李恒樂，秦 勇，周曉亭，張永民，陳義林

循環(huán)高壓電脈沖作用下煤體微裂隙發(fā)育特征及其煤巖學控制

李恒樂1，秦 勇2，周曉亭3，張永民4，陳義林2

(1. 河南工程學院 環(huán)境與生物工程學院，河南 鄭州 451191；2. 中國礦業(yè)大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008；3. 東華理工大學 地球科學學院，江西 南昌 330013；4. 西安交通大學 電氣工程學院，陜西 西安 710049)

基于開放式循環(huán)高壓電脈沖實驗平臺，針對肥煤、貧煤和無煙煤3種不同變質程度煤樣，開展金屬絲和含能材料2種能量加載方式下的煤樣沖擊致裂實驗，通過光學顯微鏡分析循環(huán)沖擊作用下煤中微裂隙發(fā)育的煤級與載荷響應特征，研究微裂隙擴展演化與顯微組分之間的關系。結果發(fā)現：① 增加循環(huán)沖擊次數，微裂隙密度的增大趨勢是非線性的，大致可劃分為初期緩慢增加、中期快速增大、后期趨于穩(wěn)定3個階段，說明并非循環(huán)沖擊次數越多致裂效果越好，而是存在一個最佳沖擊次數。② 金屬絲加載方式下煤中微裂隙較含能材料加載下更為發(fā)育；整體上，肥煤的微裂隙發(fā)育程度高于貧煤，貧煤高于無煙煤，反映循環(huán)高壓電脈沖在致裂效果上可能具有“雙低效應”，即低變質程度煤加載低能量致裂效果可能更好。③ 微裂隙發(fā)育程度在顯微組分之間具有差異性和側重性，鏡質組最發(fā)育，惰質組次之，殼質組最少，這是鏡質組含量大(空間優(yōu)勢)、原位裂隙密度大(位置優(yōu)勢)、脆性較大(力學優(yōu)勢)綜合作用的結果。④ 微裂隙在顯微組分中的擴展演化軌跡可歸納為穿越顯微組分、局限在顯微組分內部、沿顯微組分邊界發(fā)育和形態(tài)呈斜列、漸進式張剪性擴展等主要特征。研究結論對進一步揭示循環(huán)高壓電脈沖煤層致裂微觀機制，明確工程實踐目標煤層，優(yōu)化作業(yè)工藝參數和提高作業(yè)效果具有重要的理論意義。

循環(huán)沖擊；電脈沖；微裂隙；顯微組分；煤巖學

中國煤儲層普遍低孔、低滲的物性嚴重制約著煤層氣大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)進程，也是掣肘礦井瓦斯安全高效抽采的客觀原因。創(chuàng)新行之有效、能夠推廣應用的煤層改造技術一直是行業(yè)工作者不懈探索的方向。循環(huán)高壓電脈沖(又稱可控沖擊波、電爆炸沖擊波)煤層增透技術源于脈沖功率技術，脈沖功率技術是為國防需要逐漸發(fā)展起來的一門新興技術，目前已被廣泛用于高新技術研究、工業(yè)與民用等諸多領域[1-3]。該技術在化石能源領域的應用興起于20世紀80年代，主要作為油層解堵措施用于油水井的增產增注作業(yè)[4-6]。2010年以來，該技術被提出用于煤層滲透性改造[7-10]，并分別在地面煤層氣井和煤礦井下瓦斯抽采鉆孔中進行了系列工程實踐，經過近十年的發(fā)展，已在增透機理、設備升級、工程應用等方面卓有成效[11-22]。

循環(huán)高壓電脈沖煤層增透技術是在鉆孔或煤層氣井充水條件下，通過液電效應將高壓強電場轉化為強大的沖擊應力場作用于煤層，在多次循環(huán)沖擊作用下，達到致裂煤層、提高滲透性的目的[9-10]。產生的沖擊波具有高壓性、瞬時性和寬頻性等特點，在傳導過程中因煤層的非均質性，在不同界面間產生剪切或拉張作用，從而致使煤層破裂。但有關高壓電脈沖致裂煤巖的微觀機理尚不十分清楚，特別是循環(huán)沖擊作用下，煤中微裂隙是如何擴展演化的，其發(fā)育特征與沖擊波加載方式、煤級及煤的物質組成之間有何關系尚缺乏系統(tǒng)性認識。

