导电溶液浓度对高压电脉冲煤体致裂增透效果影响实验研究

陈 清，李尧斌

（1.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001）

我国作为煤炭大国，煤炭在能源消费结构中占有较大比重。为适应国家经济快速发展的需求，煤炭占所有能源消耗的比例不断上升。近年来，由于我国经济增速逐渐放缓，在能源结构上有一定的调整幅度以及清洁能源的大量使用，使得煤炭在能源消费结构中的占比持续下降，但原煤产量却逐年上升，根据“十四五”规划要求，预计煤炭生产在未来能源结构中依然占有较大比重[1-4]。

普遍存在的低渗煤层一直是制约我国煤炭安全高效生产的重要因素，加之近些年煤炭开采逐渐转移到深部，高瓦斯和高地应力的耦合条件使得煤层瓦斯抽采面临的形势日益严峻[5-9]。为了提高煤层渗透性，广大学者开展了大量研究工作并提出多种增透方法，目前常用力学增透法。力学增透法包括开采保护层、密集电极、高压气体致裂、水力压裂、水力造穴等[10-15]，但这些方法都有一定局限性。而高压脉冲技术致裂破坏煤体具有以下优点：可以多次对煤体进行脉冲，脉冲致裂煤体的效率更高，效果更好；可以通过电脉冲设备释放的脉冲波定向改造煤层，其作用目标更具有针对性和方向性。

高压电脉冲实验中导电溶液电解质通过电离作用和水解作用影响煤体的导电性，对孔隙结构的演化效果产生了一定的影响。为了验证导电溶液浓度对高压电脉冲煤体增透实验的影响效果，通过高压电脉冲实验系统，在相同煤样情况下使用水溶液和浓度分别为0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L的NaCl溶液处理后的煤样进行高压电脉冲放电致裂增透实验，通过分析不同浓度下导电溶液的高压电脉冲放电产生的脉冲压力曲线的变化和超声波检测煤样内部裂隙的改造情况，验证导电溶液浓度对高压电脉冲煤体导电性的影响以及对煤体的强化致裂增透效果。

1 实验装置及原理

高压电脉冲作用煤体的方式通常有两种，分别是电破碎和液电破碎。其中，电破碎实验中的电极裸露在空气中放电，具有一定的危险性，长期使用这种放电方式也会影响仪器的寿命；而液电破碎主要工作原理是高压电脉冲在液体中放电时发生液电效应，脉冲发生装置中电极的正负极不与煤体直接接触，电极间产生的等离子通道不发生在煤体内部，而发生在液体介质内，由于等离子通道的液体介质极速增大膨胀，等离子通道内的液体会形成强大的冲击波作用于煤体表面，使煤体发生压缩破坏。因此，在高压电脉冲煤体致裂实验研究中，大都采用液电破碎方法[16]。

高压电脉冲实验系统包括脉冲能源系统、测控系统、放电系统、示波器系统、压力传感器系统和安全防护系统，实验系统如图1所示。整个实验系统的工作过程如下所述。

图1 高压电脉冲实验系统Fig.1 Experiment system of high-voltage electrical pulse

1）点击设备连接按键，在脉冲能源系统中对电容器进行充电。

2）当充电完成达到设定电压时，点击触发准备按键。

3）点击脉冲触发按键使放电系统中的电极放电。

4）在放电完成后点击放电结束按键，结束放电，并对储能电容器内的残余电压进行泄能。

放置在水中的压力传感器会感应接收压力值，并通过动态信号采集仪器将数据收集到示波器中。

为保证实验仪器与操作人员的安全，煤样的击穿场强不应太高，煤样为神木红岩煤矿烟煤，将其加工成直径50 mm、高度100 mm的圆柱状，具体情况如图2所示。

图2 实验前煤样试件Fig.2 Coal samples before experiment

该仪器原理为在水中进行高压脉冲放电，利用放电在水中形成水激波，电极间产生的等离子通道不发生在煤体内部，而发生在液体介质内，其携带的能量作用到煤体上形成冲击和振动效应，由于等离子通道的液体介质急速增大膨胀，等离子通道内的液体会形成强大的冲击波作用于煤体表面，使煤体发生压缩破坏，促进吸附状态的煤层气进一步解吸。使用后煤样产生明显裂隙，具体情况如图3所示。此外，还会使得煤层原有微小裂隙或其他缺陷张开产生新的裂隙并使其互相贯通，形成相互关联的裂隙网，为瓦斯提供新的流动通道，水击波的振荡作用还会阻止裂缝的闭合，液体介质作为冲击波的传播介质，冲击波会在液体介质中多次折射、反射，使冲击波叠加，增加冲击波的峰值和冲量[17]。

图3 实验后煤样试件Fig.3 Coal samples after experiment

2 实验方案

实验方案分为以下三个部分。

1）原煤样的内部裂隙情况测试实验。超声波检测技术是一种检测试样内部缺陷情况的无损检测技术，具有对试样无损坏、操作简单和方便省时等特点。其工作原理是在试样两个平行端面对应位置放置发射信号探头和接收信号探头后，通过声波在试样内部的传播速度、振幅和频率等参数来判定试样的缺陷情况[18]。本实验采用对测法对两个煤样进行超声波检测，为了便于放置探头和测量数据，需要把煤样表面划分成均匀的方块网格，划分的煤柱测点模型如图4所示。

