導(dǎo)電溶液濃度對高壓電脈沖煤體致裂增透效果影響實(shí)驗(yàn)研究

陳 清，李堯斌

（1.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

我國作為煤炭大國，煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占有較大比重。為適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求，煤炭占所有能源消耗的比例不斷上升。近年來，由于我國經(jīng)濟(jì)增速逐漸放緩，在能源結(jié)構(gòu)上有一定的調(diào)整幅度以及清潔能源的大量使用，使得煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比持續(xù)下降，但原煤產(chǎn)量卻逐年上升，根據(jù)“十四五”規(guī)劃要求，預(yù)計(jì)煤炭生產(chǎn)在未來能源結(jié)構(gòu)中依然占有較大比重[1-4]。

普遍存在的低滲煤層一直是制約我國煤炭安全高效生產(chǎn)的重要因素，加之近些年煤炭開采逐漸轉(zhuǎn)移到深部，高瓦斯和高地應(yīng)力的耦合條件使得煤層瓦斯抽采面臨的形勢日益嚴(yán)峻[5-9]。為了提高煤層滲透性，廣大學(xué)者開展了大量研究工作并提出多種增透方法，目前常用力學(xué)增透法。力學(xué)增透法包括開采保護(hù)層、密集電極、高壓氣體致裂、水力壓裂、水力造穴等[10-15]，但這些方法都有一定局限性。而高壓脈沖技術(shù)致裂破壞煤體具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以多次對煤體進(jìn)行脈沖，脈沖致裂煤體的效率更高，效果更好；可以通過電脈沖設(shè)備釋放的脈沖波定向改造煤層，其作用目標(biāo)更具有針對性和方向性。

高壓電脈沖實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)電溶液電解質(zhì)通過電離作用和水解作用影響煤體的導(dǎo)電性，對孔隙結(jié)構(gòu)的演化效果產(chǎn)生了一定的影響。為了驗(yàn)證導(dǎo)電溶液濃度對高壓電脈沖煤體增透實(shí)驗(yàn)的影響效果，通過高壓電脈沖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在相同煤樣情況下使用水溶液和濃度分別為0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L的NaCl溶液處理后的煤樣進(jìn)行高壓電脈沖放電致裂增透實(shí)驗(yàn)，通過分析不同濃度下導(dǎo)電溶液的高壓電脈沖放電產(chǎn)生的脈沖壓力曲線的變化和超聲波檢測煤樣內(nèi)部裂隙的改造情況，驗(yàn)證導(dǎo)電溶液濃度對高壓電脈沖煤體導(dǎo)電性的影響以及對煤體的強(qiáng)化致裂增透效果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

高壓電脈沖作用煤體的方式通常有兩種，分別是電破碎和液電破碎。其中，電破碎實(shí)驗(yàn)中的電極裸露在空氣中放電，具有一定的危險性，長期使用這種放電方式也會影響儀器的壽命；而液電破碎主要工作原理是高壓電脈沖在液體中放電時發(fā)生液電效應(yīng)，脈沖發(fā)生裝置中電極的正負(fù)極不與煤體直接接觸，電極間產(chǎn)生的等離子通道不發(fā)生在煤體內(nèi)部，而發(fā)生在液體介質(zhì)內(nèi)，由于等離子通道的液體介質(zhì)極速增大膨脹，等離子通道內(nèi)的液體會形成強(qiáng)大的沖擊波作用于煤體表面，使煤體發(fā)生壓縮破壞。因此，在高壓電脈沖煤體致裂實(shí)驗(yàn)研究中，大都采用液電破碎方法[16]。

高壓電脈沖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括脈沖能源系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、放電系統(tǒng)、示波器系統(tǒng)、壓力傳感器系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作過程如下所述。

圖1 高壓電脈沖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experiment system of high-voltage electrical pulse

