苑進(jìn)偉 薛 生，2教授 李 斌講師

(1.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 煤炭安全開(kāi)采國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，安徽 淮南 232001)

0 引言

為提高對(duì)煤體的致裂增透效果，改善煤體內(nèi)部的孔隙率，提高對(duì)煤層瓦斯的抽采量，減少瓦斯災(zāi)害及其他動(dòng)力學(xué)災(zāi)害。學(xué)者們提出許多有效的煤層增透方法來(lái)提高瓦斯抽采效率，如水力壓裂、水力沖孔、爆破法等[1-3]。這些方法均有一定的效果，但是由于我國(guó)煤層賦存復(fù)雜，傳統(tǒng)的瓦斯抽采有一定的局限性，如有效范圍小、抽采濃度低、對(duì)環(huán)境造成危害、消耗大量人力物力財(cái)力等[4-5]。近年來(lái)，高壓電脈沖技術(shù)作為一種煤層增透新方法，具有能量大、功率高、無(wú)污染、省時(shí)省力、成本低、效果好的優(yōu)勢(shì)，使得眾多學(xué)者關(guān)注這一技術(shù)[6-8]，把這項(xiàng)技術(shù)逐步應(yīng)用到體內(nèi)碎石、污水處理和食品殺菌等方面[9-11]。將高壓電脈沖技術(shù)應(yīng)用到煤體最初是由邱愛(ài)慈院士團(tuán)隊(duì)提出[12]；秦勇等[13]結(jié)合煤層賦存特性，提出高壓電脈沖作用煤層的關(guān)鍵問(wèn)題和應(yīng)用方式，為該技術(shù)的應(yīng)用和研究奠定基礎(chǔ)；張永民等[14]理論分析高壓電脈沖對(duì)煤儲(chǔ)層改造的基本特征，并初步提出高壓電脈沖現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工藝；林柏泉等[15-16]通過(guò)高壓電脈沖對(duì)氯化鈉溶液處理過(guò)的圓柱煤塊進(jìn)行電破碎實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示煤塊破裂得更充分，裂隙網(wǎng)絡(luò)更豐富。專(zhuān)家學(xué)者們對(duì)高壓電脈沖致裂技術(shù)進(jìn)行由淺入深的實(shí)驗(yàn)研究，如今，這項(xiàng)技術(shù)逐步成熟，并被應(yīng)用到多所煤礦，取得顯著成果。為進(jìn)一步提高對(duì)煤體的致裂增透效果，本文運(yùn)用高壓電脈沖液電致裂煤體增透技術(shù)，在相同的1號(hào)煤塊和2號(hào)煤塊鉆孔中分別加入水和1mol/L的氯化鈉溶液，進(jìn)行液電致裂增透實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀(guān)察煤塊表面裂隙的形成及發(fā)展并分析煤塊內(nèi)部裂隙的改造情況，以期達(dá)到氯化鈉溶液對(duì)煤體的強(qiáng)化致裂增透效果。

1 高壓電脈沖致裂技術(shù)

1.1 高壓電脈沖的液電效應(yīng)

高壓電脈沖在水中放電發(fā)生的液電效應(yīng)由電流和電場(chǎng)形成。當(dāng)高壓電脈沖在水中放電時(shí)，陽(yáng)極附近水分子上的電子會(huì)減少形成正離子，陰極附近的電子會(huì)增多，并與水分子結(jié)合形成負(fù)離子。因此，電極正負(fù)極之間因?yàn)殡妷翰钚纬呻妶?chǎng)，在電場(chǎng)的影響下，正負(fù)極間的離子會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)。當(dāng)高壓電脈沖對(duì)電極施加高電壓放電時(shí)，正負(fù)極附近會(huì)產(chǎn)生足夠多的正負(fù)離子，從而在正負(fù)極之間形成強(qiáng)電場(chǎng)。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，這些正負(fù)離子高速定向移動(dòng)，在極短的時(shí)間(10-2～10-4s)內(nèi)，正負(fù)極之間形成放電通道，放電通道內(nèi)液體急速膨脹會(huì)產(chǎn)生具有巨大能量沖擊波。

