趙胤翔，趙金昌，馬忠忠，常 樂(lè)，李春明

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，山西 太原 030002)

在中國(guó)全球化過(guò)程中，煤炭、天然氣等非可再生自然能源已成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略的重要支撐[1]。然而，我國(guó)的能源資源儲(chǔ)量較低，并且主要以煤炭形式存在，屬于富煤貧油國(guó)家。煤炭的開采伴隨著煤層氣的產(chǎn)生，煤層氣是一種清潔的天然能源，它的燃燒產(chǎn)物對(duì)環(huán)境污染較小，并且在我國(guó)的儲(chǔ)量豐富[2-4]。由于絕大多數(shù)煤層具有滲透率和儲(chǔ)存壓力很低的特性，使煤層氣的抽采效率很不理想，也是造成中國(guó)煤層氣產(chǎn)量普遍較小的根源所在[5]。正是上述諸多不利抽采條件的存在，增加煤層氣的抽采率，提高煤層氣的產(chǎn)量成為了當(dāng)今煤層氣科學(xué)界研究的主要方向，提出一種合理的提高儲(chǔ)氣層滲透效率和增加產(chǎn)量的方法勢(shì)在必行[6]。高壓脈沖放電致裂增透技術(shù)是近幾年新出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，以其便捷、高效和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)獲得行業(yè)內(nèi)大量認(rèn)可，提高煤層氣的產(chǎn)量擁有十足的現(xiàn)實(shí)意義[6-8]。

正是如此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電脈沖致裂增滲技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣，并進(jìn)行了很多相關(guān)研究。盧紅奇等[9]針對(duì)高壓電脈沖致裂的機(jī)理做出了相應(yīng)的解釋，即高壓電脈沖通過(guò)液電效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)等對(duì)煤體進(jìn)行剪切造縫、機(jī)械振動(dòng)，使煤體表面及內(nèi)部產(chǎn)生明顯裂隙、破壞裂隙中的阻塞物；李恒樂(lè)[10]研究發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)電脈沖致裂之后，煤體孔隙連通性增強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)得到有效改善，滲透性增加；閆發(fā)志等[11]研究發(fā)現(xiàn)在空氣環(huán)境下，高壓電脈沖擊穿煤體有兩種形式，即沿內(nèi)部擊穿和沿著煤體表面擊穿，并發(fā)現(xiàn)了煤體內(nèi)部擊穿電壓和擊穿場(chǎng)強(qiáng)的變化規(guī)律；林伯泉等[12]發(fā)現(xiàn)NaCl溶液對(duì)電脈沖致裂增滲有著促進(jìn)作用，浸泡過(guò)的煤體中存在的離子能夠放大電脈沖致裂效果，增加煤體的破碎程度；尹志強(qiáng)[13]通過(guò)研究得出了擊穿延時(shí)和靜水壓力對(duì)脈沖放電致裂效果的影響。然而高壓脈沖放電技術(shù)對(duì)不同物理力學(xué)特性煤體的致裂效果尚不清楚。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用高壓脈沖放電系統(tǒng)對(duì)不同強(qiáng)度煤體進(jìn)行了相似致裂實(shí)驗(yàn)，以探求不同強(qiáng)度煤體試樣裂紋的擴(kuò)展情況，通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)，對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)水中脈沖放電現(xiàn)象、掌握放電后裂紋擴(kuò)展特性、改進(jìn)煤層氣抽采工藝都具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)原理

液電現(xiàn)象[14]是在液體中以電能的方式急劇釋放能量，從而通過(guò)一系列的物理和化學(xué)變化發(fā)生能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程。水中高壓脈沖放電增滲則是利用液電現(xiàn)象產(chǎn)生的水激波機(jī)械能等對(duì)巖體進(jìn)行沖擊，從而使巖體產(chǎn)生裂紋，以此增加滲透性的一項(xiàng)技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，水中高壓脈沖放電的過(guò)程一般分為電極間隙擊穿、擊穿水膨脹和水激波傳遞做功三個(gè)階段[11]。第一階段，會(huì)發(fā)生先導(dǎo)現(xiàn)象或熱力擊穿現(xiàn)象在這一過(guò)程中，電極間釋放的極大能量擊穿電極間隙；第二階段，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并以水激波的形式表現(xiàn)出來(lái)，水激波是高壓脈沖放電進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的重要媒介；第三階段，水激波能量以電極為中心，并以球形波的形式迅速向外傳遞電弧，并發(fā)生氣泡脈動(dòng)現(xiàn)象。能量作用下產(chǎn)生的第一個(gè)水激波占據(jù)放電能量的大部分，與水激波的加載特性密切相關(guān)，電脈沖一次釋放的電能E由式(1)決定。

(1)

