可聚焦冲击波能量的电极结构及其组成的电极装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种液电效应下可聚焦冲击波能量的电极结构及其组成的电极装置。所述电极结构包括高压电极、接地电极、聚丙烯绝缘套管、橡胶垫圈、固定螺母、电极外壳；电极装置包括充电电源、储能电容、限流保护电阻、电源开关、高压电脉冲开关、气体间隙开关、超动态应变仪、电极结构。本发明专利技术在液电效应作用下，通过电极外壳预制孔缝的面积大小和分布，从而达到在液电效应放电时使产生的冲击波能量聚焦，实现释放能量定向性，在岩石定向破碎等领域具有一定的应用性。定的应用性。定的应用性。

【技术实现步骤摘要】
可聚焦冲击波能量的电极结构及其组成的电极装置


[0001]本专利技术涉及一种液电效应下可聚焦冲击波能量的电极结构及其组成的电极装置，属于高压电脉冲技术，可应用于高压电脉冲破岩、瓦斯抽采等领域。

技术介绍

[0002]在煤矿开采过程中，岩层控制是煤矿安全高效生产的重要环节。随着开采深度的不断增加，地质条件逐渐恶化，引发矿井安全事故的概率也在不断地增加。在开采过程中，处于高应力的煤岩体极易积聚巨大的能量，在特定情况下，能量的释放会伴随着冲击矿压的产生。冲击矿压的产生会使煤岩体瞬间破坏，造成井巷系统的破坏，甚至会危及人身安全。
[0003]冲击矿压的防治是煤矿开采过程中最重要的环节，对采煤的安全性和高效性都有严重的影响。目前较为成熟的的应力调控技术有钻孔爆破技术和水力压裂技术，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。
[0004]目前新兴技术—高压电脉冲被广大学者们研究应用于破碎岩石的领域，对于采煤防冲领域也具有一定的前景。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。
[0005]水中高压电脉冲技术是指将高压电设备通过电容组充电，然后通过水中电极在极短的时间内进行释放，在水中产生脉冲放电，形成的等离子体通道贯穿电极两极并不断膨胀，从而形成冲击波。在放电过程高温、高压的作用下，伴随着气泡的产生与溃灭带来的气泡脉动也将产生一部分冲击波，但是冲击波的产生是基于等离子通道的形成而产生的，该冲击波在两电极间隙之间是以类似于球体的形状向外扩散的，能量释放没有具体的方向且比较分散。
[0006]对于井下坚硬顶板引发应力集中问题，不仅仅需要致裂手段来弱化应力，更需要通过不同的情况来定向致裂，这样才能形成高效的应力调控技术。所以对电极放电产生的能量进行聚焦，从而实现能量释放最大化和释放方向的可控性，对井下应力调控具有很好的应用前景。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在提供一种液电效应下可聚焦冲击波能量的电极结构、其组成的电极装置，并研究了高压电脉冲释放的冲击波与电极结构的变化关系。
[0008]本专利技术提供一种液电效应下可聚焦冲击波能量的电极结构，包括高压电极、接地电极、聚丙烯绝缘套环、橡胶垫圈、电极外壳、固定螺母和固定圆环；高压电极上端设有螺纹，高压电极中部通过固定螺母与聚丙烯绝缘套环连接固
定，高压电极位于聚丙烯绝缘套环内部，聚丙烯绝缘套环固定在电极外壳上部，聚丙烯绝缘套环和电极外壳通过固定圆环紧固连接；聚丙烯绝缘套环与电极外壳接触处套有一橡胶垫圈；增加二者接触的紧密性；接地电极通过螺纹固定在电极外壳下端；接地电极通过电极外壳底部的螺纹拧入，再使用螺母将其固定；高压电极、接地电极在电极外壳空孔内相对设置，通过旋转接地电极下端螺纹，使接地电极与高压电极之间的距离可调，两电极距离设置为1mm
‑
5mm。