1.2 液電效應(yīng)對(duì)煤體作用機(jī)理

高壓電脈沖發(fā)生液電效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度大于煤體強(qiáng)度，或者沖擊波強(qiáng)度小于煤體強(qiáng)度，但高壓電脈沖的多次放電達(dá)到煤體的屈服強(qiáng)度時(shí)，煤體會(huì)產(chǎn)生裂隙，隨著放電次數(shù)的持續(xù)增多，煤體內(nèi)部原有的裂隙、孔隙也會(huì)得到擴(kuò)展、延伸和貫通，提高煤體的孔隙度，達(dá)到對(duì)煤體致裂增透的效果[17]。

蘇聯(lián)的津格爾曼在高壓脈沖液體放電實(shí)驗(yàn)中，得出液電效應(yīng)產(chǎn)生沖擊波的壓力峰值[18]，如式(1)所示。

(1)

式中：

Pm—沖擊波壓力峰值，Pa；

β—無(wú)因次的復(fù)雜積分函數(shù)；

ρ0—傳播介質(zhì)溶液的密度，g/cm3；

w—煤樣最大沉積能量，J；

T—脈沖作用時(shí)間，s；

τ—波前時(shí)間，s。

由式(1)可知，液電效應(yīng)產(chǎn)生沖擊波的壓力峰值與溶液密度、煤樣最大沉積能量、脈沖作用時(shí)間和波前時(shí)間有關(guān)，其中，沖擊波壓力峰值與溶液密度正相關(guān)。從式(1)分析出，在相同條件下，提高高壓電脈沖放電的溶液密度理論上會(huì)使液電效應(yīng)產(chǎn)生更大的沖擊波壓力峰值，進(jìn)而提高對(duì)煤體的致裂增透能力，因此，本文用氯化鈉溶液和水進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)研究其對(duì)煤體的強(qiáng)化致裂增透作用。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)煤塊的制作

從鄭州某煤礦取回?zé)o煙煤碎煤塊，打磨成粉狀，然后以沙子、水泥、石膏、煤粉、云母碎和水按一定比例制作成2個(gè)煤塊，記為1號(hào)煤塊和2號(hào)煤塊，煤塊的尺寸為300mm×300mm×300mm，煤樣配比參數(shù)，見(jiàn)表1。制作煤塊過(guò)程中，預(yù)先在煤塊模型正方體中心處放置一根塑料管，塑料管距離煤塊底端50mm，直徑80mm，比放電電極略粗。煤塊制作完成后，對(duì)2個(gè)煤塊及時(shí)養(yǎng)護(hù)以備實(shí)驗(yàn)，制作成的煤塊，如圖1。取多余煤樣小碎塊風(fēng)干后，測(cè)得相關(guān)力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表1 煤樣配比參數(shù)

表2 煤樣力學(xué)參數(shù)

圖1 制作成的煤塊

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

自主搭建的高壓電脈沖放電系統(tǒng)，主要包括高壓電源、電容器、輸出柜、示波器等儀器，如圖2。其工作原理是：高壓電源用220V交流電對(duì)電容器充電，將電能儲(chǔ)存在電容器中，當(dāng)高壓電源達(dá)到設(shè)定電壓后，高壓電源停止對(duì)電容器充電，待放電開(kāi)關(guān)閉合后，儲(chǔ)存的能量將通過(guò)電極釋放，在電極的正負(fù)極之間形成具有巨大能量的沖擊波致裂增透煤塊。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，示波器可以記錄整個(gè)放電過(guò)程的壓力波形。

圖2 高壓電脈沖放電系統(tǒng)