式中：C為電容值；Um為電容裝置兩端的電壓數(shù)值。在總能量相同下，不同的電壓和電容的組合形式將導(dǎo)致不同特征的放電擊穿過(guò)程，進(jìn)而影響水激波的特性；而產(chǎn)生的第一水激波在遇到墻體或者其他障礙時(shí)會(huì)發(fā)生反彈，若在一個(gè)狹小的空間內(nèi)釋放很大的能量，則會(huì)發(fā)生成千上萬(wàn)次的能量波的反彈，繼而造成巖體破碎。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 試樣制備

由于難以在原位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，直接取大尺度煤體加工制作極易造成煤體破裂等，制作與煤體強(qiáng)度和性質(zhì)相近的試樣，并進(jìn)行相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)是可以實(shí)現(xiàn)的措施。經(jīng)過(guò)查詢文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)際綜合考慮最終確定以水泥、河砂和水構(gòu)造出試樣骨架，并通過(guò)不同的質(zhì)量比來(lái)實(shí)現(xiàn)試樣與煤體的強(qiáng)度近似；采用石膏、云母粉和珍珠巖控制試樣孔隙率，混合完成的材料如圖1(a)所示。具體質(zhì)量比例見(jiàn)表1，模具的尺寸為30 cm×30 cm×30 cm的可拆卸式立方鐵箱，由底板和兩個(gè)90°的側(cè)板構(gòu)成。對(duì)試樣進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理后，對(duì)上表面進(jìn)行拋光打磨，如圖1(b)所示。由于脈沖放電需要在鉆孔中進(jìn)行，在立式鉆床上用合金水鉆鉆桿在試樣中心位置進(jìn)行鉆孔，直徑為5 cm，進(jìn)深為20 cm以保證電極能放入鉆孔中內(nèi)，如圖1(c)所示。再對(duì)備用試樣取芯，得到巖石取芯試樣后，用電鋸和角磨機(jī)進(jìn)行切割和打磨，得到抗拉和抗壓力學(xué)測(cè)試試樣。對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，完成得到的抗拉性能和抗壓性能結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 試樣處理Fig.1 Sample handling

表1 試樣材料配比表Table 1 Sample material proportion table

綜合表2數(shù)據(jù)可以得到不同配比下的試樣強(qiáng)度：試樣1抗拉強(qiáng)度為0.21 MPa，抗壓強(qiáng)度為7.14 MPa；試樣2的抗拉強(qiáng)度為0.25 MPa，抗壓強(qiáng)度為10.87 MPa；試樣3的抗拉強(qiáng)度為1.39 MPa，抗壓強(qiáng)度為22.24 MPa。

表2 力學(xué)實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度表Table 2 Sample material proportion table

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器組成

實(shí)驗(yàn)儀器由真三軸壓力機(jī)、電脈沖電容柜、充放電控制裝置和電極密封裝置等構(gòu)成。充放電控制箱采用的是三電極觸發(fā)開關(guān)，它能夠?qū)⒊潆婋娐泛头烹婋娐贩指糸_，具有耐電流強(qiáng)度大、過(guò)壓保護(hù)等特點(diǎn)；儲(chǔ)能機(jī)柜內(nèi)置兩臺(tái)MFM30-15型電容器，工作電壓為15 kV、工作電容為60 μF，以并聯(lián)的方式進(jìn)行連接，減小設(shè)備因出現(xiàn)意外故障而損壞的程度。真三軸壓力機(jī)主要包括液壓油缸、電動(dòng)液壓泵、液壓管路等部件，通過(guò)對(duì)試樣施加三個(gè)方向皆可調(diào)的圍壓，來(lái)模擬地層中巖體所受到的真實(shí)地應(yīng)力情況。放電密封裝置由密封板和電極構(gòu)成。密封板由帶有密封圈的鋼板焊接而成，可以最大承受5 MPa的靜水壓力。放電電極采取対極式，外部半徑為15 mm，長(zhǎng)度150 mm，正負(fù)極間距5～10 mm。在水中放電產(chǎn)生沖擊波時(shí)，作用的主要方向?yàn)榭妆诜较?，可以很大程度的提高煤巖體的致裂效率。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康男枰?，確定操作步驟如下所述。