煤是植物遺體埋藏在地下經過復雜的生物化學作用和物理化學作用轉變而成的有機巖石，其物質主要由顯微組分和少量礦物組成，因此，循環(huán)沖擊作用下，微裂隙的萌生、擴展、分岔等發(fā)育特征與顯微組分具有重要聯系。前人有關微裂隙與煤巖顯微組分之間關系的研究表明，微裂隙發(fā)育在煤巖組分中具有選擇性，在均質鏡質體中最為發(fā)育，基質鏡質體次之，其他顯微組分中微裂隙不發(fā)育[23-27]。但研究主要圍繞煤固有微裂隙特征展開，包括微裂隙成因與分類、微裂隙與煤化程度、成煤環(huán)境、煤巖類型、煤巖組分的關系等。有關外部動態(tài)載荷作用下，煤中微裂隙擴展演化的煤巖學控制研究鮮有報道，筆者旨在通過探討循環(huán)沖擊作用下微裂隙在煤巖顯微組分中的擴展演化特征，為進一步揭示循環(huán)高壓電脈沖煤層致裂微觀機理及技術進步提供理論基礎。

1 煤樣基本性質

實驗選肥煤、貧煤和無煙煤3種不同變質程度的煤樣，均采自煤礦井下掘進工作面，加工成規(guī)格為20 cm×20 cm×20 cm的塊狀，煤體結構皆為原生結構煤。肥煤煤樣來源于鄂爾多斯盆地西北部的烏蘭煤礦，層位為太原組7號煤層；貧煤和無煙煤分別來源于沁水盆地東部潞安礦區(qū)的樟村煤礦和南部晉城礦區(qū)的寺河煤礦，二者均位于山西組3號煤層。

實驗煤樣的煤巖煤質特征測試結果見表1。各煤級煤樣數量均為2塊，并用相應的漢語拼音首字母加數字進行編號，例如肥煤分別編號FM1和FM2。由表1可知，煤巖顯微組分均表現為鏡質組占比最大，惰質組居中，殼質組最小，相同煤級的2塊煤樣的顯微組分和工業(yè)分析測試結果基本一致。

2 實驗方案

2.1 實驗裝置工作原理

循環(huán)高壓電脈沖煤樣致裂實驗裝置原理如圖1所示，主要由高壓電源、儲能電容、氣體開關和負載4部分組成，設計金屬絲和含能材料2種能量產生方式。金屬絲為直徑0.2 mm、長度50 mm的鎢絲；含能材料質量為5 g，由含能混合物及包裹于核部的金屬絲構成，含能混合物由硝酸銨、鋁粉等材料按一定配比混合而成。設備工作時，高壓電源將220 V、50 Hz的交流電經變壓器轉化為20～30 kV的直流電，并儲存在電容器中，閉合開關，金屬絲或含能材料受到瞬時直流高電壓作用，在數十微秒內被加熱、汽化爆炸，產生強大的沖擊波作用于煤體。實驗過程中，保持電容器放電電壓、負載等所有設備參數不變。放電電壓為20 kV，金屬絲加載條件下沖擊波峰值壓力為2.5 MPa，含能材料為4.0 MPa，有關實驗裝置的更多電學參數、金屬絲和含能材料的特性及沖擊波特征等詳見文獻[28-31]。