1）點(diǎn)擊設(shè)備連接按鍵，在脈沖能源系統(tǒng)中對電容器進(jìn)行充電。

2）當(dāng)充電完成達(dá)到設(shè)定電壓時，點(diǎn)擊觸發(fā)準(zhǔn)備按鍵。

3）點(diǎn)擊脈沖觸發(fā)按鍵使放電系統(tǒng)中的電極放電。

4）在放電完成后點(diǎn)擊放電結(jié)束按鍵，結(jié)束放電，并對儲能電容器內(nèi)的殘余電壓進(jìn)行泄能。

放置在水中的壓力傳感器會感應(yīng)接收壓力值，并通過動態(tài)信號采集儀器將數(shù)據(jù)收集到示波器中。

為保證實(shí)驗(yàn)儀器與操作人員的安全，煤樣的擊穿場強(qiáng)不應(yīng)太高，煤樣為神木紅巖煤礦煙煤，將其加工成直徑50 mm、高度100 mm的圓柱狀，具體情況如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)前煤樣試件Fig.2 Coal samples before experiment

該儀器原理為在水中進(jìn)行高壓脈沖放電，利用放電在水中形成水激波，電極間產(chǎn)生的等離子通道不發(fā)生在煤體內(nèi)部，而發(fā)生在液體介質(zhì)內(nèi)，其攜帶的能量作用到煤體上形成沖擊和振動效應(yīng)，由于等離子通道的液體介質(zhì)急速增大膨脹，等離子通道內(nèi)的液體會形成強(qiáng)大的沖擊波作用于煤體表面，使煤體發(fā)生壓縮破壞，促進(jìn)吸附狀態(tài)的煤層氣進(jìn)一步解吸。使用后煤樣產(chǎn)生明顯裂隙，具體情況如圖3所示。此外，還會使得煤層原有微小裂隙或其他缺陷張開產(chǎn)生新的裂隙并使其互相貫通，形成相互關(guān)聯(lián)的裂隙網(wǎng)，為瓦斯提供新的流動通道，水擊波的振蕩作用還會阻止裂縫的閉合，液體介質(zhì)作為沖擊波的傳播介質(zhì)，沖擊波會在液體介質(zhì)中多次折射、反射，使沖擊波疊加，增加沖擊波的峰值和沖量[17]。

圖3 實(shí)驗(yàn)后煤樣試件Fig.3 Coal samples after experiment

2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案分為以下三個部分。

1）原煤樣的內(nèi)部裂隙情況測試實(shí)驗(yàn)。超聲波檢測技術(shù)是一種檢測試樣內(nèi)部缺陷情況的無損檢測技術(shù)，具有對試樣無損壞、操作簡單和方便省時等特點(diǎn)。其工作原理是在試樣兩個平行端面對應(yīng)位置放置發(fā)射信號探頭和接收信號探頭后，通過聲波在試樣內(nèi)部的傳播速度、振幅和頻率等參數(shù)來判定試樣的缺陷情況[18]。本實(shí)驗(yàn)采用對測法對兩個煤樣進(jìn)行超聲波檢測，為了便于放置探頭和測量數(shù)據(jù)，需要把煤樣表面劃分成均勻的方塊網(wǎng)格，劃分的煤柱測點(diǎn)模型如圖4所示。

圖4 煤柱測點(diǎn)模型Fig.4 Model of measuring points of coal pillar

在該模型中，煤樣對立面的網(wǎng)格應(yīng)相互對立并處于同一水平線上，測量煤樣的首波聲時，發(fā)射信號探頭和接收信號探頭應(yīng)在煤樣的對立面緊密結(jié)合。另外，為了使每次測得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，需要在兩個探頭上涂抹凡士林，使其與煤樣表面更加緊密接觸。