1) 將試樣安置在真三軸壓力機(jī)中，在施加圍壓之前，在試樣四周各貼合一個(gè)鐵板，以保證施加軸壓時(shí)的受力均勻。

2) 觀察在施加圍壓之后，試樣表面是否產(chǎn)生裂紋，若產(chǎn)生裂紋，記錄下來(lái)以減少試驗(yàn)誤差。

3) 向鉆孔內(nèi)注滿水介質(zhì)，在試樣上表面貼合一個(gè)鐵板，放置電極密封裝置并施加軸壓，形成對(duì)試樣的真三軸壓力控制。

4) 操作脈沖放電機(jī)柜，控制儲(chǔ)能機(jī)柜中電容器的數(shù)量及其連接方式，得到預(yù)定的電容量。

5) 操作充放電控制箱，施加預(yù)定的電壓值，以達(dá)到試驗(yàn)所需的能量值；充電完畢后，按下放電開關(guān)。

6) 實(shí)驗(yàn)預(yù)定次數(shù)后，卸載軸壓并卸下電極密封裝置，觀察裂紋的產(chǎn)生及延伸狀態(tài)并用高清相機(jī)記錄。

7) 重復(fù)步驟5)和步驟6)直至鉆孔中水介質(zhì)發(fā)生滲漏，無(wú)法繼續(xù)保持靜水壓力，將脈沖放電系統(tǒng)接地、斷電。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 裂紋宏觀分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，對(duì)制備的煤體相似試樣進(jìn)行高壓脈沖放電實(shí)驗(yàn)，放電電壓Um為10 kV，電容值C為30 μF，軸向壓力為2 MPa，東西壓力為0.5 MPa，南北壓力為1 MPa，采用人工放電的放電方式。圖2～圖4為部分試樣裂紋發(fā)展圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所述。

從圖2中可以觀察到，試樣1在放電致裂13次后，表面形成貫通整個(gè)試樣的南北裂紋。圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)分別表示試樣1在5次、10次、13次脈沖放電作用下的上表面裂紋圖，為了能更清楚地看清試樣表面裂紋的變化，采用記號(hào)筆勾勒出其具體的形態(tài)與走勢(shì)。在放電5次時(shí)，表面形成了微小且肉眼可見(jiàn)的裂紋；在放電作用10次后，裂紋長(zhǎng)度逐漸增加，且在主裂紋旁邊出現(xiàn)了分支裂紋；在放電作用至13次后，試樣表面出現(xiàn)貫通性裂紋，即表面裂紋的擴(kuò)展程度隨著放電致裂次數(shù)的增加而發(fā)展；試樣2在15次脈沖放電作用下完全貫通，試樣裂紋發(fā)展過(guò)程如圖3所示。圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)分別表示試樣2在10次、15次和20次致裂作用下的上表面裂紋圖，從圖中可以看出，試樣在10次放電作用下，試樣表面裂紋無(wú)明顯變化，在15次脈沖放電作用下，試樣上表面形成了南北方向貫通性的裂紋，作用到20次時(shí)，試樣上表面裂紋寬度略微增加且試樣鉆孔中的水已經(jīng)無(wú)法保存，故停止放電；試樣3在放電20次作用下，表面出現(xiàn)明顯貫通裂紋，圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)分別表示試樣3在10次、15次和20次致裂作用下的上表面裂紋圖，試樣在作用到20次時(shí)，試樣上表面出現(xiàn)南北方向貫通裂紋。

圖2 試樣1裂紋拓展圖Fig.2 Crack propagation diagram of specimen 1

圖3 試樣2裂紋拓展圖Fig.3 Crack propagation diagram of specimen 2

圖4 試樣3裂紋拓展圖Fig.4 Crack propagation diagram of specimen 3

綜合來(lái)看，高壓脈沖放電對(duì)三種不同強(qiáng)度的煤體相似試樣均具有造縫作用，且隨著放電次數(shù)的增加，試樣裂紋的發(fā)展程度隨之逐漸變大直至完全貫通。同時(shí)，試樣強(qiáng)度越大，試樣起裂所需次數(shù)越多，裂紋貫穿所需次數(shù)越多；且由于南北和東西方向的圍壓不同，存在圍壓差，裂紋始終沿著平行于最大主應(yīng)力的方向(即東西方向)進(jìn)行擴(kuò)展。

根據(jù)圖中試樣裂紋的變化過(guò)程，可以將高壓脈沖放電作用下裂紋的擴(kuò)展規(guī)律分為三步。

1) 準(zhǔn)備階段。試樣在此階段表面無(wú)變化，隨著脈沖放電次數(shù)的增加，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著脈沖放電次數(shù)的增加，試樣內(nèi)部損傷累計(jì)，造成試樣內(nèi)部裂隙發(fā)育，但試樣表面無(wú)明顯裂紋的產(chǎn)生。

2) 發(fā)展階段。在此階段試樣表面開始出現(xiàn)微小的裂紋，并隨著作用次數(shù)的增加，裂紋的長(zhǎng)度以及寬度都在逐漸增加，直至試樣上表面裂紋完全貫通。

3) 破壞階段。繼續(xù)增加致裂次數(shù)，南北方向上貫通主裂紋不再發(fā)生明顯變化，主裂紋旁邊繼續(xù)形成分支裂紋，脈沖放電直至試樣鉆孔中的水無(wú)法保存而從裂隙處滲出。