表1 煤巖煤質測試結果及實驗條件

圖1 實驗裝置工作原理

2.2 實驗步驟

以金屬絲加載方式為例，實驗步驟為：① 實驗前，采集預制大塊煤樣(簡稱大樣)時切割下來的小塊煤樣(簡稱小樣)若干，制作成煤巖光片，用于分析原始煤樣的微裂隙發(fā)育特征；② 將大樣浸于水槽中并固定，在2個電極間接入金屬絲，啟動開關，完成第1次沖擊載荷實驗；③ 保持大樣固定不動，再次在電極間接入金屬絲，按動開關，完成第2次沖擊；如此循環(huán)，待到第次沖擊結束時，從水槽中取出大樣，并在其上采集若干碎裂脫落的小樣，用該小樣的微裂隙來代表大樣經過次沖擊后的微裂隙發(fā)育特征；④ 將大樣再次放入水槽中同一位置并固定，重復上述過程，待到第(＞)次沖擊結束后，再次取出大樣并采集小樣。如此循環(huán)，便可借助大樣在不同沖擊次數下的代表性小樣的微裂隙特征，來表征循環(huán)沖擊作用下煤體微裂隙的發(fā)育特征。各煤樣沖擊加載方式及循環(huán)沖擊次數見表1。實驗過程中為保證觀測結果的可靠性，降低因煤巖非均質性對微裂隙分析的影響，對于同一煤樣，實驗前及不同沖擊次數下采集的小樣煤巖類型基本保持一致。

2.3 微裂隙觀測方案

本文中的微裂隙是指肉眼無法觀測到的所有裂隙，觀測設計定性和定量兩個方面，定性分析主要在光學顯微鏡下進行，定量分析為微裂隙分形維數計算。

1) 光學顯微鏡觀察

光學顯微鏡主要用于研究微裂隙分布與顯微組分之間的關系，所用儀器為Axio Imager M1m型光學顯微鏡。觀測前，依據GB/T 16773—2008《煤巖分析樣品制備方法》制備塊煤光片，將小樣經干燥、煮膠、切片、研磨、拋光等工序，制作成規(guī)格為30 mm× 30 mm的合格光片；然后，在油浸反射光下觀測微裂隙的發(fā)育特征，之后對整個煤巖光片巡航拍照；再進行照片拼接、微裂隙描繪和分形維數計算。

2) 分形維數計算

研究表明，無論是原始煤體裂隙，還是外部載荷作用下煤體裂隙的演化都具有分形特征[32-33]。因此，可以用分形維數來定量表征循環(huán)沖擊載荷下煤體微裂隙的演化特征。本研究主要采用最為普遍的合維數法，計算煤巖光片表面微裂隙的分形維數。

分形維數計算步驟簡述如下。首先，在拼接后的煤巖圖片上選取邊長為0的正方形區(qū)域，0的選取以最大限度覆蓋所有微裂隙為準，并將微裂隙刻畫出來；然后，將邊長為0的1個正方形網格依次劃分成邊長為0/2(=1, 2, …, 5)的4個正方形網格；接著，統(tǒng)計劃分后的這4個正方形網格中裂隙長度大于或等于0/2的裂隙總條數N；最后，依據邊長尺度(即分形尺度)與裂隙總條數之間存在負冪指數關系，即∞?，兩邊取對數，得出分形維數=–lg/lg。

3 結果與討論

3.1 微裂隙發(fā)育特征

光學顯微鏡下觀測發(fā)現，隨著循環(huán)沖擊次數增加，所有煤樣微裂隙的發(fā)育程度均隨之增強。圖2a展示了具有代表性的肥煤FM1號樣原煤及循環(huán)沖擊100次和200次后的微裂隙發(fā)育特征，為了更清晰地將微裂隙呈現出來，根據微裂隙開度，以10 μm為界線，將其簡單劃分為2類，并分別用紅色和綠色線條加以刻畫(圖2b)?？梢钥闯?，加載前原始煤樣(FM1-0)的微裂隙分布很不均勻，僅局部發(fā)育，裂隙密度較小，微裂隙之間主要呈斷續(xù)分布，連通性差；循環(huán)沖擊100次后(FM1-100)，煤巖中萌生了大量微裂隙，這些微裂隙的展布方向基本一致，部分相對寬大的微裂隙(紅線)直線式貫穿整個煤巖光片，并與周圍部分窄小的微裂隙(綠線)相互溝通，裂隙網絡雛形乍現；循環(huán)沖擊200次后(FM1-200)，微裂隙網絡清晰可見，煤巖中微裂隙廣泛發(fā)育，展布方向多樣化，連通性顯著增強，特別是大于10 μm的微裂隙數量明顯增多，甚至部分煤巖在微裂隙的切割下趨于碎塊化。