在檢測過程中，超聲波從發(fā)射信號探頭進(jìn)入煤樣內(nèi)部傳播，當(dāng)超聲波遇到孔隙或者裂隙缺陷時，就會出現(xiàn)繞射現(xiàn)象，會使超聲波傳到接收信號探頭一端的時間增長。根據(jù)超聲波在實(shí)驗(yàn)前后煤樣內(nèi)部傳輸時間的不同，可以計(jì)算出超聲波的首波聲時差，首波聲時差越大，兩個探頭間的缺陷就越大。因此，可以根據(jù)首波聲時差的大小來判斷實(shí)驗(yàn)后的煤樣內(nèi)部致裂增透效果。

2）煤樣高壓電脈沖放電致裂實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)采用不同濃度的NaCl溶液進(jìn)行高壓電脈沖放電致裂增透實(shí)驗(yàn)，高壓電脈沖在水溶液和濃度分別為0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L的NaCl溶液中各放電3次后，從示波器中采集各個不同濃度NaCl溶液放電后的壓力數(shù)據(jù)。

高壓電脈沖放電產(chǎn)生的脈沖壓力曲線與放電能量轉(zhuǎn)換有著密切關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)研究中，通常選擇第1脈沖的壓力峰值Pm、壓力上升時間t1和脈沖持續(xù)時間T研究高壓電脈沖作用下電能向其他形式的能量轉(zhuǎn)換[19]。在高壓電脈沖產(chǎn)生的脈沖壓力曲線中，當(dāng)Pm、t1和T增加時，電能轉(zhuǎn)換到等離子通道的內(nèi)能增加，進(jìn)而使等離子通道膨脹的勢能增加，增大等離子通道的半徑，又由于沖擊波在液體中傳播的速度基本不變，從而會導(dǎo)致t1和T的增加，而且等離子通道膨脹勢能的增加也會在產(chǎn)生沖擊波時，增大沖擊波的壓力峰值Pm。

高壓電脈沖的液電效應(yīng)致裂增透煤體是一個復(fù)雜的電能向其他能量轉(zhuǎn)換的過程。在此過程中，電能的轉(zhuǎn)換見式（1）和式（2）。

式中：E為電容器儲存的能量，每次放電電容器儲存的能量不變，J；EL為發(fā)生液電效應(yīng)預(yù)擊穿時能量的損失，包括放電過程中產(chǎn)生的聲、光、熱等，J；ER為等離子通道形成后整個回路電阻消耗的能量，J；EC為等離子通道建立起來后電能注入到通道中的能量，即為等離子通道中的沉積能量，J；C為電容器電容容量，F(xiàn)；U為充電電壓，V。其中，EL和ER兩者的能量消耗占據(jù)很小的一部分，EC中的能量大小可以根據(jù)檢測到的壓力脈沖曲線進(jìn)行分析。脈沖壓力曲線的Pm、t1和T的增加，可以說明注入等離子通道的能量增加，即EC增加[20]。

通過對比分析高壓電脈沖在水溶液和不同濃度的NaCl溶液中放電得到的壓力脈沖曲線，得到放電介質(zhì)的離子濃度對高壓電脈沖壓力峰值影響的原理。

3）高壓電脈沖放電致裂實(shí)驗(yàn)對煤體內(nèi)部裂隙情況測試實(shí)驗(yàn)。煤樣經(jīng)高壓電脈沖放電致裂實(shí)驗(yàn)分解處理后，再次放入超聲波檢測儀器中，按步驟1）重復(fù)內(nèi)部裂隙情況測試實(shí)驗(yàn)，對比分析實(shí)驗(yàn)前后首波聲時差的大小來判斷實(shí)驗(yàn)后的煤樣內(nèi)部致裂增透效果。

3 煤樣放電壓力特性結(jié)果與分析

為了研究導(dǎo)電離子溶液不同濃度處理下煤體電脈沖擊穿放電壓力特性變化規(guī)律，對水溶液和濃度分別為0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L的NaCl溶液處理后的煤樣進(jìn)行電脈沖擊穿實(shí)驗(yàn)。圖5和圖6為水溶液和不同濃度的NaCl溶液放電壓力曲線。

