等离子体对煤体选择性破碎的实验与数值模拟分析

摘要

cqvip:为了研究等离子体冲击作用下煤体内部的裂隙扩展规律,利用自主搭建的等离子体冲击实验平台,并通过实验和数值模拟相结合的方法对等离子体冲击作用下煤体的破碎规律进行了研究。实验中以等离子体破碎的煤体为对象,并结合三维可视化软件Dragonfly提取了红柳烟煤在等离子体作用下的裂隙相、矿物相,深入分析了等离子体冲击后煤体内部裂隙沿着不同方向的扩展规律。并以数值模拟软件Comsol Multiphysics为基础分析了等离子体冲击作用下含矿物煤体内部的电场强度分布规律。实验结果表明,等离子体冲击作用下在煤体内部形成相互贯通的空间裂隙网络,且裂纹呈现出由电极中心向四周发散的状态,在靠近电极的两端破碎效果较好,表明煤体的破碎效果与电场的集中程度正相关,电场越集中,能量越大,破碎效果越好。此外,裂隙在轴向和平面上均具有沿着矿物分布的特征,说明在等离子体作用下矿物与煤体分界面处产生了电场的畸变,引发了应力的集中,矿物的分布对裂隙存在着诱导作用。通过数值模拟验证了煤体中矿物和孔隙的存在对电场存在的影响规律,结果表明电场强度会在介电常数不同的介质中发生畸变,当电场穿过高介电常数的介质时会在介质内部形成较低的场强,当电场穿过低介电常数的介质时会在介质内部形成较高的场强。数值模拟得到的电场畸变的结果是对实验结果补充说明,实验所得到的结论是数值模拟宏观结果的体现与验证。