導電溶液濃度對高壓電脈沖煤體致裂增透效果影響實驗研究

陳 清，李堯斌

（1.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001）

我國作為煤炭大國，煤炭在能源消費結構中占有較大比重。為適應國家經濟快速發(fā)展的需求，煤炭占所有能源消耗的比例不斷上升。近年來，由于我國經濟增速逐漸放緩，在能源結構上有一定的調整幅度以及清潔能源的大量使用，使得煤炭在能源消費結構中的占比持續(xù)下降，但原煤產量卻逐年上升，根據“十四五”規(guī)劃要求，預計煤炭生產在未來能源結構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的重要因素，加之近些年煤炭開采逐漸轉移到深部，高瓦斯和高地應力的耦合條件使得煤層瓦斯抽采面臨的形勢日益嚴峻[5-9]。為了提高煤層滲透性，廣大學者開展了大量研究工作并提出多種增透方法，目前常用力學增透法。力學增透法包括開采保護層、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。而高壓脈沖技術致裂破壞煤體具有以下優(yōu)點：可以多次對煤體進行脈沖，脈沖致裂煤體的效率更高，效果更好；可以通過電脈沖設備釋放的脈沖波定向改造煤層，其作用目標更具有針對性和方向性。

高壓電脈沖實驗中導電溶液電解質通過電離作用和水解作用影響煤體的導電性，對孔隙結構的演化效果產生了一定的影響。為了驗證導電溶液濃度對高壓電脈沖煤體增透實驗的影響效果，通過高壓電脈沖實驗系統(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行高壓電脈沖放電致裂增透實驗，通過分析不同濃度下導電溶液的高壓電脈沖放電產生的脈沖壓力曲線的變化和超聲波檢測煤樣內部裂隙的改造情況，驗證導電溶液濃度對高壓電脈沖煤體導電性的影響以及對煤體的強化致裂增透效果。

1 實驗裝置及原理

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，電破碎實驗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，脈沖發(fā)生裝置中電極的正負極不與煤體直接接觸，電極間產生的等離子通道不發(fā)生在煤體內部，而發(fā)生在液體介質內，由于等離子通道的液體介質極速增大膨脹，等離子通道內的液體會形成強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驗研究中，大都采用液電破碎方法[16]。

高壓電脈沖實驗系統(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)和安全防護系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)如圖1所示。整個實驗系統(tǒng)的工作過程如下所述。

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

1）點擊設備連接按鍵，在脈沖能源系統(tǒng)中對電容器進行充電。

2）當充電完成達到設定電壓時，點擊觸發(fā)準備按鍵。

3）點擊脈沖觸發(fā)按鍵使放電系統(tǒng)中的電極放電。

4）在放電完成后點擊放電結束按鍵，結束放電，并對儲能電容器內的殘余電壓進行泄能。

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

為保證實驗儀器與操作人員的安全，煤樣的擊穿場強不應太高，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 實驗前煤樣試件Fig.2 Coal samples before experiment

該儀器原理為在水中進行高壓脈沖放電，利用放電在水中形成水激波，電極間產生的等離子通道不發(fā)生在煤體內部，而發(fā)生在液體介質內，其攜帶的能量作用到煤體上形成沖擊和振動效應，由于等離子通道的液體介質急速增大膨脹，等離子通道內的液體會形成強大的沖擊波作用于煤體表面，使煤體發(fā)生壓縮破壞，促進吸附狀態(tài)的煤層氣進一步解吸。使用后煤樣產生明顯裂隙，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生新的裂隙并使其互相貫通，形成相互關聯(lián)的裂隙網，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，液體介質作為沖擊波的傳播介質，沖擊波會在液體介質中多次折射、反射，使沖擊波疊加，增加沖擊波的峰值和沖量[17]。

