电脉冲对无烟煤官能团及甲烷吸附特性影响研究

闫发志，王一涵，周 婧，杨永丹，彭守建，蒋长宝

（1.太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024；2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221008；3.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044）

煤层气（瓦斯）是高效清洁能源，具有很高的开采价值。但由于煤层普遍透气性差，往往存在单井（孔）抽采有效范围小，抽采效率低，施工工艺繁琐复杂等问题[1]。因此，国内外对煤层气开发增透技术方法进行了大量的研究，例如水力割峰、水力冲孔以及松动爆破等煤层气开采技术，虽然对煤层气抽采有了一定的改善，但是现阶段的抽采技术大多存在施工量大、污染性强等局限性[2]。因此，亟需开发安全高效的煤层增透技术来实现瓦斯高效抽采。近年来，电脉冲技术被应用于低渗透煤层致裂增渗，通过对煤体的有效击穿，进而对煤层进行充分致裂，能够促进煤体瓦斯解吸运移，提高煤层瓦斯的抽采效率[3]。

电脉冲技术起始于1930 年左右，起初应用于医疗研究，主要通过高功率的脉冲发射X 射线[4]。1960年开始，关于高压电脉冲的相关研究还是迅速发展起来，逐渐形成一门热门的研究课题[5]。20 世纪中期，有国外学者发现电脉冲技术在分解水溶液时，会产生高功率的脉冲波击穿固态物体[6]。1980 年，电脉冲技术在德国应用于医学临床，用来进行人体体内碎石。1986 年，我国开始利用电脉冲技术进行油田采油，可以很好地解决油层堵塞的问题[7]。随后电脉冲技术逐渐广泛应用于油气储层解堵、医学治疗、药物加工、食品灭菌、矿物开采等领域[8-9]。电脉冲技术原理主要是通过电容器将巨大的能量先储存起来，经过转换器将能量瞬间作用于负载上，具有高功率、大电流、强脉冲、无污染等特点[10]。

借鉴电脉冲技术在油田解堵等工程实际的成功应用，煤炭领域的学者开始提出利用电脉冲技术提高煤层气的抽采效率[11]。电脉冲技术在击穿煤体的过程中，对煤层具有剪切、造缝的作用，能够改变煤的微观孔裂隙结构，进而提高煤层渗透性[12]。煤层气在煤储层主要以吸附状态存在，降低煤的甲烷吸附能力可以提高煤层气的开发利用率。而电脉冲技术通过产生高温和强冲击波，作用于煤体时，煤体发生破碎，且微观结构发生改变，对甲烷吸附能力有明显的影响，最终达到改善煤孔隙瓦斯解吸运移的效果，从而提高煤层瓦斯抽采效率。

目前，电脉冲技术对煤体甲烷吸附能力影响研究还缺乏相关研究。因此，通过采用不同击穿电压对煤体进行击穿致裂，研究了不同击穿电压下电流峰值的变化情况，同时采用傅里叶红外测试以及等温吸附实验对不同击穿电压下煤样官能团演化规律以及吸附甲烷能力变化特征进行了研究，为电脉冲提高煤层气开采效率的工程应用提供理论指导。

1 实 验

1.1 实验样品

采用的煤样为贵州安顺轿子山煤矿的无烟煤，标记为GY，将采集的煤样进行加工处理，统一制作成直径为50 mm，高度为30 mm 圆柱形煤柱。并对原煤进行了工业测试分析，煤样工业测试结果如下：水分4.18%，灰分39.36%，挥发分7.60%，固定碳48.86%。

1.2 实验平台及原理

电脉冲致裂煤体增渗实验系统主要由高压电源、放电腔体、放电开关、示波器和电容等部分构成，实验平台如图1。高压电源的电压范围为0～50 kV，电容调节范围为0～8 μF；电容的最大放电能量为10 kJ，同时该实验平台配备了泰克DPO2012B 示波器、PINTECH P6039A 高电压探头和PEM CWT600B型罗氏线圈，用于采集电脉冲击穿煤体过程中的电压和电流波形。

图1 实验平台Fig.1 Experimental platform

实验平台工作原理是将煤样放置在放电腔体的正电极和负电极之间，当施加的电压达到实验煤样的击穿电压时，正负电极之间的煤体中会形成等离子体放电通道，电容中储存的能量会瞬间注入煤体的放电通道，放电通道产生的高温热膨胀力和冲击波能够破坏煤体。

