氯化钠溶液对煤体致裂增透实验研究

苑进伟 薛 生，2教授 李 斌讲师

(1.安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 煤炭安全开采国家地方联合工程研究中心，安徽 淮南 232001)

0 引言

为提高对煤体的致裂增透效果，改善煤体内部的孔隙率，提高对煤层瓦斯的抽采量，减少瓦斯灾害及其他动力学灾害。学者们提出许多有效的煤层增透方法来提高瓦斯抽采效率，如水力压裂、水力冲孔、爆破法等[1-3]。这些方法均有一定的效果，但是由于我国煤层赋存复杂，传统的瓦斯抽采有一定的局限性，如有效范围小、抽采浓度低、对环境造成危害、消耗大量人力物力财力等[4-5]。近年来，高压电脉冲技术作为一种煤层增透新方法，具有能量大、功率高、无污染、省时省力、成本低、效果好的优势，使得众多学者关注这一技术[6-8]，把这项技术逐步应用到体内碎石、污水处理和食品杀菌等方面[9-11]。将高压电脉冲技术应用到煤体最初是由邱爱慈院士团队提出[12]；秦勇等[13]结合煤层赋存特性，提出高压电脉冲作用煤层的关键问题和应用方式，为该技术的应用和研究奠定基础；张永民等[14]理论分析高压电脉冲对煤储层改造的基本特征，并初步提出高压电脉冲现场作业工艺；林柏泉等[15-16]通过高压电脉冲对氯化钠溶液处理过的圆柱煤块进行电破碎实验，结果显示煤块破裂得更充分，裂隙网络更丰富。专家学者们对高压电脉冲致裂技术进行由浅入深的实验研究，如今，这项技术逐步成熟，并被应用到多所煤矿，取得显著成果。为进一步提高对煤体的致裂增透效果，本文运用高压电脉冲液电致裂煤体增透技术，在相同的1号煤块和2号煤块钻孔中分别加入水和1mol/L的氯化钠溶液，进行液电致裂增透实验，通过观察煤块表面裂隙的形成及发展并分析煤块内部裂隙的改造情况，以期达到氯化钠溶液对煤体的强化致裂增透效果。

1 高压电脉冲致裂技术

1.1 高压电脉冲的液电效应

高压电脉冲在水中放电发生的液电效应由电流和电场形成。当高压电脉冲在水中放电时，阳极附近水分子上的电子会减少形成正离子，阴极附近的电子会增多，并与水分子结合形成负离子。因此，电极正负极之间因为电压差形成电场，在电场的影响下，正负极间的离子会发生定向移动。当高压电脉冲对电极施加高电压放电时，正负极附近会产生足够多的正负离子，从而在正负极之间形成强电场。在强电场作用下，这些正负离子高速定向移动，在极短的时间(10-2～10-4s)内，正负极之间形成放电通道，放电通道内液体急速膨胀会产生具有巨大能量冲击波。

1.2 液电效应对煤体作用机理

高压电脉冲发生液电效应产生的冲击波强度大于煤体强度，或者冲击波强度小于煤体强度，但高压电脉冲的多次放电达到煤体的屈服强度时，煤体会产生裂隙，随着放电次数的持续增多，煤体内部原有的裂隙、孔隙也会得到扩展、延伸和贯通，提高煤体的孔隙度，达到对煤体致裂增透的效果[17]。

苏联的津格尔曼在高压脉冲液体放电实验中，得出液电效应产生冲击波的压力峰值[18]，如式(1)所示。

(1)

式中：

Pm—冲击波压力峰值，Pa；

β—无因次的复杂积分函数；

ρ0—传播介质溶液的密度，g/cm3；

w—煤样最大沉积能量，J；

T—脉冲作用时间，s；

τ—波前时间，s。

由式(1)可知，液电效应产生冲击波的压力峰值与溶液密度、煤样最大沉积能量、脉冲作用时间和波前时间有关，其中，冲击波压力峰值与溶液密度正相关。从式(1)分析出，在相同条件下，提高高压电脉冲放电的溶液密度理论上会使液电效应产生更大的冲击波压力峰值，进而提高对煤体的致裂增透能力，因此，本文用氯化钠溶液和水进行对比实验来研究其对煤体的强化致裂增透作用。

2 实验

2.1 实验煤块的制作

从郑州某煤矿取回无烟煤碎煤块，打磨成粉状，然后以沙子、水泥、石膏、煤粉、云母碎和水按一定比例制作成2个煤块，记为1号煤块和2号煤块，煤块的尺寸为300mm×300mm×300mm，煤样配比参数，见表1。制作煤块过程中，预先在煤块模型正方体中心处放置一根塑料管，塑料管距离煤块底端50mm，直径80mm，比放电电极略粗。煤块制作完成后，对2个煤块及时养护以备实验，制作成的煤块，如图1。取多余煤样小碎块风干后，测得相关力学参数，见表2。

