電脈沖對無煙煤官能團及甲烷吸附特性影響研究

閆發志，王一涵，周 婧，楊永丹，彭守建，蔣長寶

（1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；2.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221008；3.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044）

煤層氣（瓦斯）是高效清潔能源，具有很高的開采價值。但由于煤層普遍透氣性差，往往存在單井（孔）抽采有效范圍小，抽采效率低，施工工藝繁瑣復雜等問題[1]。因此，國內外對煤層氣開發增透技術方法進行了大量的研究，例如水力割峰、水力沖孔以及松動爆破等煤層氣開采技術，雖然對煤層氣抽采有了一定的改善，但是現階段的抽采技術大多存在施工量大、污染性強等局限性[2]。因此，亟需開發安全高效的煤層增透技術來實現瓦斯高效抽采。近年來，電脈沖技術被應用于低滲透煤層致裂增滲，通過對煤體的有效擊穿，進而對煤層進行充分致裂，能夠促進煤體瓦斯解吸運移，提高煤層瓦斯的抽采效率[3]。

電脈沖技術起始于1930 年左右，起初應用于醫療研究，主要通過高功率的脈沖發射X 射線[4]。1960年開始，關于高壓電脈沖的相關研究還是迅速發展起來，逐漸形成一門熱門的研究課題[5]。20 世紀中期，有國外學者發現電脈沖技術在分解水溶液時，會產生高功率的脈沖波擊穿固態物體[6]。1980 年，電脈沖技術在德國應用于醫學臨床，用來進行人體體內碎石。1986 年，我國開始利用電脈沖技術進行油田采油，可以很好地解決油層堵塞的問題[7]。隨后電脈沖技術逐漸廣泛應用于油氣儲層解堵、醫學治療、藥物加工、食品滅菌、礦物開采等領域[8-9]。電脈沖技術原理主要是通過電容器將巨大的能量先儲存起來，經過轉換器將能量瞬間作用于負載上，具有高功率、大電流、強脈沖、無污染等特點[10]。

借鑒電脈沖技術在油田解堵等工程實際的成功應用，煤炭領域的學者開始提出利用電脈沖技術提高煤層氣的抽采效率[11]。電脈沖技術在擊穿煤體的過程中，對煤層具有剪切、造縫的作用，能夠改變煤的微觀孔裂隙結構，進而提高煤層滲透性[12]。煤層氣在煤儲層主要以吸附狀態存在，降低煤的甲烷吸附能力可以提高煤層氣的開發利用率。而電脈沖技術通過產生高溫和強沖擊波，作用于煤體時，煤體發生破碎，且微觀結構發生改變，對甲烷吸附能力有明顯的影響，最終達到改善煤孔隙瓦斯解吸運移的效果，從而提高煤層瓦斯抽采效率。

目前，電脈沖技術對煤體甲烷吸附能力影響研究還缺乏相關研究。因此，通過采用不同擊穿電壓對煤體進行擊穿致裂，研究了不同擊穿電壓下電流峰值的變化情況，同時采用傅里葉紅外測試以及等溫吸附實驗對不同擊穿電壓下煤樣官能團演化規律以及吸附甲烷能力變化特征進行了研究，為電脈沖提高煤層氣開采效率的工程應用提供理論指導。

1 實 驗

1.1 實驗樣品

采用的煤樣為貴州安順轎子山煤礦的無煙煤，標記為GY，將采集的煤樣進行加工處理，統一制作成直徑為50 mm，高度為30 mm 圓柱形煤柱。并對原煤進行了工業測試分析，煤樣工業測試結果如下：水分4.18%，灰分39.36%，揮發分7.60%，固定碳48.86%。

1.2 實驗平臺及原理

電脈沖致裂煤體增滲實驗系統主要由高壓電源、放電腔體、放電開關、示波器和電容等部分構成，實驗平臺如圖1。高壓電源的電壓范圍為0～50 kV，電容調節范圍為0～8 μF；電容的最大放電能量為10 kJ，同時該實驗平臺配備了泰克DPO2012B 示波器、PINTECH P6039A 高電壓探頭和PEM CWT600B型羅氏線圈，用于采集電脈沖擊穿煤體過程中的電壓和電流波形。

圖1 實驗平臺Fig.1 Experimental platform

實驗平臺工作原理是將煤樣放置在放電腔體的正電極和負電極之間，當施加的電壓達到實驗煤樣的擊穿電壓時，正負電極之間的煤體中會形成等離子體放電通道，電容中儲存的能量會瞬間注入煤體的放電通道，放電通道產生的高溫熱膨脹力和沖擊波能夠破壞煤體。