图4 煤柱测点模型Fig.4 Model of measuring points of coal pillar

在该模型中，煤样对立面的网格应相互对立并处于同一水平线上，测量煤样的首波声时，发射信号探头和接收信号探头应在煤样的对立面紧密结合。另外，为了使每次测得的数据更加准确，需要在两个探头上涂抹凡士林，使其与煤样表面更加紧密接触。

在检测过程中，超声波从发射信号探头进入煤样内部传播，当超声波遇到孔隙或者裂隙缺陷时，就会出现绕射现象，会使超声波传到接收信号探头一端的时间增长。根据超声波在实验前后煤样内部传输时间的不同，可以计算出超声波的首波声时差，首波声时差越大，两个探头间的缺陷就越大。因此，可以根据首波声时差的大小来判断实验后的煤样内部致裂增透效果。

2）煤样高压电脉冲放电致裂实验。本次实验采用不同浓度的NaCl溶液进行高压电脉冲放电致裂增透实验，高压电脉冲在水溶液和浓度分别为0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L的NaCl溶液中各放电3次后，从示波器中采集各个不同浓度NaCl溶液放电后的压力数据。

高压电脉冲放电产生的脉冲压力曲线与放电能量转换有着密切关系，在实验研究中，通常选择第1脉冲的压力峰值Pm、压力上升时间t1和脉冲持续时间T研究高压电脉冲作用下电能向其他形式的能量转换[19]。在高压电脉冲产生的脉冲压力曲线中，当Pm、t1和T增加时，电能转换到等离子通道的内能增加，进而使等离子通道膨胀的势能增加，增大等离子通道的半径，又由于冲击波在液体中传播的速度基本不变，从而会导致t1和T的增加，而且等离子通道膨胀势能的增加也会在产生冲击波时，增大冲击波的压力峰值Pm。

高压电脉冲的液电效应致裂增透煤体是一个复杂的电能向其他能量转换的过程。在此过程中，电能的转换见式（1）和式（2）。

式中：E为电容器储存的能量，每次放电电容器储存的能量不变，J；EL为发生液电效应预击穿时能量的损失，包括放电过程中产生的声、光、热等，J；ER为等离子通道形成后整个回路电阻消耗的能量，J；EC为等离子通道建立起来后电能注入到通道中的能量，即为等离子通道中的沉积能量，J；C为电容器电容容量，F；U为充电电压，V。其中，EL和ER两者的能量消耗占据很小的一部分，EC中的能量大小可以根据检测到的压力脉冲曲线进行分析。脉冲压力曲线的Pm、t1和T的增加，可以说明注入等离子通道的能量增加，即EC增加[20]。

通过对比分析高压电脉冲在水溶液和不同浓度的NaCl溶液中放电得到的压力脉冲曲线，得到放电介质的离子浓度对高压电脉冲压力峰值影响的原理。

3）高压电脉冲放电致裂实验对煤体内部裂隙情况测试实验。煤样经高压电脉冲放电致裂实验分解处理后，再次放入超声波检测仪器中，按步骤1）重复内部裂隙情况测试实验，对比分析实验前后首波声时差的大小来判断实验后的煤样内部致裂增透效果。

3 煤样放电压力特性结果与分析

为了研究导电离子溶液不同浓度处理下煤体电脉冲击穿放电压力特性变化规律，对水溶液和浓度分别为0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L的NaCl溶液处理后的煤样进行电脉冲击穿实验。图5和图6为水溶液和不同浓度的NaCl溶液放电压力曲线。

图5 水溶液放电压力曲线Fig.5 Discharge pressure curve in aqueous solution

图6 不同浓度NaCl溶液放电压力曲线Fig.6 Discharge pressure curves of NaCl solutions with different concentrations

由图5和图6可知，NaCl离子溶液中放电后的压力峰值比在水溶液中放电后的压力峰值高，高压电脉冲在NaCl离子溶液中放电与在水溶液中放电相比，电极阳极附近的正离子和电极阴极附近的负离子浓度都大大增加，电极阳极和阴极离子间的定向移动会更加剧烈，因此，NaCl溶液中放电后的压力峰值要比在水中放电后的压力峰值高。

在不同浓度NaCl溶液中放电得到的压力曲线除了波峰不一样以外，其他波形基本一致，表明不同浓度NaCl溶液中放电的压力上升时间和脉冲持续时间相同，仅压力峰值不同，即相同的放电时间内NaCl溶液的浓度越高，高压电脉冲放电的压力越大，这说明一定浓度的NaCl溶液能提高冲击波的压力峰值。

表1为高压电脉冲在水溶液和不同浓度的NaCl溶液放电后，通过示波器检测得出的3次放电压力曲线的压力峰值及其平均值。

表1 水溶液和不同浓度NaCl溶液压力峰值及其平均值Table 1 Pressure peaks and average values of aqueous solution and NaCl solutions with different concentrations单位：MPa

