法 | |
| AU2018420473A1 (en) | Simulation test system for gas extraction from tectonically-deformed coal seam in-situ by depressurizing horizontal well cavity | |
| CN204462405U (zh) | 一种基于声发射的岩爆前兆预警系统 | |
| AU2018420472A1 (en) | Simulation test method for gas extraction from tectonically-deformed coal seam in-situ by depressurizing horizontal well cavity | |
| CN102226729B (zh) | 土压平衡盾构渣土压力控制模型试验装置 | |
| CN112943210A (zh) | 一种电脉冲协同超声波的煤层气强化开采方法 | |
| CN111456801A (zh) | 一种在煤层顶板、底板钻孔中增透煤层的方法 | |
| CN211773678U (zh) | 一种多煤层采空区处治工程用多功能注浆封孔器 | |
| CN108801450B (zh) | 基于加速度传感器钢管的深部岩体振动监测系统及其方法 | |
| CN115247984A (zh) | 可聚焦冲击波能量的电极结构及其组成的电极装置 | |
| CN212614665U (zh) | 一种真三轴co2压裂实验装置 | |
| Hao et al. | Research on pressure relief hole parameters based on abutment pressure distribution pattern | |
| CN104007324A (zh) | 便携式高压试验接地极水钻装置及操作方法 | |
| CN219570090U (zh) | 一种深部煤层用高压电脉冲系统 | |
| CN112483086B (zh) | 一种瞬间电脉冲致使金属矿层碎裂的系统及使用方法 | |
| Xiaoqiang et al. | Safety and energy distribution characteristics of rock breaking gas generator | |
| CN112147674B (zh) | 一种适用在软弱破碎岩体中测试爆破震动装置及方法 | |
| CN116717253A (zh) | 远程可控冲击波协同水力压裂大范围造缝的煤岩防冲方法 | |
| CN116591684A (zh) | 一种电脉冲波协同水力定向造缝卸压煤岩层防冲的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |