基于空氣環(huán)境下的高壓擊穿電熱致裂煤體實(shí)驗(yàn)研究

林柏泉，閆發(fā)志，朱傳杰，郭　暢，周　延

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州　221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州　221008)

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基于空氣環(huán)境下的高壓擊穿電熱致裂煤體實(shí)驗(yàn)研究

林柏泉1,2，閆發(fā)志1,2，朱傳杰1,2，郭暢1,2，周延1

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221008)

摘要:利用搭建的高壓擊穿電熱致裂煤體試驗(yàn)系統(tǒng)，以貴州林華煤礦的無煙煤為研究對象，研究了在空氣環(huán)境下高壓擊穿電熱致裂煤體的可行性，并對高壓擊穿電熱致裂煤體的宏觀和微觀特征進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在針-針電極下，空氣介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)為18.0～18.3 kV/cm，煤體的擊穿場強(qiáng)為0.3～0.8 kV/cm，無煙煤的擊穿場強(qiáng)小于空氣的擊穿場強(qiáng)。在相同條件下，各個煤樣的擊穿電壓和破壞特征均不相同，擊穿電壓在20～41 kV，煤樣主要有3種破壞類型。高壓擊穿電熱致裂煤體過程中，等離子體通道位置的煤樣呈現(xiàn)出燒灼狀態(tài)，形成了大量裂隙和孔隙。同時，等離子通道周圍煤體在高溫條件下發(fā)生氧化反應(yīng)，形成了新的氧化產(chǎn)物。

關(guān)鍵詞:高壓擊穿；電熱致裂；煤體；煤層氣；擊穿場強(qiáng)；等離子通道

高電壓致裂技術(shù)在過去幾十年得到了較好的發(fā)展，它是利用放電過程中產(chǎn)生的沖擊波以及等離子體通道中產(chǎn)生的高溫引起的力學(xué)效應(yīng)對固體材料進(jìn)行破壞[1]。高壓電技術(shù)破壞材料的方式主要有2種：第1種是液電效應(yīng)，它是把固體材料放在液體中，等離子通道發(fā)生在液體介質(zhì)中，由于等離子通道的極速增大導(dǎo)致液體內(nèi)形成強(qiáng)大的沖擊波，沖擊波前沿作用于材料表面，導(dǎo)致材料破裂[2]。第2種是電破碎，即放電等離子通道直接形成于固體材料內(nèi)部，等離子體通道的急劇膨脹導(dǎo)致在固體材料內(nèi)形成很大的拉應(yīng)力，迫使固體材料發(fā)生抗拉破壞[3]。

高電壓破碎技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在很多行業(yè)，針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，它也具有很獨(dú)特的優(yōu)勢。醫(yī)學(xué)方面利用液電效應(yīng)進(jìn)行體外碎石，將體內(nèi)結(jié)石擊碎后隨排泄液排出體外[4-5]。利用液電效應(yīng)也可以進(jìn)行金屬管件的除垢，以及對巖石進(jìn)行粉碎[6-7]。文獻(xiàn)[8-9]中研究利用高壓電脈沖技術(shù)將有價值的材料從廢棄的電路板中分離出來，取得了較好的效果。很多學(xué)者也對采用高電壓致裂技術(shù)從礦石中分解礦物進(jìn)行了大量的研究[10-12]。自20世紀(jì)70年代以來，美國等國家采用高壓電脈沖破巖技術(shù)來實(shí)現(xiàn)油儲層增滲以及解決堵塞問題，取得了較大的進(jìn)展[13]。近年來，有些學(xué)者提出了將高壓電脈沖技術(shù)應(yīng)用于煤儲層以提高煤層氣抽采，并在現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用，取得一些效果[14-15]。但是，目前對高壓電致裂煤體的研究更多的是處于理論探討階段，基礎(chǔ)研究還不充分。由于我國煤層具有賦存復(fù)雜，透氣性低的特點(diǎn)[16-17]，且煤體的導(dǎo)電性、孔隙結(jié)構(gòu)均與巖石不同，以往研究的高壓電破碎巖石的理論不能直接運(yùn)用在高壓電致裂煤層增透方面，故需要開展一些高壓電致裂煤體的基礎(chǔ)研究，從而為深部礦井提高煤層氣抽采效果的工藝設(shè)備及方案的設(shè)計提供理論依據(jù)。

本文利用自行搭建的高壓擊穿電熱致裂煤體實(shí)驗(yàn)平臺，并結(jié)合微觀分析，對高壓擊穿電熱致裂煤體的可行性以及致裂效果進(jìn)行了初步研究，以期為現(xiàn)場提高煤層透氣性的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。由于液中放電產(chǎn)生的沖擊波具有分散性，采用直接擊穿巖石的電破碎方式的能量利用效率要高于水中放電的效率[18]。而原始含瓦斯煤體是一種由空間分布不均勻的煤巖顆粒組成的多孔固體骨架-孔隙中的游離瓦斯氣體-孔隙表面的準(zhǔn)液態(tài)吸附層組成的典型的非均勻多相介質(zhì)[19]，這為高壓電擊穿煤體時等離子通道直接通過煤體內(nèi)部提供了有利的條件。故本實(shí)驗(yàn)中電極和煤樣均裸露于空氣環(huán)境下，以期利用高壓電直接擊穿煤體，在煤體內(nèi)部形成等離子通道，利用電應(yīng)力和等離子通道的熱膨脹力實(shí)現(xiàn)煤體的破碎。

1實(shí)驗(yàn)研究

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及原理

高壓擊穿電熱致裂煤體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由高壓電源、輔助高壓電源、儲能電容器、高壓擊穿發(fā)生腔體和靜電屏蔽室構(gòu)成，系統(tǒng)如圖1所示。其中高壓電源最大可以輸出電壓為50 kV，輔助高壓電源最大輸出電壓為40 kV，當(dāng)僅依靠高壓電源無法實(shí)現(xiàn)擊穿時，可以開啟輔助高壓電源以實(shí)現(xiàn)擊穿。儲能電容器的電容為8 μF。

圖1　高壓擊穿電熱致裂煤體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1　Experiment system of crushing coal by electric and heat in the process of high-voltage breakdown

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理是利用高壓電源將220 V/50 Hz的交流電流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞲邏弘娏鞑閮δ茈娙莩潆?，儲能電容的正極和負(fù)極分別連在高壓擊穿發(fā)生腔體內(nèi)的高壓電極和接地電極(2個電極均為針狀電極)，當(dāng)電壓升至滿足高壓擊穿發(fā)生腔體內(nèi)的高壓電極和接地電極之間介質(zhì)的擊穿條件時，電極間的介質(zhì)便被擊穿，如果高壓電源電壓達(dá)到50 kV時仍不能達(dá)到介質(zhì)的擊穿條件時，便可以開啟輔助高壓電源，以實(shí)現(xiàn)電極間介質(zhì)的擊穿。介質(zhì)的擊穿過程中，首先是高壓電極和接地電極之間的電場強(qiáng)度達(dá)到介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)，在介質(zhì)內(nèi)部形成等離子體通道，然后大量電流在瞬間通過介質(zhì)內(nèi)的等離子體通道，等離子體通道急速膨脹，電應(yīng)力與由電流產(chǎn)生的熱膨脹力同時作用于等離子體通道周圍介質(zhì)，導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)形成大量裂隙，甚至發(fā)生破碎。

1.2實(shí)驗(yàn)樣品及其制備

研究表明，煤的變質(zhì)程度越高，其導(dǎo)電性就會越好[20]，因此，實(shí)驗(yàn)煤樣選自貴州林華煤礦，煤體為優(yōu)質(zhì)無煙煤。將采集到的大塊煤樣制作為直徑50 mm×100 mm的柱狀煤樣，如圖2所示。

圖2　試驗(yàn)煤樣Fig.2　Experimental coal sample

1.3實(shí)驗(yàn)方案及步驟

(1)實(shí)驗(yàn)時，首先在高壓電極與接地電極之間不放煤樣，電極間距設(shè)為1 cm，進(jìn)行高壓擊穿實(shí)驗(yàn)，重復(fù)此步驟5次，考察空氣介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)。