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)是結(jié)合高壓電脈沖在水中放電機(jī)理，借助自主設(shè)計(jì)搭建的高壓脈沖放電系統(tǒng)，在相同的1號(hào)煤塊和2號(hào)煤塊鉆孔中分別加入水和1mol/L氯化鈉溶液，對(duì)它們各進(jìn)行多次高壓電脈沖放電后，觀(guān)察2個(gè)煤塊表面裂隙的形成及發(fā)展并分析2個(gè)煤塊實(shí)驗(yàn)前后的超聲波檢測(cè)結(jié)果，對(duì)比探究氯化鈉溶液對(duì)煤體的強(qiáng)化致裂增透效果。高壓電脈沖設(shè)備的電容量為80μF，每次實(shí)驗(yàn)的放電電壓均為10kV，每次放電間隔為30s，放電電極正負(fù)極尖端間距為5mm。

2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)高壓電脈沖在水中放電作用原理，將圖2所示高壓電脈沖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接，高壓電脈沖在水中放電5次，查看示波器顯示的電壓電流波形是否與其他學(xué)者實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)類(lèi)似，同時(shí)檢查各元件的連接狀況，以此確定整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性；然后，分別測(cè)出高壓電脈沖在水中和1mol/L氯化鈉溶液中放電的壓力波形；最后，對(duì)煤塊進(jìn)行高壓電脈沖致裂增透實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

(1)將1號(hào)煤塊按照?qǐng)D2所示放在固定板上。

(2)在煤塊鉆孔中加入水，水加至離鉆孔頂端50mm，防止在鉆孔中放入電極后大量水溢出。

(3)把電極放入鉆孔中，用絕緣蓋固定好，防止放電過(guò)程中能量逸散和液體噴出。

(4)打開(kāi)高壓電脈沖放電系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)煤塊放電，每次放電后對(duì)煤塊拍照，觀(guān)察煤塊表面裂隙的形成及變化，當(dāng)煤塊表面產(chǎn)生的裂隙清晰可見(jiàn)，并在下次放電可能會(huì)使煤塊破碎分裂時(shí)，就停止對(duì)煤塊放電。為了不使煤塊破碎分裂，避免實(shí)驗(yàn)的偶然性，保證2個(gè)實(shí)驗(yàn)煤塊的放電次數(shù)相同，最終確定2個(gè)煤塊的放電次數(shù)各為8次。

高壓電脈沖對(duì)1號(hào)煤塊致裂增透實(shí)驗(yàn)完成后，將1號(hào)煤塊換成2號(hào)煤塊進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)操作，只需在第2步中，把鉆孔中加入的水換成1mol/L氯化鈉溶液即可。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 壓力波形分析

壓力傳感器放置在距放電電極30cm處，并與電極在同一水平面上，高壓電脈沖在水中和1mol/L氯化鈉溶液中放電后采集到的壓力波形，如圖3。從圖3中可以看出，高壓電脈沖在水中放電的壓力峰值約為1.25MPa，在1mol/L氯化鈉溶液中放電的壓力峰值約為1.60MPa，高壓電脈沖在1mol/L氯化鈉溶液中放電的壓力峰值比在水中放電的壓力峰值大約提高了0.35MPa。

圖3 壓力波形

高壓電脈沖在1mol/L氯化鈉溶液中放電壓力峰值提高的原因是：1mol/L的氯化鈉溶液與水相比，氯化鈉溶液中含有大量的鈉離子和氯離子，高壓電脈沖在1mol/L的氯化鈉溶液中放電時(shí)，電極陽(yáng)極附近的正離子和電極陰極附近的負(fù)離子濃度相應(yīng)增加，電極陽(yáng)極和陰極離子間的定向移動(dòng)更加劇烈，放電通道產(chǎn)生的沖擊波有更高的能量和壓力。

3.2 煤塊表面裂隙變化特征

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)2個(gè)煤塊各進(jìn)行8次高壓電脈沖放電，每次放電間隔為30s，在每次對(duì)煤塊放電后，由于煤塊對(duì)液體的吸收，需要及時(shí)在鉆孔中添加液體介質(zhì)，保證液體介質(zhì)能夠覆蓋放電電極，防止電極在鉆孔空氣中放電，影響實(shí)驗(yàn)效果。添加的液體介質(zhì)部分會(huì)滲透到煤塊中，對(duì)實(shí)驗(yàn)效果影響小，可以忽略。