為了更加清晰地將裂紋擴(kuò)展規(guī)律展現(xiàn)出來(lái)，現(xiàn)將試樣裂紋長(zhǎng)度發(fā)展進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著致裂次數(shù)的增加，三種煤體試樣表面裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度都在隨之增長(zhǎng)；圖5中每一條曲線上相鄰兩點(diǎn)的斜率代表相鄰兩次放電次數(shù)下裂紋的發(fā)展速率，而在整個(gè)擴(kuò)展的過(guò)程中，試樣1裂紋擴(kuò)展速率略小于試樣2和試樣3，這是由于在脈沖放電裂紋擴(kuò)展延伸過(guò)程中，試樣強(qiáng)度越小，越容易在已擴(kuò)展的裂紋內(nèi)部形成粉碎區(qū)，阻擋沖擊波的傳播，故其速率要小于高強(qiáng)度試樣；并且隨著試樣的強(qiáng)度逐漸升高，準(zhǔn)備期所需要的致裂次數(shù)增加，裂紋的擴(kuò)展速度呈現(xiàn)出慢-快-慢的趨勢(shì)，直至裂紋完全貫通。

圖5 不同強(qiáng)度煤體裂紋長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics on crack length of coalwith different strength

為了更好地觀測(cè)對(duì)試樣的致裂效果，將試樣沿著上表面裂紋撬開，觀察鉆孔內(nèi)裂紋情況，如圖6所示。由圖6中可知，經(jīng)過(guò)電脈沖放電之后的試樣內(nèi)部有明顯的裂紋，鉆孔壁上產(chǎn)生許多瑣碎裂隙。這證明對(duì)于相似材料試樣來(lái)說(shuō)，相當(dāng)次數(shù)的沖擊可以使試樣產(chǎn)生較大的裂紋，但并不會(huì)類似炸藥一樣對(duì)試樣內(nèi)部造成破壞性的影響；對(duì)鉆孔側(cè)壁上造成肉眼可見(jiàn)裂紋損傷，且隨著距離鉆孔越近，損傷越大。由于電脈沖能量的急速釋放，在放電位置處的鉆孔石壁會(huì)產(chǎn)生凹進(jìn)石壁的變形，形成一定范圍空腔。

圖6 試樣鉆孔內(nèi)部Fig.6 Inside the drilled hole of test piece

3.2 裂紋微觀分析

在對(duì)試樣擴(kuò)展的裂縫在進(jìn)行宏觀觀測(cè)的同時(shí)，通過(guò)顯微拍照儀對(duì)試樣在不同實(shí)驗(yàn)次數(shù)下的微觀裂紋特征進(jìn)行拍攝，圖7為試樣1放電5次、10次和15次的微觀裂紋圖。通過(guò)觀察可以看到，在鉆孔周圍的裂紋隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，裂縫寬度也隨之明顯的增加，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，前部由于幾乎全部破裂而不再產(chǎn)生完整的裂紋。而距離鉆孔越遠(yuǎn)，裂縫的寬度擴(kuò)展不再明顯，不會(huì)產(chǎn)生裂紋破碎的情況。也就是說(shuō)，電脈沖能量在鉆孔中的釋放次數(shù)對(duì)裂縫的長(zhǎng)度擴(kuò)展有著相當(dāng)程度的促進(jìn)作用，而對(duì)裂紋寬度而言，能量在傳遞的過(guò)程中，大小逐漸下降，能量的破壞作用繼續(xù)朝著裂縫延伸方向，只有少量能量作用于鉆孔附近裂縫兩邊，從而導(dǎo)致遠(yuǎn)處的裂紋寬度不受影響。

圖7 試件裂紋微觀圖Fig.7 Crack micrograph

4 結(jié) 論

1) 通過(guò)對(duì)三種強(qiáng)度相似試樣進(jìn)行水中高壓電脈沖致裂實(shí)驗(yàn)得出，強(qiáng)度越大，形成南北貫通裂紋所需脈沖放電次數(shù)越多，所需要的能量也就越大；試樣強(qiáng)度越小，形成貫通裂紋后的試樣鉆孔內(nèi)部裂隙發(fā)育更豐富。

2) 在試樣起裂后，試樣強(qiáng)度越小，裂紋擴(kuò)展速率越小，這是由于試樣強(qiáng)度小，越容易在已擴(kuò)展的裂紋內(nèi)部形成粉碎區(qū)，堵塞裂縫阻擋水激波的傳遞，故其裂紋發(fā)展速率的小于高強(qiáng)度試樣。

3) 裂紋寬度而言，能量在傳遞的過(guò)程中，大小逐漸下降，能量的破壞作用繼續(xù)朝著裂縫延伸方向，只有少量會(huì)作用于鉆孔附近裂縫兩邊，從而導(dǎo)致遠(yuǎn)處的裂紋寬度不受影響。