圖3 實驗后煤樣試件Fig.3 Coal samples after experiment

2 實驗方案

實驗方案分為以下三個部分。

1）原煤樣的內部裂隙情況測試實驗。超聲波檢測技術是一種檢測試樣內部缺陷情況的無損檢測技術，具有對試樣無損壞、操作簡單和方便省時等特點。其工作原理是在試樣兩個平行端面對應位置放置發(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]。本實驗采用對測法對兩個煤樣進行超聲波檢測，為了便于放置探頭和測量數(shù)據，需要把煤樣表面劃分成均勻的方塊網格，劃分的煤柱測點模型如圖4所示。

圖4 煤柱測點模型Fig.4 Model of measuring points of coal pillar

在該模型中，煤樣對立面的網格應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在煤樣的對立面緊密結合。另外，為了使每次測得的數(shù)據更加準確，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)射信號探頭進入煤樣內部傳播，當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。根據超聲波在實驗前后煤樣內部傳輸時間的不同，可以計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，可以根據首波聲時差的大小來判斷實驗后的煤樣內部致裂增透效果。

2）煤樣高壓電脈沖放電致裂實驗。本次實驗采用不同濃度的NaCl溶液進行高壓電脈沖放電致裂增透實驗，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。

高壓電脈沖放電產生的脈沖壓力曲線與放電能量轉換有著密切關系，在實驗研究中，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換[19]。在高壓電脈沖產生的脈沖壓力曲線中，當Pm、t1和T增加時，電能轉換到等離子通道的內能增加，進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致裂增透煤體是一個復雜的電能向其他能量轉換的過程。在此過程中，電能的轉換見式（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)生液電效應預擊穿時能量的損失，包括放電過程中產生的聲、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很小的一部分，EC中的能量大小可以根據檢測到的壓力脈沖曲線進行分析。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驗對煤體內部裂隙情況測試實驗。煤樣經高壓電脈沖放電致裂實驗分解處理后，再次放入超聲波檢測儀器中，按步驟1）重復內部裂隙情況測試實驗，對比分析實驗前后首波聲時差的大小來判斷實驗后的煤樣內部致裂增透效果。

3 煤樣放電壓力特性結果與分析

為了研究導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行電脈沖擊穿實驗。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，能夠增大電能轉化為等離子通道能量的利用率，驗證了導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動更加劇烈，離子通道產生的沖擊波具有更高的能量和壓力。但是，當NaCl溶液達到一定濃度時，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電離子的吸附量達到飽和狀態(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，煤體的導電性基本不變。

4 煤樣超聲波測試結果與分析

用超聲波儀器對煤樣進行超聲波檢測時，探頭應放置在煤樣的兩側依次掃描，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)據進行分析，見表2和表3。

表2 實驗前后煤樣首波聲時測試數(shù)據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，說明導電溶液對放電介質處理后增強了煤樣的導電性能，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，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。說明導電溶液的濃度越大，煤體的導電性越強，煤樣內部裂隙變化情況越明顯，即高壓電脈沖在導電溶液濃度高的情況下沖擊載荷能量高，隨著導電溶液濃度的增加，高濃度煤樣的內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的變化規(guī)律相仿。表明當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，煤樣內部裂隙改造效果差別不大。

3）煤樣測點1和測點6的首波聲時差數(shù)值較大，說明裂隙主要在電極附近產生，因為電極放電產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，當沖擊載荷從電極向煤樣側面邊沿傳播的過程中，沖擊載荷能量損耗，沖擊載荷對煤樣內部裂隙改造越來越不明顯，首波聲時差也會越來越小。

5 結 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動更加劇烈，離子通道產生的沖擊波具有更高的能量和壓力，當NaCl溶液達到一定濃度時，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，當沖擊載荷從電極向煤體側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）高壓電脈沖在導電溶液濃度高的情況下沖擊載荷能量高，隨著導電溶液濃度的增加，高濃度煤體的內部裂隙改造效果較低濃度煤體更為顯著。但當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，煤體內部裂隙改造效果差別不大。