高壓電脈沖對(duì)2個(gè)煤塊各放電8次，2個(gè)煤塊側(cè)面裂隙的形成及發(fā)展，如圖4。高壓電脈沖對(duì)1號(hào)煤塊放電8次過(guò)程中，1號(hào)煤塊放電5次后沒(méi)有出現(xiàn)明顯裂隙，放電6次后開(kāi)始從煤塊頂端產(chǎn)生一條小裂隙，放電7次后，小裂隙擴(kuò)展延伸到煤塊中部，放電8次后，裂隙長(zhǎng)度逐漸增大，裂隙從煤塊中部向底端延伸，小裂隙變成主裂隙，并在這條裂隙邊沿開(kāi)始分叉，產(chǎn)生分支裂隙。高壓電脈沖對(duì)2號(hào)煤塊放電8次過(guò)程中，2號(hào)煤塊放電4次后沒(méi)有出現(xiàn)明顯裂隙，放電5次后有一條裂隙開(kāi)始從煤塊頂端形成，裂隙順著煤塊側(cè)面延伸到中部，放電6次后，這條裂隙邊沿開(kāi)始出現(xiàn)分支裂隙，最先產(chǎn)生的裂隙已變成主裂隙，放電7次后，主裂隙基本延伸到煤塊底端，分支裂隙清晰可見(jiàn)，放電8次后，主裂隙和分支裂隙邊緣有煤粒脫落，主裂隙進(jìn)一步增長(zhǎng)增寬，煤塊頂端的裂隙附近有破碎小煤塊出現(xiàn)。

圖4 煤塊側(cè)面裂隙形成及發(fā)展

圖5是實(shí)驗(yàn)后的2個(gè)煤塊頂端樣貌。由于高壓電脈沖放電產(chǎn)生的沖擊波首先沖擊鉆孔周?chē)后w，1號(hào)煤塊和2號(hào)煤塊鉆孔周?chē)加写罅康拿毫．a(chǎn)生。2號(hào)煤塊與1號(hào)煤塊相比，2號(hào)煤塊頂端除了出現(xiàn)大量的煤粒以外，有數(shù)塊小煤塊形成，破碎煤粒由鉆孔周?chē)l(fā)展到煤塊邊沿。由此可見(jiàn)，2號(hào)煤塊頂端破裂的更充分。

圖5 放電8次后2個(gè)煤塊頂端樣貌

高壓電脈沖對(duì)2個(gè)煤塊各放電8次后，從煤塊表面裂隙的形成及發(fā)展來(lái)看，2號(hào)煤塊比1號(hào)煤塊少放電一次出現(xiàn)裂隙，當(dāng)2個(gè)煤塊都出現(xiàn)裂隙后，隨著放電次數(shù)的增加，2號(hào)煤塊形成的主裂隙比1號(hào)煤塊的長(zhǎng)，分支裂隙也更明顯，在2個(gè)煤塊的頂端，2號(hào)煤塊破碎得也更為充分。在高壓電脈沖的液電效應(yīng)下，氯化鈉溶液能夠加速煤塊表面裂隙的發(fā)育。

3.3 煤塊內(nèi)部裂隙變化特征

要了解實(shí)驗(yàn)后煤塊內(nèi)部裂隙的變化情況，可以用超聲波儀器檢測(cè)煤塊實(shí)驗(yàn)前后的首波聲時(shí)，通過(guò)首波聲時(shí)差進(jìn)行分析。超聲波首波聲時(shí)差能反應(yīng)2個(gè)相互平行的平面間缺陷的大小，首波聲時(shí)差越大，2個(gè)平面間的缺陷越大，因此，超聲波檢測(cè)方法可以反應(yīng)2個(gè)煤塊實(shí)驗(yàn)后內(nèi)部裂隙變化情況。

為便于超聲波檢測(cè)，煤塊劃分網(wǎng)格，如圖6。數(shù)據(jù)檢測(cè)時(shí)，在煤塊的側(cè)面，從左往右，從上到下依次掃描，每掃描一次記錄一次超聲波儀器上的首波聲時(shí)數(shù)據(jù)。