1.3 实验步骤及分析方法

1）将制作完备的贵州安顺轿子山煤矿分为6 组，分别标记为GY1、GY2、GY3、GY4、GY5 和GY6，对GY2～GY6 煤样进行电脉冲击穿实验，将煤样的两端分别与放电腔体的正负电极紧密接触，固定好后开启高压电源，对电容进行充电，当电容中的电压达到设定的击穿电压时，闭合放电开关，进行电脉冲击穿煤体实验，煤样GY2～GY6 分别用13、15、17、19、21 kV 电压击穿。

2）电脉冲击穿煤样结束后，分析不同击穿电压下电流峰值的变化规律，同时利用傅里叶红外光谱测试仪对原煤以及击穿煤样的官能团演化特征进行测试分析，并采用贝士德公司生产的3H-2000PH 型高压气体吸附分析仪测试原煤和不同击穿电压下煤样的甲烷等温吸附情况，研究Langmuir 吸附常数a、b 的变化规律。

2 实验结果

2.1 不同击穿电压下煤样电流峰值变化特征

击穿电压以及放电过程中电流变化特征能反映固态物质被电击穿的物化特性[11-12]。为了研究电脉冲击穿试样的过程中的放电规律，实验采用了高压探头和罗氏线圈采集了煤样击穿过程中电压以及电流波形。

17 kV 击穿电压条件下，电脉冲击穿煤体的电压和电流波形如图2。可以看出，电脉冲击穿煤样过程主要经历了3 个阶段：热击穿阶段、电击穿阶段、残余阶段。在第1 阶段，放电开关闭合瞬间，煤样两端的电压瞬间从0 kV 上升到17 kV 并保持一段时间，随着热击穿过程的持续，煤体内不断积聚能量，激活更多的电子，在强电场作用下，能量在煤样中累积到一定程度，正负电极之间煤体内形成1 个完整的放电通道，这是煤体的热击穿阶段；在第2 阶段，煤样内部形成放电通道，电容储存的电能瞬间被注入到煤体内部，煤样两端电压则由预定电压瞬间迅速下降，电流波形迅速增大到最大值，然后又以极快的速度衰减，这个阶段属于电击穿阶段，煤体在这个阶段发生明显破坏；最后，电压与电流波形又以震荡波的形式波动最终几乎同时达到0 附近，此阶段为击穿残余阶段。

图2 电脉冲击穿煤体的电压和电流波形Fig.2 Voltage and current waveform of electric pulse breakdown coal body

不同击穿电压下电流峰值的变化规律如图3。随着击穿电压的逐渐增大，煤样的电流峰值也在逐渐升高，通过对电流峰值与击穿电压之间的相关关系进行拟合，发现两者呈现出指数化增加趋势，拟合度R2为0.986，具有较高的拟合关系。由于电脉冲击穿煤体过程中，瞬间会向煤体等离子体放电通道中注进巨大的能量，高温使得煤体中导电粒子被激活，击穿电压越高，积聚的能量就越多，导电粒子被激活的越多，等离子体放电通道的导电性就越好，电流峰值就越大。

图3 不同击穿电压下电流峰值的变化规律Fig.3 Variation of current peak under different breakdown voltages

2.2 不同击穿电压下煤样官能团变化特征

在电脉冲击穿煤体的过程中，煤官能团中的一些桥键会发生断裂，借助FTIR 光谱图可以分析不同击穿电压下煤样官能团变化特征[13]。煤样的红外光谱谱图中所反映的官能团区域主要有4 部分：羟基（-OH）吸收峰带（3 700～3 000 cm-1）、脂肪烃（-CH3、-CH2、-CH）吸收峰带（3 000～2 700 cm-1）、含氧官能团（C=O、COOH、C-O）吸收峰带（1 800～1 000 cm-1）、芳香烃（苯环中-CH）吸收峰带（900～700 cm-1）[14-15]，主要红外峰值波数及代表意义见表1。

表1 主要红外峰值波数及代表意义Table 1 Main infrared peak wave number and representative meaning