表1 煤样配比参数

表2 煤样力学参数

图1 制作成的煤块

2.2 实验系统

自主搭建的高压电脉冲放电系统，主要包括高压电源、电容器、输出柜、示波器等仪器，如图2。其工作原理是：高压电源用220V交流电对电容器充电，将电能储存在电容器中，当高压电源达到设定电压后，高压电源停止对电容器充电，待放电开关闭合后，储存的能量将通过电极释放，在电极的正负极之间形成具有巨大能量的冲击波致裂增透煤块。实验过程中，示波器可以记录整个放电过程的压力波形。

图2 高压电脉冲放电系统

2.3 实验方案

实验是结合高压电脉冲在水中放电机理，借助自主设计搭建的高压脉冲放电系统，在相同的1号煤块和2号煤块钻孔中分别加入水和1mol/L氯化钠溶液，对它们各进行多次高压电脉冲放电后，观察2个煤块表面裂隙的形成及发展并分析2个煤块实验前后的超声波检测结果，对比探究氯化钠溶液对煤体的强化致裂增透效果。高压电脉冲设备的电容量为80μF，每次实验的放电电压均为10kV，每次放电间隔为30s，放电电极正负极尖端间距为5mm。

2.4 实验过程

根据高压电脉冲在水中放电作用原理，将图2所示高压电脉冲实验系统连接，高压电脉冲在水中放电5次，查看示波器显示的电压电流波形是否与其他学者实验得出的数据类似，同时检查各元件的连接状况，以此确定整个系统的稳定性和安全性；然后，分别测出高压电脉冲在水中和1mol/L氯化钠溶液中放电的压力波形；最后，对煤块进行高压电脉冲致裂增透实验。具体实验过程如下：

(1)将1号煤块按照图2所示放在固定板上。

(2)在煤块钻孔中加入水，水加至离钻孔顶端50mm，防止在钻孔中放入电极后大量水溢出。

(3)把电极放入钻孔中，用绝缘盖固定好，防止放电过程中能量逸散和液体喷出。

(4)打开高压电脉冲放电系统开始对煤块放电，每次放电后对煤块拍照，观察煤块表面裂隙的形成及变化，当煤块表面产生的裂隙清晰可见，并在下次放电可能会使煤块破碎分裂时，就停止对煤块放电。为了不使煤块破碎分裂，避免实验的偶然性，保证2个实验煤块的放电次数相同，最终确定2个煤块的放电次数各为8次。

高压电脉冲对1号煤块致裂增透实验完成后，将1号煤块换成2号煤块进行上述实验操作，只需在第2步中，把钻孔中加入的水换成1mol/L氯化钠溶液即可。

3实验结果分析

3.1 压力波形分析

压力传感器放置在距放电电极30cm处，并与电极在同一水平面上，高压电脉冲在水中和1mol/L氯化钠溶液中放电后采集到的压力波形，如图3。从图3中可以看出，高压电脉冲在水中放电的压力峰值约为1.25MPa，在1mol/L氯化钠溶液中放电的压力峰值约为1.60MPa，高压电脉冲在1mol/L氯化钠溶液中放电的压力峰值比在水中放电的压力峰值大约提高了0.35MPa。

图3 压力波形

高压电脉冲在1mol/L氯化钠溶液中放电压力峰值提高的原因是：1mol/L的氯化钠溶液与水相比，氯化钠溶液中含有大量的钠离子和氯离子，高压电脉冲在1mol/L的氯化钠溶液中放电时，电极阳极附近的正离子和电极阴极附近的负离子浓度相应增加，电极阳极和阴极离子间的定向移动更加剧烈，放电通道产生的冲击波有更高的能量和压力。

3.2 煤块表面裂隙变化特征

本次实验对2个煤块各进行8次高压电脉冲放电，每次放电间隔为30s，在每次对煤块放电后，由于煤块对液体的吸收，需要及时在钻孔中添加液体介质，保证液体介质能够覆盖放电电极，防止电极在钻孔空气中放电，影响实验效果。添加的液体介质部分会渗透到煤块中，对实验效果影响小，可以忽略。

高压电脉冲对2个煤块各放电8次，2个煤块侧面裂隙的形成及发展，如图4。高压电脉冲对1号煤块放电8次过程中，1号煤块放电5次后没有出现明显裂隙，放电6次后开始从煤块顶端产生一条小裂隙，放电7次后，小裂隙扩展延伸到煤块中部，放电8次后，裂隙长度逐渐增大，裂隙从煤块中部向底端延伸，小裂隙变成主裂隙，并在这条裂隙边沿开始分叉，产生分支裂隙。高压电脉冲对2号煤块放电8次过程中，2号煤块放电4次后没有出现明显裂隙，放电5次后有一条裂隙开始从煤块顶端形成，裂隙顺着煤块侧面延伸到中部，放电6次后，这条裂隙边沿开始出现分支裂隙，最先产生的裂隙已变成主裂隙，放电7次后，主裂隙基本延伸到煤块底端，分支裂隙清晰可见，放电8次后，主裂隙和分支裂隙边缘有煤粒脱落，主裂隙进一步增长增宽，煤块顶端的裂隙附近有破碎小煤块出现。