由表1可知，与在水溶液中放电相比，在0.5 mol/L NaCl溶液中平均放电压力峰值升高了28.8%；在1.0 mol/L NaCl溶液中平均放电压力峰值升高了63.2%；在1.5 mol/L NaCl溶液中平均放电压力峰值升高了76.8%；在2.0 mol/L NaCl溶液中平均放电压力峰值升高了78.4%。在NaCl溶液中放电压力峰值较在水溶液中放电压力峰值明显升高，表明高压电脉冲在一定浓度的NaCl溶液中放电，能够增大电能转化为等离子通道能量的利用率，验证了导电离子溶液的加入可以优化高压电脉冲放电致裂增透效果。

随着NaCl溶液浓度升高，放电压力峰值明显升高，其原理是随着NaCl溶液浓度的提高，等离子通道离子浓度的增加，使等离子通道的离子运动更加剧烈，离子通道产生的冲击波具有更高的能量和压力。但是，当NaCl溶液达到一定浓度时，放电压力峰值不再随着NaCl溶液浓度的增加而增加，而是稳定在2.20 MPa左右，表明各种煤样其颗粒表面对各导电离子的吸附量达到饱和状态后，即使浸泡时间和浓度增加，但在溶液离子浓度超过某一吸附饱和浓度时，煤体吸附离子的数量基本维持不变，煤体的导电性基本不变。

4 煤样超声波测试结果与分析

用超声波仪器对煤样进行超声波检测时，探头应放置在煤样的两侧依次扫描，每扫描一次需记录保存得到的首波声时，超声波首波声时差能反应两个相互平行的平面间缺陷的大小，首波声时差越大，两个平面间的缺陷就越大。

选取水溶液和不同浓度的NaCl溶液处理后的煤样前后的首波声时数据进行分析，见表2和表3。

表2 实验前后煤样首波声时测试数据Table 2 Test data of first wave acoustic time of coal samples before and after experiment

表3 首波声时差测试数据Table 3 Test data of first wave acoustic time difference

由表2和表3可知，不同浓度的NaCl溶液处理后的煤样首波声时差对比水溶液的首波声时差明显增大，说明导电溶液对放电介质处理后增强了煤样的导电性能，有利于煤体裂隙的发育，使煤体裂隙数目增加，对煤体致裂增透能够起到强化作用。图7为不同浓度的NaCl溶液处理后的煤样首波声时差数值变化图。

图7 首波声时差变化图Fig.7 Change diagram of first wave acoustic time difference

1）在相同测点，高浓度NaCl溶液处理后的煤样的首波声时差较低浓度NaCl溶液与水溶液处理后的煤样更大，如在测点1，首波声时差的最大值为6.60 μs，比0.5 mol/L NaCl溶液处理后的煤样的首波声时差4.10 μs增加了2.50 μs，比水溶液处理后的煤样的首波声时差的2.60 μs增加了4.00 μs。说明导电溶液的浓度越大，煤体的导电性越强，煤样内部裂隙变化情况越明显，即高压电脉冲在导电溶液浓度高的情况下冲击载荷能量高，随着导电溶液浓度的增加，高浓度煤样的内部裂隙改造效果较低浓度煤样更为显著。

2）随着溶液浓度的增加，煤样首波声时差在各测点的变化差值减小，且1.5 mol/L NaCl溶液与2.0 mol/L NaCl溶液处理后的煤样的首波声时差在各测点的变化规律相仿。表明当溶液浓度增加到一定时，煤样吸附离子的数量基本维持不变，因此，煤样内部裂隙改造效果差别不大。

3）煤样测点1和测点6的首波声时差数值较大，说明裂隙主要在电极附近产生，因为电极放电产生的冲击载荷首先会冲击电极附近煤样，改造电极附近的煤样，当冲击载荷从电极向煤样侧面边沿传播的过程中，冲击载荷能量损耗，冲击载荷对煤样内部裂隙改造越来越不明显，首波声时差也会越来越小。

5 结 论

1）在不同浓度的NaCl溶液中，放电压力峰值均较水溶液中放电压力峰值相比明显升高，导电离子溶液的加入可以提高放电压力峰值，优化放电效果。

2）随着NaCl溶液浓度的提高，等离子通道离子浓度的增加，使等离子通道的离子运动更加剧烈，离子通道产生的冲击波具有更高的能量和压力，当NaCl溶液达到一定浓度时，放电压力峰值不再随着NaCl溶液浓度的增加而增加，而是稳定在2.20 MPa左右。

3）电极放电产生的冲击载荷首先会冲击电极附近煤体，改造电极附近煤体，当冲击载荷从电极向煤体侧面边沿传播的过程中，冲击载荷能量损耗，冲击载荷对煤体内部裂隙改造越来越不明显，首波声时差也会越来越小。

4）高压电脉冲在导电溶液浓度高的情况下冲击载荷能量高，随着导电溶液浓度的增加，高浓度煤体的内部裂隙改造效果较低浓度煤体更为显著。但当溶液浓度增加到一定时，煤体吸附离子的数量基本维持不变，煤体内部裂隙改造效果差别不大。