圖5 水溶液放電壓力曲線Fig.5 Discharge pressure curve in aqueous solution

圖6 不同濃度NaCl溶液放電壓力曲線Fig.6 Discharge pressure curves of NaCl solutions with different concentrations

由圖5和圖6可知，NaCl離子溶液中放電后的壓力峰值比在水溶液中放電后的壓力峰值高，高壓電脈沖在NaCl離子溶液中放電與在水溶液中放電相比，電極陽極附近的正離子和電極陰極附近的負(fù)離子濃度都大大增加，電極陽極和陰極離子間的定向移動會更加劇烈，因此，NaCl溶液中放電后的壓力峰值要比在水中放電后的壓力峰值高。

在不同濃度NaCl溶液中放電得到的壓力曲線除了波峰不一樣以外，其他波形基本一致，表明不同濃度NaCl溶液中放電的壓力上升時間和脈沖持續(xù)時間相同，僅壓力峰值不同，即相同的放電時間內(nèi)NaCl溶液的濃度越高，高壓電脈沖放電的壓力越大，這說明一定濃度的NaCl溶液能提高沖擊波的壓力峰值。

表1為高壓電脈沖在水溶液和不同濃度的NaCl溶液放電后，通過示波器檢測得出的3次放電壓力曲線的壓力峰值及其平均值。

表1 水溶液和不同濃度NaCl溶液壓力峰值及其平均值Table 1 Pressure peaks and average values of aqueous solution and NaCl solutions with different concentrations單位：MPa

由表1可知，與在水溶液中放電相比，在0.5 mol/L NaCl溶液中平均放電壓力峰值升高了28.8%；在1.0 mol/L NaCl溶液中平均放電壓力峰值升高了63.2%；在1.5 mol/L NaCl溶液中平均放電壓力峰值升高了76.8%；在2.0 mol/L NaCl溶液中平均放電壓力峰值升高了78.4%。在NaCl溶液中放電壓力峰值較在水溶液中放電壓力峰值明顯升高，表明高壓電脈沖在一定濃度的NaCl溶液中放電，能夠增大電能轉(zhuǎn)化為等離子通道能量的利用率，驗(yàn)證了導(dǎo)電離子溶液的加入可以優(yōu)化高壓電脈沖放電致裂增透效果。

隨著NaCl溶液濃度升高，放電壓力峰值明顯升高，其原理是隨著NaCl溶液濃度的提高，等離子通道離子濃度的增加，使等離子通道的離子運(yùn)動更加劇烈，離子通道產(chǎn)生的沖擊波具有更高的能量和壓力。但是，當(dāng)NaCl溶液達(dá)到一定濃度時，放電壓力峰值不再隨著NaCl溶液濃度的增加而增加，而是穩(wěn)定在2.20 MPa左右，表明各種煤樣其顆粒表面對各導(dǎo)電離子的吸附量達(dá)到飽和狀態(tài)后，即使浸泡時間和濃度增加，但在溶液離子濃度超過某一吸附飽和濃度時，煤體吸附離子的數(shù)量基本維持不變，煤體的導(dǎo)電性基本不變。

4 煤樣超聲波測試結(jié)果與分析

用超聲波儀器對煤樣進(jìn)行超聲波檢測時，探頭應(yīng)放置在煤樣的兩側(cè)依次掃描，每掃描一次需記錄保存得到的首波聲時，超聲波首波聲時差能反應(yīng)兩個相互平行的平面間缺陷的大小，首波聲時差越大，兩個平面間的缺陷就越大。

選取水溶液和不同濃度的NaCl溶液處理后的煤樣前后的首波聲時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見表2和表3。

表2 實(shí)驗(yàn)前后煤樣首波聲時測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of first wave acoustic time of coal samples before and after experiment

