水中高壓電脈沖放電致裂不同強度煤體效果研究

趙胤翔，趙金昌，馬忠忠，常 樂，李春明

(1.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024；2.中聯煤層氣有限責任公司，山西 太原 030002)

在中國全球化過程中，煤炭、天然氣等非可再生自然能源已成為中國經濟和戰略的重要支撐[1]。然而，我國的能源資源儲量較低，并且主要以煤炭形式存在，屬于富煤貧油國家。煤炭的開采伴隨著煤層氣的產生，煤層氣是一種清潔的天然能源，它的燃燒產物對環境污染較小，并且在我國的儲量豐富[2-4]。由于絕大多數煤層具有滲透率和儲存壓力很低的特性，使煤層氣的抽采效率很不理想，也是造成中國煤層氣產量普遍較小的根源所在[5]。正是上述諸多不利抽采條件的存在，增加煤層氣的抽采率，提高煤層氣的產量成為了當今煤層氣科學界研究的主要方向，提出一種合理的提高儲氣層滲透效率和增加產量的方法勢在必行[6]。高壓脈沖放電致裂增透技術是近幾年新出現的一項新技術，以其便捷、高效和環保的優點獲得行業內大量認可，提高煤層氣的產量擁有十足的現實意義[6-8]。

正是如此，國內外學者對電脈沖致裂增滲技術產生了濃厚的興趣，并進行了很多相關研究。盧紅奇等[9]針對高壓電脈沖致裂的機理做出了相應的解釋，即高壓電脈沖通過液電效應、空化效應和熱效應等對煤體進行剪切造縫、機械振動，使煤體表面及內部產生明顯裂隙、破壞裂隙中的阻塞物；李恒樂[10]研究發現在經過電脈沖致裂之后，煤體孔隙連通性增強，孔隙結構得到有效改善，滲透性增加；閆發志等[11]研究發現在空氣環境下，高壓電脈沖擊穿煤體有兩種形式，即沿內部擊穿和沿著煤體表面擊穿，并發現了煤體內部擊穿電壓和擊穿場強的變化規律；林伯泉等[12]發現NaCl溶液對電脈沖致裂增滲有著促進作用，浸泡過的煤體中存在的離子能夠放大電脈沖致裂效果，增加煤體的破碎程度；尹志強[13]通過研究得出了擊穿延時和靜水壓力對脈沖放電致裂效果的影響。然而高壓脈沖放電技術對不同物理力學特性煤體的致裂效果尚不清楚。

本文在前人研究的基礎上，運用高壓脈沖放電系統對不同強度煤體進行了相似致裂實驗，以探求不同強度煤體試樣裂紋的擴展情況，通過此次實驗，對于進一步認識水中脈沖放電現象、掌握放電后裂紋擴展特性、改進煤層氣抽采工藝都具有重要的意義。

1 實驗原理

液電現象[14]是在液體中以電能的方式急劇釋放能量，從而通過一系列的物理和化學變化發生能量轉化的過程。水中高壓脈沖放電增滲則是利用液電現象產生的水激波機械能等對巖體進行沖擊，從而使巖體產生裂紋，以此增加滲透性的一項技術。研究發現，水中高壓脈沖放電的過程一般分為電極間隙擊穿、擊穿水膨脹和水激波傳遞做功三個階段[11]。第一階段，會發生先導現象或熱力擊穿現象在這一過程中，電極間釋放的極大能量擊穿電極間隙；第二階段，電能轉化為機械能，并以水激波的形式表現出來，水激波是高壓脈沖放電進行能量轉換的重要媒介；第三階段，水激波能量以電極為中心，并以球形波的形式迅速向外傳遞電弧，并發生氣泡脈動現象。能量作用下產生的第一個水激波占據放電能量的大部分，與水激波的加載特性密切相關，電脈沖一次釋放的電能E由式(1)決定。

(1)

式中：C為電容值；Um為電容裝置兩端的電壓數值。在總能量相同下，不同的電壓和電容的組合形式將導致不同特征的放電擊穿過程，進而影響水激波的特性；而產生的第一水激波在遇到墻體或者其他障礙時會發生反彈，若在一個狹小的空間內釋放很大的能量，則會發生成千上萬次的能量波的反彈，繼而造成巖體破碎。

2 實驗研究

2.1 試樣制備

由于難以在原位進行實驗研究，直接取大尺度煤體加工制作極易造成煤體破裂等，制作與煤體強度和性質相近的試樣，并進行相應的模擬實驗是可以實現的措施。經過查詢文獻，結合實際綜合考慮最終確定以水泥、河砂和水構造出試樣骨架，并通過不同的質量比來實現試樣與煤體的強度近似；采用石膏、云母粉和珍珠巖控制試樣孔隙率，混合完成的材料如圖1(a)所示。具體質量比例見表1，模具的尺寸為30 cm×30 cm×30 cm的可拆卸式立方鐵箱，由底板和兩個90°的側板構成。對試樣進行養護處理后，對上表面進行拋光打磨，如圖1(b)所示。由于脈沖放電需要在鉆孔中進行，在立式鉆床上用合金水鉆鉆桿在試樣中心位置進行鉆孔，直徑為5 cm，進深為20 cm以保證電極能放入鉆孔中內，如圖1(c)所示。再對備用試樣取芯，得到巖石取芯試樣后，用電鋸和角磨機進行切割和打磨，得到抗拉和抗壓力學測試試樣。對試樣進行力學實驗，完成得到的抗拉性能和抗壓性能結果見表2。