(2)將煤樣放置在電極之間，煤樣兩個端面分別對應(yīng)高壓電極和接地電極，如圖3所示。然后調(diào)整電極的位置，使煤樣兩個端面均與電極接觸。共進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，考察煤樣的擊穿場強(qiáng)。

圖3　高壓擊穿發(fā)生腔體內(nèi)電極與試樣布置Fig.3　Arrangement of electrode and sample in the high-voltage breakdown occur cavity

(3)將煤樣與高壓電極的間距設(shè)置為1 mm，考察煤樣的擊穿電壓和破碎特征，共進(jìn)行8組實(shí)驗(yàn)。

(4)實(shí)驗(yàn)完成后，將高壓擊穿電熱致裂煤體過程中等離子體通道處的煤樣與未受高壓擊穿電熱影響的煤樣采用掃描電鏡分析煤體表面微觀結(jié)構(gòu)的變化，并將兩種樣品進(jìn)行紅外光譜分析，分析兩者成分的變化。掃描電鏡為美國FEI公司生產(chǎn)的Quanta 250環(huán)境掃描電子顯微鏡，可以用來探索微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)和成分表征，同時該設(shè)備配有能量色散譜儀，可以為樣品提供精確的微區(qū)定性、定量分析數(shù)據(jù)。紅外分析采用德國布魯克傅里葉變換紅外光譜儀及顯微紅外系統(tǒng)進(jìn)行。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1空氣介質(zhì)和煤體介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)

考察空氣的擊穿強(qiáng)度時，將電極間距設(shè)置為1 cm，電極間不放置煤樣，進(jìn)行擊穿實(shí)驗(yàn)，考察擊穿空氣所需要的電壓，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了5次，擊穿電壓分別為18,18.3,18.15,18.1和18 kV,而電極間的電場強(qiáng)度為

(1)

式中，E為電極間的電場強(qiáng)度；U為電極間的電壓；d為電極間距。

由式(1)可以看出，擊穿空氣介質(zhì)所需要的電場強(qiáng)度在18.0～18.3 kV/cm。

為了考察煤體介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)，將直徑50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)煤樣放置在電極間進(jìn)行擊穿實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)。開啟高壓電源，發(fā)現(xiàn)電壓升至3～8 kV就會瞬間下降，表明煤體介質(zhì)已經(jīng)被擊穿，結(jié)合式(1)表明，煤體的擊穿場強(qiáng)為0.3～0.8 kV/cm。煤樣擊穿場強(qiáng)不同是因?yàn)槊簶觾?nèi)部的原生孔隙結(jié)構(gòu)分布不均[19]，而孔隙對介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)會有很大的影響[3]，因此5個試樣的擊穿場強(qiáng)并不完全相同，但是他們的擊穿場強(qiáng)比空氣介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)要小得多，空氣介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)約是無煙煤擊穿場強(qiáng)的22.5～61倍。

圖4　擊穿場強(qiáng)與電壓上升時間的關(guān)系Fig.4　Breakdown field strength in relation to voltage rising time

相關(guān)研究表明，在擊穿電壓上升時間小于500 ns時，液體介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度大于固體介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度，而固體介質(zhì)大于空氣介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度，如圖4所示[21]。為了實(shí)現(xiàn)較好的破碎固體礦物的效果，通常將目標(biāo)固體礦物浸置于液體介質(zhì)內(nèi)，因?yàn)橐后w介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)大于固體的擊穿場強(qiáng)，在發(fā)生擊穿的過程中，可以阻止等離子體泄露到固體外，有利于等離子體全部從固體礦物內(nèi)部流過，提高電擊穿的效率，實(shí)現(xiàn)礦物的充分破碎[22]。但是以往實(shí)驗(yàn)的研究對象都是巖石等固體，還沒有對煤體進(jìn)行過高壓電破碎的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，煤樣的擊穿場強(qiáng)遠(yuǎn)小于空氣的擊穿場強(qiáng)，這為煤體放置在氣體環(huán)境中也可以實(shí)現(xiàn)充分破碎提供了可能，故本實(shí)驗(yàn)將煤體放置于空氣中進(jìn)行高壓電破碎實(shí)驗(yàn)是可行的。

2.2高壓電作用下煤樣擊穿電壓及宏觀破壞特征

當(dāng)煤樣兩個端面與高壓電極和接地電極接觸時，煤體達(dá)到擊穿條件時并未發(fā)生明顯的破壞，這是因?yàn)楦邏弘娫跐M足煤樣擊穿時所需的電壓比較低，從而擊穿過程中進(jìn)入煤樣內(nèi)部的能量也較低，因而不能實(shí)現(xiàn)煤體的破碎。為了提高進(jìn)入煤樣的能量，必須提高擊穿電壓，本實(shí)驗(yàn)通過增加煤樣端面與高壓電極間的距離來提高擊穿電壓。將煤樣與高壓電極間距設(shè)置為1 mm，共進(jìn)行了8組實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在相同條件下，各個煤樣的擊穿電壓和破壞特征均不相同，擊穿電壓在20～41 kV，破壞特征主要有3種類型，如圖5所示，(a)中煤體沿軸線產(chǎn)生了1條裂縫，(b)中煤體沿軸線完全劈裂，(c)中煤樣在高壓擊穿電熱致裂作用下破碎為體積不同的塊體。相同的條件下，煤樣的擊穿電壓和破碎特征各不相同，這是因?yàn)槊簶觾?nèi)部原生孔隙結(jié)構(gòu)分布不均，煤樣內(nèi)的孔隙對擊穿電壓和等離子通道的發(fā)展具有很大的影響。

圖5　高壓擊穿電熱致裂煤體的類型Fig.5　Types of broken coal by electric and heat in the process of high-voltage breakdown

2.3高壓擊穿作用下煤樣破壞的微觀結(jié)構(gòu)分析

高壓擊穿電熱致裂煤體過程中，首先是在煤體內(nèi)部形成了一個等離子體通道，然后儲能電容上大量的能量在極短的時間內(nèi)注入到等離子通道后，引起煤體相應(yīng)的變形或破壞。文獻(xiàn)[23]研究表明，注入到等離子體通道內(nèi)的能量W一方面增加等離子體通道內(nèi)能W1，另一方面是對周圍巖體做功W2，即

(2)

等離子體通道對周圍巖體做功W2主要有4個方面的作用：一是轉(zhuǎn)換為周圍介質(zhì)的內(nèi)能；二是轉(zhuǎn)換為裂紋的表面能；三是轉(zhuǎn)變?yōu)橹車橘|(zhì)的動能；四是反射到周圍其他介質(zhì)中耗散掉。高壓擊穿電熱致裂煤樣后，可以明顯的看到在煤樣破裂面存在著等離子通道的痕跡，如圖6所示。

圖6　高壓擊穿過程中的等離子體通道Fig.6　Plasma channel in the process of high-voltage breakdown

在高壓擊穿電熱致裂煤體的等離子體通道位置取樣，并采集未受高壓擊穿電熱致裂影響的煤樣，采用Quanta 250環(huán)境掃描電子顯微鏡對兩組樣品進(jìn)行觀測，結(jié)果如圖7所示。圖7(a)，(b)和(c)分別為未受高壓擊穿電熱致裂影響煤樣在放大800，3 000和5 000倍下的裂隙情況。圖7(d)，(e)和(f)分別為等離子通道位置處煤樣在放大800，3 000和5 000倍下的裂隙情況。對比2種煤樣的裂隙發(fā)育特征可以看出，未受高壓擊穿電熱致裂影響的煤樣表面相對光滑平整，裂隙數(shù)量較少，結(jié)構(gòu)簡單。而等離子體通道位置煤樣表面呈現(xiàn)出燒灼狀態(tài)，表面有大量裂隙和孔隙，這是因?yàn)樵诟邏簱舸┻^程中，大量能量通過等離子體通道，產(chǎn)生了大量的熱量，形成高溫，等離子體通道壁受熱焦化膨脹，且沖擊波對等離子體通道壁周圍煤體產(chǎn)生沖擊，形成大量裂隙。

