社会现实场景

深部煤矿开采过程中，厚硬顶板、坚硬煤岩体和高应力围岩常规机械破岩难度大，传统钻爆、截割和水力压裂等方法在复杂地质条件下存在效率受限、扰动控制困难、裂缝扩展不易精准调控等问题。高压电脉冲破岩技术能够利用瞬态高压放电诱导岩石损伤、裂纹萌生与扩展，为深部硬岩破裂、顶板弱化、煤岩卸压和绿色高效破岩提供新的实验研究手段。

真实问题

高压电脉冲作用下岩石电击穿、等离子体通道形成、能量释放、冲击波传播和裂缝扩展过程具有瞬态性和强耦合特征。如何准确获取电脉冲破岩过程中的电压、电流、放电响应和裂纹扩展规律，揭示岩石电致裂破坏机制，并在三轴应力、高温高压等复杂环境下开展可重复、可测量的破岩试验，是高压电脉冲破岩技术研究和工程应用面临的关键问题。

技术创新

该系统主要由升压模块、高压储能电容模块、截断保护电路和测量模块组成，可将220 V低压交流电升压至220 V—200 kV，并通过高压储能电容提供脉冲放电储能。设备通过高压电源对脉冲电容器充电，在岩石试样、电极及介质环境中形成瞬态高压放电，使岩体内部或表面产生强电场，极化形成等离子体通道，进而诱导岩石损伤、裂纹萌生与扩展。系统设置球隙截断保护电路，可在岩石试样未发生电击穿时释放储能并保护试样、电极及实验系统；配置罗氏线圈、高压电容式分压器和高速示波器，可同步采集瞬态电流、电压和放电响应数据。设备最高输出电压200 kV，配套示波器带宽100 MHz，可开展高压电脉冲致裂破岩试验、岩石电击穿过程测试、电脉冲作用下裂缝扩展规律观测、瞬态电压与电流同步采集、放电通道形成与能量释放特征分析、三轴应力条件下电脉冲破岩试验以及高温高压环境下岩石电致裂试验等研究。

图1 高压电脉冲破岩试验系统