圖1 試樣處理Fig.1 Sample handling

表1 試樣材料配比表Table 1 Sample material proportion table

綜合表2數據可以得到不同配比下的試樣強度：試樣1抗拉強度為0.21 MPa，抗壓強度為7.14 MPa；試樣2的抗拉強度為0.25 MPa，抗壓強度為10.87 MPa；試樣3的抗拉強度為1.39 MPa，抗壓強度為22.24 MPa。

表2 力學實驗強度表Table 2 Sample material proportion table

2.2 實驗儀器組成

實驗儀器由真三軸壓力機、電脈沖電容柜、充放電控制裝置和電極密封裝置等構成。充放電控制箱采用的是三電極觸發開關，它能夠將充電電路和放電電路分隔開，具有耐電流強度大、過壓保護等特點；儲能機柜內置兩臺MFM30-15型電容器，工作電壓為15 kV、工作電容為60 μF，以并聯的方式進行連接，減小設備因出現意外故障而損壞的程度。真三軸壓力機主要包括液壓油缸、電動液壓泵、液壓管路等部件，通過對試樣施加三個方向皆可調的圍壓，來模擬地層中巖體所受到的真實地應力情況。放電密封裝置由密封板和電極構成。密封板由帶有密封圈的鋼板焊接而成，可以最大承受5 MPa的靜水壓力。放電電極采取対極式，外部半徑為15 mm，長度150 mm，正負極間距5～10 mm。在水中放電產生沖擊波時，作用的主要方向為孔壁方向，可以很大程度的提高煤巖體的致裂效率。

2.3 實驗步驟

根據實驗目的需要，確定操作步驟如下所述。

1) 將試樣安置在真三軸壓力機中，在施加圍壓之前，在試樣四周各貼合一個鐵板，以保證施加軸壓時的受力均勻。

2) 觀察在施加圍壓之后，試樣表面是否產生裂紋，若產生裂紋，記錄下來以減少試驗誤差。

3) 向鉆孔內注滿水介質，在試樣上表面貼合一個鐵板，放置電極密封裝置并施加軸壓，形成對試樣的真三軸壓力控制。

4) 操作脈沖放電機柜，控制儲能機柜中電容器的數量及其連接方式，得到預定的電容量。

5) 操作充放電控制箱，施加預定的電壓值，以達到試驗所需的能量值；充電完畢后，按下放電開關。

6) 實驗預定次數后，卸載軸壓并卸下電極密封裝置，觀察裂紋的產生及延伸狀態并用高清相機記錄。

7) 重復步驟5)和步驟6)直至鉆孔中水介質發生滲漏，無法繼續保持靜水壓力，將脈沖放電系統接地、斷電。

3 實驗結果分析

3.1 裂紋宏觀分析

根據上述實驗步驟，對制備的煤體相似試樣進行高壓脈沖放電實驗，放電電壓Um為10 kV，電容值C為30 μF，軸向壓力為2 MPa，東西壓力為0.5 MPa，南北壓力為1 MPa，采用人工放電的放電方式。圖2～圖4為部分試樣裂紋發展圖，實驗結果如下所述。

從圖2中可以觀察到，試樣1在放電致裂13次后，表面形成貫通整個試樣的南北裂紋。圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)分別表示試樣1在5次、10次、13次脈沖放電作用下的上表面裂紋圖，為了能更清楚地看清試樣表面裂紋的變化，采用記號筆勾勒出其具體的形態與走勢。在放電5次時，表面形成了微小且肉眼可見的裂紋；在放電作用10次后，裂紋長度逐漸增加，且在主裂紋旁邊出現了分支裂紋；在放電作用至13次后，試樣表面出現貫通性裂紋，即表面裂紋的擴展程度隨著放電致裂次數的增加而發展；試樣2在15次脈沖放電作用下完全貫通，試樣裂紋發展過程如圖3所示。圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)分別表示試樣2在10次、15次和20次致裂作用下的上表面裂紋圖，從圖中可以看出，試樣在10次放電作用下，試樣表面裂紋無明顯變化，在15次脈沖放電作用下，試樣上表面形成了南北方向貫通性的裂紋，作用到20次時，試樣上表面裂紋寬度略微增加且試樣鉆孔中的水已經無法保存，故停止放電；試樣3在放電20次作用下，表面出現明顯貫通裂紋，圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)分別表示試樣3在10次、15次和20次致裂作用下的上表面裂紋圖，試樣在作用到20次時，試樣上表面出現南北方向貫通裂紋。