(FM1-100表示FM1號樣循環(huán)沖擊100次，其他樣品編號含義依此類推)

3.2 微裂隙演化模型

循環(huán)沖擊作用下，煤巖光片光學顯微鏡下的微裂隙線密度統(tǒng)計結果顯示，整體上，所有煤樣的微裂隙線密度均隨沖擊次數的增加而趨于增大(圖3a)，為便于對比分析，對沖擊次數進行了歸一化處理。

圖3 微裂隙密度與沖擊次數的關系

進一步分析發(fā)現，所有煤樣微裂隙線密度的增大趨勢都是非線性的，針對采樣點較多的肥煤樣FM1、FM2的研究表明，這種非線性增大趨勢大致可分為緩慢增加、快速擴展和趨于平穩(wěn)3個階段，能夠用Logistic模型進行擬合。該模型圖像是一種近“S”形的增長曲線，已廣泛應用于經濟學、醫(yī)學、生物學、工程技術學等諸多領域。模型最初由比利時數學家P. F. Verhulst于1838年研究人口增長課題時首次提出，之后于1920年由美國生物學家R. Pearl和L. J. Reed在分析美國自1790年以來的人口增長率一文中再次提到并加以改進，因此Logistic模型通常也被稱為Verhulst-Pearl模型[34-35]。Logistic模型方程為：

式中：為循環(huán)沖擊次后煤樣的微裂隙線密度；為隨循環(huán)沖擊次數增加微裂隙線密度趨于穩(wěn)定的最大值；為循環(huán)沖擊次數；為微裂隙線密度的瞬時增加率；為待估常數。

借助MATLAB軟件得到循環(huán)沖擊次數與微裂隙線密度的擬合曲線(圖3b)，相關系數R分別高達0.996 5和0.996 7，擬合效果很好，說明Logistic模型能夠用來描述循環(huán)沖擊載荷作用下煤巖微裂隙的發(fā)育趨勢。而微裂隙線密度增長曲線階段的劃分，即Logistic曲線的關鍵點，可以通過對式(1)分別求二階與三階導數后得到[36-37]。

令式(2)=0，可得2=ln/；令式(3)等于0，可得1=ln–1.317/，3=ln+1.317/。這3個點即為Logistic曲線的關鍵點(圖3b)，其中，1、3分別為Logistic曲線在初始下凹區(qū)和最終上凸區(qū)的拐點，是微裂隙線密度增長曲線三階段的分界點；2為1到3的中點，是式(1)一階導數的拐點，而式(1)一階導數的圖形為開口向下的拋物線，這就意味著，在循環(huán)沖擊次數達到2之前，微裂隙線密度的增加速度是持續(xù)增大的，之后則持續(xù)減小，2為微裂隙線密度增加速度達到最大值時所需要的沖擊次數。

深入分析循環(huán)沖擊作用下，微裂隙線密度的增加率發(fā)現，所有煤樣的線密度增加率均呈現出先單調遞增后單調遞減的對稱變化趨勢(圖3c)，說明微裂隙線密度的增加率存在最大值，且該值對應的循環(huán)沖擊次數恰好基本占總次數的50%。這與Logistic模型擬合得到的關鍵點2及其意義不謀而合，再次證明了利用該模型進行微裂隙演化規(guī)律擬合與分析的可行性和可靠性。

基于微裂隙觀測與Logistic模型擬合結果可知，隨循環(huán)沖擊次數增加，煤巖微裂隙規(guī)模不可能無限擴大，而是存在一個上限閾值，落實在致裂效果上，也就意味著存在一個最佳沖擊次數，即為Logistic曲線上的關鍵點3，此時致裂效果最好，過猶不及。模擬計算結果顯示，肥煤樣FM1、FM2的最佳沖擊次數分別為158次和4.8次。循環(huán)高壓電脈沖對煤礦井下瓦斯抽采鉆孔的增透作業(yè)工程實踐也表明存在最佳循環(huán)沖擊次數[21-22]。