[0009]高压电极总长74mm，由上端、中端、下端三部分组成，上端为直径4mm、长度70mm圆柱，在该圆柱顶部车长度为25mm的M8大小的螺纹，即为高压电极螺纹上端；中端为直径5mm、长度2mm的圆柱，且其下部1mm的长度倒角为30
°
；下端为直径2mm、长度2mm的圆柱，在底部倒角为45
°
的尖端。
[0010]接地电极由光滑圆柱和螺纹圆柱两部分组成；上半部分的光滑圆柱直径为2mm、长度3mm，且顶部倒角为45
°
的尖端；下半部分为M8的螺纹圆柱，长度为17mm。
[0011]聚丙烯绝缘套环直径为8mm、长度为95mm的圆柱；内置空腔直径为4mm；在距离上顶部35mm处，增加一个直径为12mm，长度为4mm的聚丙烯圆环，其作用为将其固定在电极外壳上。
[0012]电极外壳的外观为圆柱形，内部为空心，电极从其中穿过，电极外壳由三段外径不同的圆柱组成，上部第一段圆柱与固定圆环连接，中部第二段圆柱的内部设有橡胶垫圈，下部第三段圆柱外侧为光滑结构；电极外壳的第一段圆柱设有外螺纹，用于连接固定圆环；第一段圆柱顶部中心为台阶孔，台阶孔上孔与聚丙烯绝缘套环连接；第二段圆柱内底部设有孔，用于放置橡胶垫圈；在第三段圆柱底部中心设有内螺纹，用于固定接地电极，在其上方的圆柱面上设有电极外壳空孔，将电极露出。
[0013]所述电极外壳空孔20设有一个或多个，电极外壳空孔的截面为矩形，尺寸大小为2mm
×
10mm、3mm
×
10mm或5mm
×
10mm等多个尺寸（这是指钻取的空孔正视图对应的截面尺寸）；在电极外壳的第三段圆柱底部可以仅钻取一个空孔，也可钻取两个空孔（在电极前后对应设置）或三个空孔（沿120
°
方向线钻取三个空孔）。电极结构的冲击波方向可控以及能量聚焦，是通过电极外壳下端设置的空孔实现的。
[0014]固定圆环的直径22mm、长度13mm，内置长度为11mm、直径为M13的螺纹，在固定圆环顶部钻取直径为8mm的圆孔，用于聚丙烯绝缘套环的穿过。
[0015]高压电极从聚丙烯绝缘套环的下部穿过内置空腔，用螺母将高压电极与聚丙烯绝缘套环固定；然后将聚丙烯绝缘套环置于电极外壳的内置空腔里；用固定圆环将聚丙烯绝缘套环和电极外壳固定；接地电极通过电极外壳底部的螺纹拧入，再使用螺母将其固定。在进行电极结构固定时，可以通过调节拧入接地电极与高压电极之间的距离来实现电极间距可调，两电极距离可取1mm
‑
5mm进行测试。
[0016]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。
[0017]本专利技术还提供了一种采用上述电极结构制成的液电效应下可聚焦冲击波能量的电极装置，包括充电电源、储能电容、限流保护电阻、电源开关、高压电脉冲开关、气体间隙
开关、超动态应变仪、电极结构；电极结构放置在岩石空腔内部，高压电缆将充电电源、储能电容、限流保护电阻、电源开关、高压电脉冲开关、气体间隙开关、超动态应变仪和电极结构依次连接起来。
[0018]本专利技术电极装置的监测对象可选取100mm
×
100mm
×
100mm、150mm
×
150mm
×
150mm、300mm
×
300mm
×
300mm的花岗岩试样，选取花岗岩试样的一个表面，在正中心位置钻取直径为12mm、长度为75mm的圆柱空腔，用于注入导电溶液和电极结构的放置。为了将电极结构与空腔紧密接触，在电极圆环底部放置密封垫圈，用于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可聚焦冲击波能量的电极结构，其特征在于：所述的电极结构包括高压电极、接地电极、聚丙烯绝缘套环、橡胶垫圈、电极外壳、固定螺母和固定圆环；高压电极上端设有螺纹，高压电极中部通过固定螺母与聚丙烯绝缘套环连接固定，高压电极位于聚丙烯绝缘套环内部，聚丙烯绝缘套环固定在电极外壳上部，聚丙烯绝缘套环和电极外壳通过固定圆环紧固连接；聚丙烯绝缘套环与电极外壳接触处套有一橡胶垫圈；增加二者接触的紧密性；接地电极通过螺纹固定在电极外壳下端；接地电极通过电极外壳底部的螺纹拧入，再使用螺母将其固定；高压电极、接地电极在电极外壳空孔内相对装置，通过旋转接地电极下端螺纹，使接地电极与高压电极之间的距离可调，两电极距离设置为1mm