图4 煤块侧面裂隙形成及发展

图5是实验后的2个煤块顶端样貌。由于高压电脉冲放电产生的冲击波首先冲击钻孔周围煤体，1号煤块和2号煤块钻孔周围都有大量的煤粒产生。2号煤块与1号煤块相比，2号煤块顶端除了出现大量的煤粒以外，有数块小煤块形成，破碎煤粒由钻孔周围发展到煤块边沿。由此可见，2号煤块顶端破裂的更充分。

图5 放电8次后2个煤块顶端样貌

高压电脉冲对2个煤块各放电8次后，从煤块表面裂隙的形成及发展来看，2号煤块比1号煤块少放电一次出现裂隙，当2个煤块都出现裂隙后，随着放电次数的增加，2号煤块形成的主裂隙比1号煤块的长，分支裂隙也更明显，在2个煤块的顶端，2号煤块破碎得也更为充分。在高压电脉冲的液电效应下，氯化钠溶液能够加速煤块表面裂隙的发育。

3.3 煤块内部裂隙变化特征

要了解实验后煤块内部裂隙的变化情况，可以用超声波仪器检测煤块实验前后的首波声时，通过首波声时差进行分析。超声波首波声时差能反应2个相互平行的平面间缺陷的大小，首波声时差越大，2个平面间的缺陷越大，因此，超声波检测方法可以反应2个煤块实验后内部裂隙变化情况。

为便于超声波检测，煤块划分网格，如图6。数据检测时，在煤块的侧面，从左往右，从上到下依次扫描，每扫描一次记录一次超声波仪器上的首波声时数据。

图6 煤块划分网格

用超声波仪器对实验前后的2个煤块进行超声波扫描后，通过计算得到2个煤块实验前后的超声波首波声时差，根据2个煤块的首波声时差，用Origin绘制成的等高线图，如图7。

从图7可以看到，1号煤块XY面和YZ面的首波声时差数值在钻孔周围较大，最大值为66μs，这说明裂隙主要在钻孔附近产生，高压电脉冲放电产生的冲击波首先冲击钻孔附近煤体，使煤体产生裂隙，当冲击波从钻孔向煤块边缘传播的过程中，冲击波能量损耗，首波声时差越来越小，煤块越靠近边缘，产生的裂隙就会越少。2号煤块钻孔附近首波声时差的最大值为105μs，比1号煤块的最大值66μs增加39μs，另外，2号煤块首波声时差变化明显的区域比1号煤块的也更大，这说明在相同的放电次数下，由于高压电脉冲在1mol/L氯化钠溶液中单次放电的压力峰值高，随着放电次数的积累，2号煤块与1号煤块相比，2号煤块内部产生的裂隙多，裂隙可以扩展至整个煤块。在高压电脉冲的液电效应下，氯化钠溶液能够增加煤块内部裂隙的数量。

图7 煤块侧面首波声时差等高线图

4 结论

(1)采用自主搭建的高压电脉冲实验平台，在充电电压均为10kV的情况下，高压电脉冲在水中和1mol/L的氯化钠溶液放电后，距放电电极30cm处，测得的压力峰值分别为1.25和1.60MPa，1mol/L的氯化钠溶液能提高高压电脉冲液电效应的冲击波压力峰值。

(2)相同的1号煤块和2号煤块钻孔中分别加入水和1mol/L的氯化钠溶液后，高压电脉冲对它们各放电8次，2号煤块放电5次后，煤块表面出现裂隙，比水少放电一次出现裂隙。2号煤块的主裂隙更长，分支裂隙较1号煤块也更明显，这说明在高压电脉冲的液电效应下，氯化钠溶液能够加速煤块表面裂隙的发育。

(3)用超声波仪器检测计算2个煤块实验前后的首波声时差后，从绘制的Origin等高线图可以看出，2号煤块钻孔周围的首波声时差比1号煤块明显更高，首波声时差变化明显的区域比1号煤块的也更大，表明2号煤块内部煤体破碎更充分，说明在高压电脉冲的液电效应下，氯化钠溶液能够增加煤块内部裂隙的数量。

(4)从高压电脉冲对煤块致裂的实验结果可知，氯化钠溶液不仅能够加速煤块表面裂隙的发育，而且能够增加煤块内部裂隙的数量，因此，氯化钠溶液在一定程度上能够起到对煤体强化致裂增透的效果。