3.3 微裂隙分形特征

為進一步從定量化的角度表征循環(huán)沖擊作用下微裂隙的發(fā)育特征，對煤巖光片在光學顯微鏡下觀察到的微裂隙進行分形維數計算。結果表明，無論是原煤，還是循環(huán)沖擊后的煤樣，其微裂隙都具有分形屬性，圖2c給出了肥煤FM1樣的計算結果，相關性均高達0.99以上。分形數據顯示，3個煤級樣品的微裂隙線密度與其分形維數之間均具有線性相關性(圖4a)，說明可以借助分形維數來定量刻畫循環(huán)沖擊作用下微裂隙的發(fā)展趨勢。

如圖4b所示，微裂隙分形維數的累計增加值在沖擊波加載方式和煤級2個方面具有差異性。沖擊波加載方式方面，表現為金屬絲加載方式下的微裂隙分形維數增加值高于含能材料加載方式下的增加值；煤級方面表現為貧煤的微裂隙分形維數增加幅度高于肥煤，肥煤高于無煙煤的特征，反映循環(huán)高壓電脈沖在低能量條件下對低煤級煤層的致裂效果可能更好。

由于貧煤和無煙煤僅有循環(huán)沖擊前、中、后3個數據點，對微裂隙演化中間過程的描述不夠詳盡，因此仍利用采樣點較多的肥煤分形維數的演化規(guī)律來揭示微裂隙的發(fā)展歷程。如圖4c所示，整體上，二者呈非線性正相關，其趨勢與微裂隙線密度演化特征基本一致，分形維數增加率曲線呈倒U型(圖4b)，與微裂隙線密度增加率趨勢類似。可以看出，微裂隙分形維數變化趨勢也可劃分為初期緩慢增加、中期快速增大、后期趨于穩(wěn)定3個階段。研究認為，循環(huán)沖擊初期，煤巖內部裂隙的萌生需要一個醞釀過程，此階段會逐漸開啟大量短小裂隙，同時部分原生裂隙稍有擴展，微裂隙線密度及分形維數增加較為緩慢；循環(huán)沖擊中期，前期萌生的短小裂隙及原生裂隙不斷擴展、分岔、連通，逐漸形成裂隙網絡，從而快速涌現出大量裂隙，此時煤巖體內部損傷加劇，煤巖表面也有新生裂隙顯現，因此在微裂隙線密度和分形維數上表現為快速增大；循環(huán)沖擊后期，煤巖體逐漸破裂解體，此時沖擊波極易沿破裂面?zhèn)鞑ニp，致使貫穿裂隙寬度不斷增大但未貫穿裂隙的尖端，因未能獲得足夠的應力而難以繼續(xù)擴展，因此，最終微裂隙線密度及分形維數逐漸趨于一個穩(wěn)定值。

圖4 微裂隙密度及沖擊次數與分形維數的關系

3.4 微裂隙發(fā)育的煤巖學控制

分析循環(huán)高壓電脈沖作用下微裂隙的發(fā)育特征發(fā)現，煤的巖石學特征是控制微裂隙發(fā)育的物質基礎和內在根本，不同顯微組分微裂隙發(fā)育具有差異性和側重性，其中鏡質組微裂隙最為發(fā)育，惰質組次之，殼質組最少。循環(huán)沖擊作用下，微裂隙擴展演化具有以下特征。

(1) 微裂隙穿越顯微組分發(fā)育，不受組分界線限制。 這種微裂隙在沖擊后的煤樣中普遍存在，通常規(guī)模較大、較平直、延伸較遠、開度也較大，是剪切力作用的標志。例如，肥煤FM2樣循環(huán)沖擊10次后可以清晰地看到多條微裂隙同向貫穿不同的顯微組分，貧煤和無煙煤中也存在這種微裂隙。但相對而言，微裂隙在鏡質組中更為平直，開度也較惰質組和殼質組中大，在組分邊界處，常見微裂隙分岔或曲折擴展現象(圖5a—圖5c)。