‑
5mm。2.根据权利要求1所述的可聚焦冲击波能量的电极结构，其特征在于：高压电极总长74mm，由上端、中端、下端三部分组成，上端为直径4mm、长度70mm圆柱，在该圆柱顶部车长度为25mm的M8大小的螺纹，加工为高压电极螺纹上端；中端为直径5mm、长度2mm的圆柱，且其下部1mm的长度倒角为30
°
；下端为直径2mm、长度2mm的圆柱，在底部倒角为45
°
的尖端。3.根据权利要求1所述的可聚焦冲击波能量的电极结构，其特征在于：接地电极由光滑圆柱和螺纹圆柱两部分组成；上半部分的光滑圆柱直径为2mm、长度3mm，且顶部倒角为45
°
的尖端；下半部分为M8的螺纹圆柱，长度为17mm。4.根据权利要求1所述的可聚焦冲击波能量的电极结构，其特征在于：聚丙烯绝缘套环直径为8mm、长度为95mm的圆柱；内置空腔直径为4mm；在距离上顶部35mm处，增加一个直径为12mm，长度为4mm的聚丙烯圆环，其作用为将其固定在电极外壳上。5.根据权利要求1所述的可聚焦冲击波能量的电极结构，其特征在于：电极外壳的外观为圆柱形，内部为空心，电极从其中穿过，电极外壳由三段外径不同的圆柱组成，上部第一段圆柱与固定圆环连接，中部第二段圆柱的内部设有橡胶垫圈，下部第三段圆柱外侧为光滑结构；电极外壳的第一段圆柱设有外螺纹，用于连接固定圆环；第一段圆柱顶部中心为台阶孔，台阶孔上孔与聚丙烯绝缘套环连接；第二段圆柱内底部设有孔，用于放置橡胶垫圈；在第三段圆柱底部中心设有内螺纹，用于固定接地电极，在其上方的圆柱面上设有电极外壳空孔，将电极露出；固定圆环内置螺纹，在固定圆环顶部钻取直径为8mm的圆孔，聚丙烯绝缘套环从该圆孔穿过。6.根据权利要求5所述的可聚焦冲击波能量的电极结构，其特征在于：所述电极外壳空孔设有一个或多个，电极外壳空孔的截面为矩形，尺寸大小为2mm
×
10mm、3mm
×
10mm或5mm
×
10mm；在电极外壳的第三段圆柱底部钻取一个空孔或前后对称设置两个空孔或沿圆周均匀分布三个空孔；通过设置空孔的大小和位置来实现电极结构的冲击波方向可控以及能量聚焦。7.一种采用权利要求1~6任一项所述的电极结构的液电效应下可聚焦冲击波能量的电极装置，其特征在于：包括充电电源、储能电容、限流保护电阻、电源开关、高压电脉冲开关、气体间隙开关、超动态应变仪、电极结构；电极结构放置于岩石试样的空腔内部，高压电缆依次将充电电源、电源开关、限流保护电阻、储能电容、气体间隙开关、放电电极、超动态应变仪、高压电脉冲开关结构连接起来；
所述岩石试样选取100mm
×
100mm
×
100mm、150mm
×
150mm
×
150mm、300mm
×
300mm
×
300mm的花岗岩试样，选取花岗岩试样的一个表面，在正中心位置钻取直径为12mm、长度为75mm的圆柱空腔，用于注入导电溶液及放置电极结构；为了将电极结构与空腔紧密接触，在电极圆环底部放置密封垫圈，用于达到电极与岩石材料空腔密闭的效果。8.一种权利要求7所述的液电效应下可聚焦冲击波能量的电极装置的应用，其特征在于：在上述的花岗岩空腔中注入导...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭军，朱林俊，冯国瑞，李健，郭坦，戚庭野，米鑫程，钱瑞鹏，文晓泽，于露杨，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
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