《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》：Experimental and numerical investigations of the electrical breakdown during high-voltage pulse fragmentation: Application to the Vosges sandstone
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本文针对传统机械破碎能耗高、效率低的问题，聚焦于高压脉冲破碎（HVPF）技术。研究人员通过结合实验与COMSOL多物理场数值模拟，系统探究了电极间距、脉冲次数和环境流体电导率对砂岩破碎损伤的影响，揭示了损伤累积的指数增长规律及流体性质对电击穿行为的关键作用。该研究结果为发展更真实的岩石电破碎模型、优化工艺参数以降低采矿能耗提供了重要依据。
岩石的破碎是采矿工业中最耗能的环节之一，其能耗约占行业总能耗的40%。然而，传统的机械破碎方法能效极低，且往往不加区分地破碎所有物料，包括无经济价值的废石，造成巨大的能源浪费。随着高品位、粗粒矿石的日益枯竭，以及全球向绿色技术和数字化基础设施转型对铜、镍、铁、锂等关键原材料的需求激增，开发高效、环境友好的新型破碎技术变得尤为迫切。在此背景下，高压脉冲破碎（High-Voltage Pulse Fragmentation, HVPF）技术因其在选择性破碎、提高矿物解离度和降低后续细磨能耗方面的潜力，被视为一种极具前景的替代方案。
为了深入理解HVPF过程中岩石的电击穿与破碎机制，并优化其工艺参数，来自法国巴黎高科矿业大学的研究团队在《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》上发表了一项研究。他们以质地相对均质的孚日砂岩为研究对象，开展了一项结合实验与数值模拟的综合研究。该研究旨在阐明电极间隙、脉冲次数和环境流体特性如何影响岩石内部的电损伤累积与传播，从而为HVPF技术的实际应用提供理论指导。
本研究主要采用了三种关键技术方法。首先是利用SELFRAG实验室高压脉冲破碎机进行物理实验，通过改变电极间隙、脉冲次数和环境流体（去离子水及添加膨润土调节电导率）来系统处理砂岩样本。其次，通过填充硅橡胶并称重的方法精确测量每次脉冲后在样本顶、底面形成的凹坑（crater）体积，以此量化机械损伤。最后，研究团队基于时变麦克斯韦方程组，在COMSOL Multiphysics中构建了包含损伤演化内变量的电学数值模型，该模型通过一个内变量ζ来描述材料从绝缘体到导体的转变，其演化速率与超过临界电场强度的部分相关，从而模拟了电击穿过程及损伤区的空间分布。
实验研究结果
2.5.1. 电参数对岩石机械损伤的影响
实验评估了在90 kV单脉冲下，电极间隙对干、湿砂岩损伤的影响。结果表明，几乎在所有样本中，单脉冲都会在电极接触面形成小凹坑，表明发生了直接放电。在保持电压恒定的情况下，减小电极间隙（即增加电压梯度）会导致机械损伤增加。例如，对于饱和砂岩，顶部凹坑体积随间隙减小而显著增大。研究还发现，形成贯穿样本的完整放电通道需要一个最小电压梯度，且该值受岩石饱和状态影响，饱和砂岩所需梯度更低，这与其力学强度因含水而降低有关。
2.5.2. 放电脉冲次数对机械损伤的影响
通过对20mm高的干砂岩施加多次脉冲，研究了损伤累积效应。结果显示，总凹坑体积随脉冲次数增加而显著增加，且呈现出指数增长趋势（R2=0.9832），优于线性拟合。这表明损伤具有累积和加速效应。同时，比能（单位移除体积消耗的能量）随脉冲次数增加而下降，意味着后续脉冲的材料移除效率更高。
2.5.3. 环境流体对机械损伤的影响
通过改变环境流体（添加膨润土的去离子水）的电导率，研究了其对形成完整放电通道所需最小电压梯度的影响。实验发现，所需电压梯度随流体电导率增加而线性增加（y=0.003x+4.617）。这说明较高的流体电导率会分流部分电流，使得在岩石内部形成放电通道需要更高的电压梯度。
2.5.4. X射线CT扫描的内部损伤表征
X射线计算机断层扫描（CT）图像直观揭示了单脉冲后砂岩样本内部的损伤特征，包括从中心腔向外延伸的径向裂缝以及连接上下电极的完整击穿通道，证实了内部损伤机制的存在。
数值模拟结果
3.3.1. 电极间隙的影响
数值模拟成功复现了实验趋势：随着电极间隙减小（电压梯度增大），模拟定义的损伤区（电导率达到最大值σmax的区域）体积增大。在10mm间隙下，损伤区形成了连接上下表面的完整通道，预示着样本可能发生完全破碎。
3.3.2. 脉冲次数的影响
模拟显示了损伤随脉冲次数的累积。然而，与实验观察到的指数增长不同，模拟给出的损伤体积增长是线性的。分析表明，这是因为初始模型假设临界击穿电场Ec是固定值。实际上，首次脉冲后材料属性（电学和力学）已发生退化，后续脉冲更容易引发损伤，即Ec应是一个随损伤状态变化的量。
3.3.3/4/5. 其他参数的影响
模拟还研究了脉冲上升时间、岩石饱和状态和环境流体电导率的影响。结果表明，更短的脉冲上升时间导致更大的模拟损伤；在模型中降低砂岩的阈值电场（模拟饱和效应）会增加损伤体积；提高环境流体的电导率则减少了模拟的损伤区体积，这与电流更多通过流体而非岩石的物理机制一致，也在定性上与实验观察到的“高电导率流体需要更高电压梯度来形成通道”的趋势相呼应。
结论与意义
本研究通过实验与数值模拟相结合的方法，系统阐释了高压脉冲破碎砂岩过程中的电击穿与损伤机制。主要结论如下：1) 减小电极间隙（增加电压梯度）和增加脉冲次数均能显著增加岩石损伤体积，且实验揭示损伤累积遵循指数规律，表明存在损伤加速效应。2) 环境流体的电导率是调控击穿行为的关键外在因素，流体电导率越高，在岩石内部形成放电通道所需的最小电压梯度也越大。3) 数值模型能够定性复现电极间隙、饱和状态和流体性质对损伤趋势的影响，但初始模型对多脉冲损伤累积的线性预测与实验指数规律不符，这凸显了在模型中引入“损伤相关的击穿阈值”的必要性，即材料的抗电击穿强度会随着已有损伤的累积而下降。
这项研究的意义在于，它不仅首次在砂岩中明确了高压脉冲作用下损伤累积的指数增长定律，还通过系统的电导率扫掠实验，定量揭示了环境流体性质对击穿过程的影响。所建立的、包含演化损伤变量的电学模型，为理解HVPF的复杂物理机制提供了新工具。研究结果架起了实验观测趋势与预测模型之间的关键桥梁，支持发展更真实的岩石电破碎模型，对优化高压脉冲破碎技术的工艺参数、提高其在矿物加工和岩石钻进等领域的能效与应用效果具有重要的指导价值。