(2) 微裂隙局限在顯微組分內部發(fā)育，組分界線是微裂隙終止、尖滅或折反射的邊界。這種微裂隙主要發(fā)育于均質鏡質體或基質鏡質體內，而惰質組和殼質組內部的微裂隙較少。整體上，組分條帶寬度越大，其內部微裂隙越發(fā)育，裂隙形態(tài)也越復雜，相互交叉搭接呈樹枝狀或網狀分布；反之，組分條帶較小時，其內部微裂隙主要沿平行或垂直組分條帶兩個方向發(fā)育；如果組分條帶寬度進一步變窄，呈

線性交叉展布，微裂隙基本難以在組分條帶內部橫向發(fā)育，而是沿縱向穿越組分條帶發(fā)育(圖5d—圖5e)。

(3) 微裂隙沿顯微組分邊界發(fā)育。這種微裂隙通常分布在具有較大條帶寬度的顯微組分之間，微裂隙開度較大，延伸距離短，但數量較少(圖5f)。

(4) 微裂隙在顯微組分中常呈斜列式展布。循環(huán)沖擊作用下微裂隙的漸進式擴展過程具有拉張力效應，這是由于煤巖顯微組分的非均衡交替轉變，導致沖擊作用下，應力在煤巖組分中分布的非均勻性，從而導致微裂隙萌生、擴展的非均勻性，其擴展路線常呈間歇式曲折、斜列狀，并產生分岔、轉折等現象(圖5g—圖5h)。

注：①—⑥為穿越顯微組分的微裂隙；⑦—為終止于組分邊界的微裂隙；⑧—⑨為折反射于組分邊界的微裂隙；⑩為平行組分條帶擴展的微裂隙；為沿組分邊界擴展的微裂隙；④—⑥、—為呈斜列式漸進擴展的微裂隙

循環(huán)沖擊作用下，微裂隙在顯微組分中擴展演化特征，一是與各顯微組分含量有關，鏡質組極高的含量具有顯著的空間優(yōu)勢；二是與顯微組分裂隙密度有關。通常鏡質組原位裂隙(沖擊實驗前含有的各種裂隙，包括內生裂隙和外生裂隙)最為發(fā)育，而沖擊波對煤體的破壞兼具拉張和剪切作用，并以脆性斷裂為主，根據格里菲斯(Griffith)強度理論，脆性斷裂源多從材料內部缺陷處開始，這已成為不爭的事實，鏡質組中大量存在的原有裂隙就是缺陷，是裂隙萌生、擴展的源頭，因此，其具有微裂隙優(yōu)先擴展的位置優(yōu)勢；三是與顯微組分的力學性質有關，鏡質組脆性較大，抗拉強度較小，循環(huán)沖擊作用下極易發(fā)生漸進式張剪性斷裂，具有微裂隙發(fā)育的力學優(yōu)勢。

4 結論

a.增加循環(huán)沖擊次數，微裂隙線密度呈非線性增大趨勢，可劃分為初期緩慢增加、中期快速增大、后期趨于穩(wěn)定3個階段，且能用Logistic模型進行擬合，說明并非沖擊次數越多致裂效果越好，而是存在一個最佳沖擊次數，這對優(yōu)化該技術作業(yè)工藝參數具有重要參考價值。

b. 循環(huán)沖擊作用下，與含能材料加載方式相比，金屬絲加載方式下煤樣的微裂隙更為發(fā)育。肥煤的微裂隙發(fā)育程度高于貧煤，貧煤高于無煙煤，反映電脈沖致裂煤巖可能具有“雙低效應”，即在低能量條件下對低煤級煤效果可能更好，這對提高工程實踐的針對性和作業(yè)效果具有重要的理論指導意義。