1.3 實驗步驟及分析方法

1）將制作完備的貴州安順轎子山煤礦分為6 組，分別標記為GY1、GY2、GY3、GY4、GY5 和GY6，對GY2～GY6 煤樣進行電脈沖擊穿實驗，將煤樣的兩端分別與放電腔體的正負電極緊密接觸，固定好后開啟高壓電源，對電容進行充電，當電容中的電壓達到設定的擊穿電壓時，閉合放電開關，進行電脈沖擊穿煤體實驗，煤樣GY2～GY6 分別用13、15、17、19、21 kV 電壓擊穿。

2）電脈沖擊穿煤樣結束后，分析不同擊穿電壓下電流峰值的變化規律，同時利用傅里葉紅外光譜測試儀對原煤以及擊穿煤樣的官能團演化特征進行測試分析，并采用貝士德公司生產的3H-2000PH 型高壓氣體吸附分析儀測試原煤和不同擊穿電壓下煤樣的甲烷等溫吸附情況，研究Langmuir 吸附常數a、b 的變化規律。

2 實驗結果

2.1 不同擊穿電壓下煤樣電流峰值變化特征

擊穿電壓以及放電過程中電流變化特征能反映固態物質被電擊穿的物化特性[11-12]。為了研究電脈沖擊穿試樣的過程中的放電規律，實驗采用了高壓探頭和羅氏線圈采集了煤樣擊穿過程中電壓以及電流波形。

17 kV 擊穿電壓條件下，電脈沖擊穿煤體的電壓和電流波形如圖2。可以看出，電脈沖擊穿煤樣過程主要經歷了3 個階段：熱擊穿階段、電擊穿階段、殘余階段。在第1 階段，放電開關閉合瞬間，煤樣兩端的電壓瞬間從0 kV 上升到17 kV 并保持一段時間，隨著熱擊穿過程的持續，煤體內不斷積聚能量，激活更多的電子，在強電場作用下，能量在煤樣中累積到一定程度，正負電極之間煤體內形成1 個完整的放電通道，這是煤體的熱擊穿階段；在第2 階段，煤樣內部形成放電通道，電容儲存的電能瞬間被注入到煤體內部，煤樣兩端電壓則由預定電壓瞬間迅速下降，電流波形迅速增大到最大值，然后又以極快的速度衰減，這個階段屬于電擊穿階段，煤體在這個階段發生明顯破壞；最后，電壓與電流波形又以震蕩波的形式波動最終幾乎同時達到0 附近，此階段為擊穿殘余階段。

圖2 電脈沖擊穿煤體的電壓和電流波形Fig.2 Voltage and current waveform of electric pulse breakdown coal body

不同擊穿電壓下電流峰值的變化規律如圖3。隨著擊穿電壓的逐漸增大，煤樣的電流峰值也在逐漸升高，通過對電流峰值與擊穿電壓之間的相關關系進行擬合，發現兩者呈現出指數化增加趨勢，擬合度R2為0.986，具有較高的擬合關系。由于電脈沖擊穿煤體過程中，瞬間會向煤體等離子體放電通道中注進巨大的能量，高溫使得煤體中導電粒子被激活，擊穿電壓越高，積聚的能量就越多，導電粒子被激活的越多，等離子體放電通道的導電性就越好，電流峰值就越大。

圖3 不同擊穿電壓下電流峰值的變化規律Fig.3 Variation of current peak under different breakdown voltages

2.2 不同擊穿電壓下煤樣官能團變化特征

在電脈沖擊穿煤體的過程中，煤官能團中的一些橋鍵會發生斷裂，借助FTIR 光譜圖可以分析不同擊穿電壓下煤樣官能團變化特征[13]。煤樣的紅外光譜譜圖中所反映的官能團區域主要有4 部分：羥基（-OH）吸收峰帶（3 700～3 000 cm-1）、脂肪烴（-CH3、-CH2、-CH）吸收峰帶（3 000～2 700 cm-1）、含氧官能團（C=O、COOH、C-O）吸收峰帶（1 800～1 000 cm-1）、芳香烴（苯環中-CH）吸收峰帶（900～700 cm-1）[14-15]，主要紅外峰值波數及代表意義見表1。

表1 主要紅外峰值波數及代表意義Table 1 Main infrared peak wave number and representative meaning

不同擊穿電壓下煤樣紅外光譜圖如圖4。在芳香烴中750、870 cm-1處次甲基-CH 吸收峰經過電脈沖擊穿后增加，且隨著擊穿電壓的增加而增加，在15 kV 后逐漸減小；1 600 cm-1處C=C 吸收峰隨擊穿電壓的提高呈現降低趨勢。在脂肪烴中1 440 cm-1處甲基CH3的吸收峰隨電壓增加有下降的趨勢，2 850、2 920 cm-1處亞甲基-CH2的吸收峰同樣隨擊穿電壓的升高而降低。

