[发明专利]一种用于等离子爆破实验系统的多功能替换式爆破电极

说明书

一种用于等离子爆破实验系统的多功能替换式爆破电极，包括可替换电极组件和基座组件；可替换电极组件包括聚乙烯绝缘杆和铜棒电极，绝缘杆表面设有两条电极安装凹槽，铜棒电极位于凹槽且对称分布；基座组件包括酚醛塑料材质基体和铜质导电部件，基体顶部设有电极组件插孔，基体腰部设有两条导电部件安装凹槽，可替换电极组件与电极组件插孔插装配合；铜质导电部件的电极导线一端位于电极组件插孔内且与铜棒电极插接配合，另一端与盘形接头相固连，转接螺杆固连在盘形接头上，转接螺母套装在转接螺杆上；导电部件安装凹槽配装有绝缘盖板。本发明具有尺寸小、制备工艺简单及重复利用率高的特点，既能模拟柱状药包又能模拟球状药包，制作成本更低。

技术领域

本发明属于岩石力学及采矿工程技术领域，特别是涉及一种用于等离子爆破实验系统的多功能替换式爆破电极。

背景技术

钻爆法作为一种高效的破岩方法，在硬岩矿山掘进与回采工程以及大量岩土工程中得到了广泛的应用，岩石等脆性材料在爆破作用下，其破裂机理、裂纹扩展规律以及爆生气体作用过程等内容也一直是人们研究的焦点，而相似材料物理实验则是研究岩土爆破工程的重要方法之一。

由于炸药自身的易燃易爆等高危属性及其易流动性，使得国家对民爆器材的使用进行了严格的管理控制，不具有相关资质的单位无法获取和使用炸药等相关民爆器材，而大部分高校和科研单位都不具有相关资质，因此无法使用炸药开展岩土工程爆破相似材料物理实验研究，在很大程度上限制了该类研究的开展。

为解决上述问题，相关高校与科研院所会采用等离子爆破实验系统替代传统爆破器材开展研究，通过双极性充电电源对冲击电压发生器(Marx储能模块)进行充电，再在高压脉冲触发器的触发操作下，存储在冲击电压发生器中的高压电能将在极短的时间内通过电缆输出至爆破电极，并将爆破电极端部的金属丝瞬间等离子化，从而将高压电能以爆炸的方式迅速释放，进而实现等离子爆破过程。

与传统爆破器材相比，等离子爆破实验系统具有使用不受限制、安全性高、爆破能量精确可控等优点，但是，在进行相似材料物理实验研究过程中，等离子爆破实验系统中目前使用的爆破电极仍然存在如下不足：

①、爆破电极尺寸大

由于等离子爆破实验系统利用瞬时释放高压电能来产生爆炸，因此在释放爆炸能量的爆破电极处，需要正负极之间的绝缘效果非常可靠才行，否则在等离子爆破过程中则会发生“爬电”现象，并导致爆炸能量无法在电极端部的金属丝部位集中释放，从而影响影响爆破效果；而在等离子爆破实验系统中，目前使用的爆破电极采用的是“中心-圆周”式的电极布置方式，爆破电极中心为直径3mm的铜棒，在铜棒外表面包裹厚度为4mm的聚乙烯绝缘层，在聚乙烯绝缘层外部套装壁厚为2.5mm的铜管，此时爆破电极的整体直径达到了16mm；在进行爆破实验时，需要将爆破电极放入岩石等脆性材料试件的钻孔中，因此钻孔直径至少为17mm才可以；由于钻孔尺寸大，则进行实验的脆性材料试件尺寸也要随之增大，否则无法满足物理相似实验中的几何相似参数，而试件尺寸的增大，又对实验中其他的相关设备提出了更高的要求。

②、爆破电极制备工艺复杂

在进行等离子爆破实验过程中，需要将一定长度的金属丝盘成蚊香状，然后将金属丝两端分别以焊锡固定在爆破电极的正负两极；目前使用的爆破电极的中心铜棒为正极，在正极铜棒的一端开设有小孔，外部铜管为负极，安装金属丝时，先将金属丝一端插入正极铜棒的小孔中，再通过锡焊将金属丝与正极铜棒连在一起，然后将金属丝盘成所需形状，最后将金属丝另一端锡焊到负极铜管表面，但在锡焊过程中极易碰触正负极之间的绝缘层，从而导致绝缘失效，同时由于负极铜管体积大且表面光滑，需要加热较长时间才能将金属丝与负极铜管焊接到一起，导致整个操作过程复杂，且成功率很低。

③、爆破电极重复利用率低