c.微裂隙在顯微組分中的擴展演化路線具有以下4種現象：一是微裂隙穿越顯微組分發(fā)育，不受組分界線限制；二是微裂隙局限在顯微組分內部發(fā)育，組分邊界是微裂隙終止、尖滅或折反射的界線；三是微裂隙沿顯微組分邊界發(fā)育；四是微裂隙在顯微組分中的形態(tài)常呈斜列式展布，主要為漸進式張剪性微裂隙。

d. 循環(huán)沖擊作用下，微裂隙發(fā)育程度在顯微組分之間具有差異性和側重性，其中，鏡質組微裂隙最為發(fā)育，惰質組次之，殼質組最少，原因在于鏡質組具有顯著的空間、位置和力學優(yōu)勢，而微裂隙在鏡質組內部的擴展演化機制有待進一步研究。

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Development characteristics of coal microfracture and coal petrology control under cyclic high voltage electrical pulse

LI Hengle1, QIN Yong2, ZHOU Xiaoting3, ZHANG Yongmin4, CHEN Yilin2

(1. School of Environmental and Biological Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China; 2. Key Laboratory of Coalbed Methane Resources & Reservoir Formation Process, Ministry of Education, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 3. School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330013, China; 4. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Based on the open experimental platform of cycle high voltage electrical pulsegenerator, the impact cracking experiments of three kinds of coal samples with different metamorphic degrees, namely, fat coal, lean coal and anthracite were carried out under two kinds of energy loading methods: metal wire and energetic material. Then, the characteristics of coal rank and load response of microfracture were analyzed by the polarizing microscope, and the relationship between microfracture evolution and macerals was studied. The results show that the increasing trend between the density of microcracks and the impact times is nonlinear, which can be roughly divided into three stages: slow increase in the initial stage, rapid increase in the middle stage, and stabilization in the later stage in the first place. This means that the cracking effect is not better with more cyclic impacts, and there is an optimal impact number.Second, the microfracture density in coal under wire loading is more developed than that under energetic material loading. In general, the development degree of micro fissures in fat coal is higher than that in lean coal, and that in lean coal is higher than that in anthracite. It shows that the cyclic high-voltage electrical pulse has “double bottom effect” in fracturing effect. Namely, when both low energy loading condition and low rank coal are available, the cracking effect is better. Third, there are some differences and emphases in the development of microfractures among the macerals. Vitrinite is the most developed, followed by inertinite, and exinite is the least developed. This is mainly due to the advantages of vitrinite, such as volume content(space dominance), original fissure density(location advantage) and brittleness(mechanical superiority). Fourth, the microcracks in the macerals can be classified into four main types: through the macerals, confined within the macerals, developing along the boundary of the macerals, showing oblique morphology and progressive tensile shear extension. Finally, these conclusions are of important theoretical significance for further revealing the microscopic mechanism of coal seam fracture induced by cyclic high voltage electric pulse, clarifying the target coal seam in the engineering practice, optimizing the working process parameters and improving the operation results.

cyclic impact; voltage pressure pulse; microfracture; macerals; coal petrology

P618.11

A

1001-1986(2021)04-0105-09

2021-01-20；

2021-04-15

國家自然科學煤炭聯合基金重點項目(U1361207)；河南工程學院博士基金項目(D2016012)；鄭州市科技攻關項目(153PKJGG136))

李恒樂，1985年生，男，河南南陽人，博士，講師，從事煤層氣地質與瓦斯地質研究工作. E-mail：hengleli@126.com

秦勇，1955年生，男，重慶人，博士，教授，博士生導師，從事煤系礦產資源與開發(fā)地質研究工作. E-mail：yongqin@cumt.edu.cn

李恒樂，秦勇，周曉亭，等. 循環(huán)高壓電脈沖作用下煤體微裂隙發(fā)育特征及其煤巖學控制[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(4)：105–113. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.013

LI Hengle，QIN Yong，ZHOU Xiaoting，et al. Development characteristics of coal microfracture and coal petrology control under cyclic high voltage electrical pulse[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：105–113. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.04.013

(責任編輯 范章群 郭東瓊)