表3 首波聲時差測試數(shù)據(jù)Table 3 Test data of first wave acoustic time difference

由表2和表3可知，不同濃度的NaCl溶液處理后的煤樣首波聲時差對比水溶液的首波聲時差明顯增大，說明導(dǎo)電溶液對放電介質(zhì)處理后增強(qiáng)了煤樣的導(dǎo)電性能，有利于煤體裂隙的發(fā)育，使煤體裂隙數(shù)目增加，對煤體致裂增透能夠起到強(qiáng)化作用。圖7為不同濃度的NaCl溶液處理后的煤樣首波聲時差數(shù)值變化圖。

圖7 首波聲時差變化圖Fig.7 Change diagram of first wave acoustic time difference

1）在相同測點(diǎn)，高濃度NaCl溶液處理后的煤樣的首波聲時差較低濃度NaCl溶液與水溶液處理后的煤樣更大，如在測點(diǎn)1，首波聲時差的最大值為6.60 μs，比0.5 mol/L NaCl溶液處理后的煤樣的首波聲時差4.10 μs增加了2.50 μs，比水溶液處理后的煤樣的首波聲時差的2.60 μs增加了4.00 μs。說明導(dǎo)電溶液的濃度越大，煤體的導(dǎo)電性越強(qiáng)，煤樣內(nèi)部裂隙變化情況越明顯，即高壓電脈沖在導(dǎo)電溶液濃度高的情況下沖擊載荷能量高，隨著導(dǎo)電溶液濃度的增加，高濃度煤樣的內(nèi)部裂隙改造效果較低濃度煤樣更為顯著。

2）隨著溶液濃度的增加，煤樣首波聲時差在各測點(diǎn)的變化差值減小，且1.5 mol/L NaCl溶液與2.0 mol/L NaCl溶液處理后的煤樣的首波聲時差在各測點(diǎn)的變化規(guī)律相仿。表明當(dāng)溶液濃度增加到一定時，煤樣吸附離子的數(shù)量基本維持不變，因此，煤樣內(nèi)部裂隙改造效果差別不大。

3）煤樣測點(diǎn)1和測點(diǎn)6的首波聲時差數(shù)值較大，說明裂隙主要在電極附近產(chǎn)生，因?yàn)殡姌O放電產(chǎn)生的沖擊載荷首先會沖擊電極附近煤樣，改造電極附近的煤樣，當(dāng)沖擊載荷從電極向煤樣側(cè)面邊沿傳播的過程中，沖擊載荷能量損耗，沖擊載荷對煤樣內(nèi)部裂隙改造越來越不明顯，首波聲時差也會越來越小。

5 結(jié) 論

1）在不同濃度的NaCl溶液中，放電壓力峰值均較水溶液中放電壓力峰值相比明顯升高，導(dǎo)電離子溶液的加入可以提高放電壓力峰值，優(yōu)化放電效果。

2）隨著NaCl溶液濃度的提高，等離子通道離子濃度的增加，使等離子通道的離子運(yùn)動更加劇烈，離子通道產(chǎn)生的沖擊波具有更高的能量和壓力，當(dāng)NaCl溶液達(dá)到一定濃度時，放電壓力峰值不再隨著NaCl溶液濃度的增加而增加，而是穩(wěn)定在2.20 MPa左右。

3）電極放電產(chǎn)生的沖擊載荷首先會沖擊電極附近煤體，改造電極附近煤體，當(dāng)沖擊載荷從電極向煤體側(cè)面邊沿傳播的過程中，沖擊載荷能量損耗，沖擊載荷對煤體內(nèi)部裂隙改造越來越不明顯，首波聲時差也會越來越小。

4）高壓電脈沖在導(dǎo)電溶液濃度高的情況下沖擊載荷能量高，隨著導(dǎo)電溶液濃度的增加，高濃度煤體的內(nèi)部裂隙改造效果較低濃度煤體更為顯著。但當(dāng)溶液濃度增加到一定時，煤體吸附離子的數(shù)量基本維持不變，煤體內(nèi)部裂隙改造效果差別不大。