圖2 試樣1裂紋拓展圖Fig.2 Crack propagation diagram of specimen 1

圖3 試樣2裂紋拓展圖Fig.3 Crack propagation diagram of specimen 2

圖4 試樣3裂紋拓展圖Fig.4 Crack propagation diagram of specimen 3

綜合來看，高壓脈沖放電對三種不同強度的煤體相似試樣均具有造縫作用，且隨著放電次數的增加，試樣裂紋的發展程度隨之逐漸變大直至完全貫通。同時，試樣強度越大，試樣起裂所需次數越多，裂紋貫穿所需次數越多；且由于南北和東西方向的圍壓不同，存在圍壓差，裂紋始終沿著平行于最大主應力的方向(即東西方向)進行擴展。

根據圖中試樣裂紋的變化過程，可以將高壓脈沖放電作用下裂紋的擴展規律分為三步。

1) 準備階段。試樣在此階段表面無變化，隨著脈沖放電次數的增加，出現應力集中現象，隨著脈沖放電次數的增加，試樣內部損傷累計，造成試樣內部裂隙發育，但試樣表面無明顯裂紋的產生。

2) 發展階段。在此階段試樣表面開始出現微小的裂紋，并隨著作用次數的增加，裂紋的長度以及寬度都在逐漸增加，直至試樣上表面裂紋完全貫通。

3) 破壞階段。繼續增加致裂次數，南北方向上貫通主裂紋不再發生明顯變化，主裂紋旁邊繼續形成分支裂紋，脈沖放電直至試樣鉆孔中的水無法保存而從裂隙處滲出。

為了更加清晰地將裂紋擴展規律展現出來，現將試樣裂紋長度發展進行統計，如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著致裂次數的增加，三種煤體試樣表面裂紋擴展長度都在隨之增長；圖5中每一條曲線上相鄰兩點的斜率代表相鄰兩次放電次數下裂紋的發展速率，而在整個擴展的過程中，試樣1裂紋擴展速率略小于試樣2和試樣3，這是由于在脈沖放電裂紋擴展延伸過程中，試樣強度越小，越容易在已擴展的裂紋內部形成粉碎區，阻擋沖擊波的傳播，故其速率要小于高強度試樣；并且隨著試樣的強度逐漸升高，準備期所需要的致裂次數增加，裂紋的擴展速度呈現出慢-快-慢的趨勢，直至裂紋完全貫通。

圖5 不同強度煤體裂紋長度統計Fig.5 Statistics on crack length of coalwith different strength

為了更好地觀測對試樣的致裂效果，將試樣沿著上表面裂紋撬開，觀察鉆孔內裂紋情況，如圖6所示。由圖6中可知，經過電脈沖放電之后的試樣內部有明顯的裂紋，鉆孔壁上產生許多瑣碎裂隙。這證明對于相似材料試樣來說，相當次數的沖擊可以使試樣產生較大的裂紋，但并不會類似炸藥一樣對試樣內部造成破壞性的影響；對鉆孔側壁上造成肉眼可見裂紋損傷，且隨著距離鉆孔越近，損傷越大。由于電脈沖能量的急速釋放，在放電位置處的鉆孔石壁會產生凹進石壁的變形，形成一定范圍空腔。

圖6 試樣鉆孔內部Fig.6 Inside the drilled hole of test piece

3.2 裂紋微觀分析

在對試樣擴展的裂縫在進行宏觀觀測的同時，通過顯微拍照儀對試樣在不同實驗次數下的微觀裂紋特征進行拍攝，圖7為試樣1放電5次、10次和15次的微觀裂紋圖。通過觀察可以看到，在鉆孔周圍的裂紋隨著實驗次數的增加，裂縫寬度也隨之明顯的增加，并在實驗結束后，前部由于幾乎全部破裂而不再產生完整的裂紋。而距離鉆孔越遠，裂縫的寬度擴展不再明顯，不會產生裂紋破碎的情況。也就是說，電脈沖能量在鉆孔中的釋放次數對裂縫的長度擴展有著相當程度的促進作用，而對裂紋寬度而言，能量在傳遞的過程中，大小逐漸下降，能量的破壞作用繼續朝著裂縫延伸方向，只有少量能量作用于鉆孔附近裂縫兩邊，從而導致遠處的裂紋寬度不受影響。

圖7 試件裂紋微觀圖Fig.7 Crack micrograph

4 結 論

1) 通過對三種強度相似試樣進行水中高壓電脈沖致裂實驗得出，強度越大，形成南北貫通裂紋所需脈沖放電次數越多，所需要的能量也就越大；試樣強度越小，形成貫通裂紋后的試樣鉆孔內部裂隙發育更豐富。

2) 在試樣起裂后，試樣強度越小，裂紋擴展速率越小，這是由于試樣強度小，越容易在已擴展的裂紋內部形成粉碎區，堵塞裂縫阻擋水激波的傳遞，故其裂紋發展速率的小于高強度試樣。

3) 裂紋寬度而言，能量在傳遞的過程中，大小逐漸下降，能量的破壞作用繼續朝著裂縫延伸方向，只有少量會作用于鉆孔附近裂縫兩邊，從而導致遠處的裂紋寬度不受影響。