不同击穿电压下煤样红外光谱图如图4。在芳香烃中750、870 cm-1处次甲基-CH 吸收峰经过电脉冲击穿后增加，且随着击穿电压的增加而增加，在15 kV 后逐渐减小；1 600 cm-1处C=C 吸收峰随击穿电压的提高呈现降低趋势。在脂肪烃中1 440 cm-1处甲基CH3的吸收峰随电压增加有下降的趋势，2 850、2 920 cm-1处亚甲基-CH2的吸收峰同样随击穿电压的升高而降低。

图4 不同击穿电压下煤样红外光谱图Fig.4 FTIR spectra of coal samples under different breakdown voltages

同时发现，击穿后煤样对比原煤同处的吸收峰均有提高。含氧官能团中3 400 cm-1及3 620 cm-1处吸收峰代表羟基（-OH）的伸缩振动，其中3 400 cm-1属于酚、醇或过氧化物在分子间缔合的氢键，3 620 cm-1对应游离羟基的伸缩振动，这2 处的吸收峰的变化趋势随击穿电压的增加而逐渐减小，但较原煤吸收值增大。这是由于电脉冲作用于煤体释放的大量电能和热能，将煤中部分物质及其内部水分转化为羟基形态，从而提高了其含氧官能团的含量，但随着电压的增加，较大的能量直接导致其内部水分含量的减少，且随着热效应的增加，脱氢效应使分子间缔合的羟基减少，最终表现为吸收峰随着电压增加而减小。

2.3 不同击穿电压下煤样吸附甲烷能力的演化特征

利用等温吸附试验，通过Langmuir 等温吸附模型计算出不同击穿电压下煤样的吸附常数a 和b 值[16]。a 值为煤样在吸附瓦的过程中最大吸附量，b 值为煤样吸附瓦斯快慢的数值指标[17]。Langmuir 方程的数学表达式如下[18]：

式中：p 为压力，MPa；A 为吸附量，cm3/g；a 为吸附常数，cm3/ g；b 为吸附常数，MPa-1。

不同击穿电压下的吸附常数a、b 值变化如图5、图6。各个试样煤样的吸附量数据点与Langmuir方程有很好的拟合度，R2都在0.999 以上。其中，原煤GY1 样品的甲烷极限吸附量最大，为32.45 m3/t；随着击穿电压的升高，GY2～GY6 的甲烷极限吸附量都比原煤低。击穿电压为21 kV 时，GY6 样品的甲烷吸附量为24.56 m3/t。当击穿电压越来越高时，整体上，击穿的煤样电压越大，煤体中介孔孔结构被破坏的越多，大中孔范围变大，使得煤样吸附甲烷的能力减弱。

图5 不同击穿电压下的吸附常数a 值变化Fig.5 Variation of adsorption constant a under different breakdown voltages

图6 不同击穿电压下的吸附常数b 值变化Fig.6 Variation of adsorption constant b under different breakdown voltages

由图5 可以看出，在常压状态下，随着击穿电压的增加，a 值整体上是呈下降趋势。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发育，电脉冲致裂原煤后，很多微孔变成了大孔，导致甲烷吸附能力下降。同时，随着击穿电压的增加，一些官能团的脱除，煤孔隙结构及表面活性大幅度降低，也会导致煤体甲烷吸附能力的降低，吸附甲烷含量不断降低。

由图6 可以看出，吸附常数b 随击穿电压增加呈现先增加后减小再增加的波动式的变化。这是由于在击穿电压较低时，形成了大量新生大孔和裂隙，提高了甲烷吸附速度，随着击穿电压升高，更多的微孔破坏成大孔隙，微孔数量急剧减少，甲烷吸附速度又下降，随着电压进一步增大，大孔隙和微孔孔隙都增加，甲烷吸附速度整体上又增加。

3 结 论

1）电脉冲击穿煤体主要经历了热击穿、电击穿和残余阶段，煤体主要在电击穿阶段发生明显破坏。击穿煤样的电流峰值随着击穿电压的增加而增加，且呈现指数化的增加趋势。

2）对电脉冲作用煤体的官能团研究发现，-CH 吸收峰随着击穿电压的增加而升高；C=C、-CH3、-CH2、-OH 吸收峰随击穿电压的提高呈现降低趋势，但较原煤吸收值均增大。

3）不同击穿电压下煤样的吸附量数据点与Langmuir 方程有很好的拟合度，R2都在0.999 以上。电脉冲击穿煤样的甲烷极限吸附量a 值都比原煤低；吸附常数b 值随击穿电压增加呈现先增加后减小再增加的波动式变化。