圖6 煤塊劃分網(wǎng)格

用超聲波儀器對(duì)實(shí)驗(yàn)前后的2個(gè)煤塊進(jìn)行超聲波掃描后，通過(guò)計(jì)算得到2個(gè)煤塊實(shí)驗(yàn)前后的超聲波首波聲時(shí)差，根據(jù)2個(gè)煤塊的首波聲時(shí)差，用Origin繪制成的等高線(xiàn)圖，如圖7。

從圖7可以看到，1號(hào)煤塊XY面和YZ面的首波聲時(shí)差數(shù)值在鉆孔周?chē)^大，最大值為66μs，這說(shuō)明裂隙主要在鉆孔附近產(chǎn)生，高壓電脈沖放電產(chǎn)生的沖擊波首先沖擊鉆孔附近煤體，使煤體產(chǎn)生裂隙，當(dāng)沖擊波從鉆孔向煤塊邊緣傳播的過(guò)程中，沖擊波能量損耗，首波聲時(shí)差越來(lái)越小，煤塊越靠近邊緣，產(chǎn)生的裂隙就會(huì)越少。2號(hào)煤塊鉆孔附近首波聲時(shí)差的最大值為105μs，比1號(hào)煤塊的最大值66μs增加39μs，另外，2號(hào)煤塊首波聲時(shí)差變化明顯的區(qū)域比1號(hào)煤塊的也更大，這說(shuō)明在相同的放電次數(shù)下，由于高壓電脈沖在1mol/L氯化鈉溶液中單次放電的壓力峰值高，隨著放電次數(shù)的積累，2號(hào)煤塊與1號(hào)煤塊相比，2號(hào)煤塊內(nèi)部產(chǎn)生的裂隙多，裂隙可以擴(kuò)展至整個(gè)煤塊。在高壓電脈沖的液電效應(yīng)下，氯化鈉溶液能夠增加煤塊內(nèi)部裂隙的數(shù)量。

圖7 煤塊側(cè)面首波聲時(shí)差等高線(xiàn)圖

4 結(jié)論

(1)采用自主搭建的高壓電脈沖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在充電電壓均為10kV的情況下，高壓電脈沖在水中和1mol/L的氯化鈉溶液放電后，距放電電極30cm處，測(cè)得的壓力峰值分別為1.25和1.60MPa，1mol/L的氯化鈉溶液能提高高壓電脈沖液電效應(yīng)的沖擊波壓力峰值。

(2)相同的1號(hào)煤塊和2號(hào)煤塊鉆孔中分別加入水和1mol/L的氯化鈉溶液后，高壓電脈沖對(duì)它們各放電8次，2號(hào)煤塊放電5次后，煤塊表面出現(xiàn)裂隙，比水少放電一次出現(xiàn)裂隙。2號(hào)煤塊的主裂隙更長(zhǎng)，分支裂隙較1號(hào)煤塊也更明顯，這說(shuō)明在高壓電脈沖的液電效應(yīng)下，氯化鈉溶液能夠加速煤塊表面裂隙的發(fā)育。

(3)用超聲波儀器檢測(cè)計(jì)算2個(gè)煤塊實(shí)驗(yàn)前后的首波聲時(shí)差后，從繪制的Origin等高線(xiàn)圖可以看出，2號(hào)煤塊鉆孔周?chē)氖撞晻r(shí)差比1號(hào)煤塊明顯更高，首波聲時(shí)差變化明顯的區(qū)域比1號(hào)煤塊的也更大，表明2號(hào)煤塊內(nèi)部煤體破碎更充分，說(shuō)明在高壓電脈沖的液電效應(yīng)下，氯化鈉溶液能夠增加煤塊內(nèi)部裂隙的數(shù)量。

(4)從高壓電脈沖對(duì)煤塊致裂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，氯化鈉溶液不僅能夠加速煤塊表面裂隙的發(fā)育，而且能夠增加煤塊內(nèi)部裂隙的數(shù)量，因此，氯化鈉溶液在一定程度上能夠起到對(duì)煤體強(qiáng)化致裂增透的效果。