圖4 不同擊穿電壓下煤樣紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectra of coal samples under different breakdown voltages

同時發現，擊穿后煤樣對比原煤同處的吸收峰均有提高。含氧官能團中3 400 cm-1及3 620 cm-1處吸收峰代表羥基（-OH）的伸縮振動，其中3 400 cm-1屬于酚、醇或過氧化物在分子間締合的氫鍵，3 620 cm-1對應游離羥基的伸縮振動，這2 處的吸收峰的變化趨勢隨擊穿電壓的增加而逐漸減小，但較原煤吸收值增大。這是由于電脈沖作用于煤體釋放的大量電能和熱能，將煤中部分物質及其內部水分轉化為羥基形態，從而提高了其含氧官能團的含量，但隨著電壓的增加，較大的能量直接導致其內部水分含量的減少，且隨著熱效應的增加，脫氫效應使分子間締合的羥基減少，最終表現為吸收峰隨著電壓增加而減小。

2.3 不同擊穿電壓下煤樣吸附甲烷能力的演化特征

利用等溫吸附試驗，通過Langmuir 等溫吸附模型計算出不同擊穿電壓下煤樣的吸附常數a 和b 值[16]。a 值為煤樣在吸附瓦的過程中最大吸附量，b 值為煤樣吸附瓦斯快慢的數值指標[17]。Langmuir 方程的數學表達式如下[18]：

式中：p 為壓力，MPa；A 為吸附量，cm3/g；a 為吸附常數，cm3/ g；b 為吸附常數，MPa-1。

不同擊穿電壓下的吸附常數a、b 值變化如圖5、圖6。各個試樣煤樣的吸附量數據點與Langmuir方程有很好的擬合度，R2都在0.999 以上。其中，原煤GY1 樣品的甲烷極限吸附量最大，為32.45 m3/t；隨著擊穿電壓的升高，GY2～GY6 的甲烷極限吸附量都比原煤低。擊穿電壓為21 kV 時，GY6 樣品的甲烷吸附量為24.56 m3/t。當擊穿電壓越來越高時，整體上，擊穿的煤樣電壓越大，煤體中介孔孔結構被破壞的越多，大中孔范圍變大，使得煤樣吸附甲烷的能力減弱。

圖5 不同擊穿電壓下的吸附常數a 值變化Fig.5 Variation of adsorption constant a under different breakdown voltages

圖6 不同擊穿電壓下的吸附常數b 值變化Fig.6 Variation of adsorption constant b under different breakdown voltages

由圖5 可以看出，在常壓狀態下，隨著擊穿電壓的增加，a 值整體上是呈下降趨勢。原煤中微孔多，微孔有利于甲烷吸附，而原煤中不利于甲烷吸附的中大孔不發育，電脈沖致裂原煤后，很多微孔變成了大孔，導致甲烷吸附能力下降。同時，隨著擊穿電壓的增加，一些官能團的脫除，煤孔隙結構及表面活性大幅度降低，也會導致煤體甲烷吸附能力的降低，吸附甲烷含量不斷降低。

由圖6 可以看出，吸附常數b 隨擊穿電壓增加呈現先增加后減小再增加的波動式的變化。這是由于在擊穿電壓較低時，形成了大量新生大孔和裂隙，提高了甲烷吸附速度，隨著擊穿電壓升高，更多的微孔破壞成大孔隙，微孔數量急劇減少，甲烷吸附速度又下降，隨著電壓進一步增大，大孔隙和微孔孔隙都增加，甲烷吸附速度整體上又增加。

3 結 論

1）電脈沖擊穿煤體主要經歷了熱擊穿、電擊穿和殘余階段，煤體主要在電擊穿階段發生明顯破壞。擊穿煤樣的電流峰值隨著擊穿電壓的增加而增加，且呈現指數化的增加趨勢。

2）對電脈沖作用煤體的官能團研究發現，-CH 吸收峰隨著擊穿電壓的增加而升高；C=C、-CH3、-CH2、-OH 吸收峰隨擊穿電壓的提高呈現降低趨勢，但較原煤吸收值均增大。

3）不同擊穿電壓下煤樣的吸附量數據點與Langmuir 方程有很好的擬合度，R2都在0.999 以上。電脈沖擊穿煤樣的甲烷極限吸附量a 值都比原煤低；吸附常數b 值隨擊穿電壓增加呈現先增加后減小再增加的波動式變化。