圖7　不同煤樣的表面微觀特征Fig.7　Microscopic features of different coal sample surface

為了考察高壓擊穿電熱致裂煤體過程中等離子體通道位置煤樣成分的變化，采用傅里葉變換紅外光譜儀分別對等離子體通道位置處煤樣和未受高壓擊穿電熱致裂影響的煤樣進(jìn)行了分析。由圖8可以看出，高壓擊穿電熱致裂煤體的煤樣與原始煤樣相比，化學(xué)成分發(fā)生了變化。這是由于在高壓擊穿電熱致裂煤體過程中，等離子通道內(nèi)產(chǎn)生了大量熱量，等離子通道壁周圍煤體發(fā)生氧化反應(yīng)，形成了新的氧化產(chǎn)物。

圖8　原始煤樣與高壓擊穿電熱致裂煤樣的紅外光譜Fig.8　Infrared spectra of different coal sample

3結(jié)論

(1)搭建了基于空氣環(huán)境下的高壓擊穿電熱致裂煤體的試驗(yàn)系統(tǒng)，在針-針電極下，通過對空氣介質(zhì)和煤體介質(zhì)擊穿場強(qiáng)的試驗(yàn)，空氣介質(zhì)擊穿場強(qiáng)為18.0～18.3 kV/cm，煤體的擊穿場強(qiáng)為0.3～0.8 kV/cm。表明將煤體直接放置于空氣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電破碎是可行的。

(2)高壓擊穿電熱煤體主要呈現(xiàn)3種破壞類型。相同的條件下，煤樣的擊穿電壓和破碎類型各不相同，這是因?yàn)楦邏簱舸┦艿矫簶觾?nèi)部的原生孔隙結(jié)構(gòu)的影響，煤樣內(nèi)的孔隙對擊穿電壓和等離子通道的發(fā)展具有很大的影響。

(3)在高壓擊穿電熱致裂煤體的等離子體通道位置的煤樣表面呈現(xiàn)出燒灼狀態(tài)，表面有大量裂隙和孔隙。同時，等離子通道壁周圍煤體發(fā)生氧化反應(yīng)，形成了新的氧化產(chǎn)物。

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Experimental study on crushing coal by electric and heat in the process of high-voltage breakdown in the air condition

LIN Bai-quan1,2，YAN Fa-zhi1,2，ZHU Chuan-jie1,2，GUO Chang1,2，ZHOU Yan1

(1.KeyLaboratoryofCoalMethaneandFireControl,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China;2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China)

Abstract:In order to study the feasibility of crushing coal by electric and heat in the process of high-voltage breakdown in air environment,as well as the macroscopic and microscopic characteristics of coal,an high-voltage breakdown testing system of coal is built,and the anthracite coal of Linhua coal mine in Guizhou province was selected for the test.Under the needle electrode-needle electrode,the experimental results show that the air dielectric breakdown field strength from 18.0 to 18.3 kV/cm,the breakdown field strength of coal body is 0.3-0.8 kV/cm,the breakdown voltage of anthracite coal is less than the breakdown voltage of air.Under the same conditions,the breakdown voltage and damage characteristics of coal samples are not the same,the breakdown voltage ranges between 20 kV and 41 kV,and there are three main types of damage on coal samples.In the process of the crushing coal by high-voltage,the coal samples of plasma channel presents a burning state,formed a large number of cracks and pores.At the same time,the oxidation reaction happened in the coal around the plasma channel under the condition of high temperature,formed new oxidation products.

Key words:high-voltage breakdown；electric and heat crack；coal；coalbed methane；breakdown voltage； plasma channel

中圖分類號:TD712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0253-9993(2016)01-0094-06

作者簡介:林柏泉(1960—)，男，福建龍巖人，教授，博士生導(dǎo)師，博士。Tel:0516-83884401,E-mail:lbq21405@126.com。通訊作者：閆發(fā)志(1987—)，男，河南焦作人，博士研究生。E-mail:yfzcumt@163.com

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474211,51204174)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

收稿日期:2015-09-15修回日期:2015-11-16責(zé)任編輯:畢永華

林柏泉，閆發(fā)志，朱傳杰，等.基于空氣環(huán)境下的高壓擊穿電熱致裂煤體實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報,2016,41(1):94-99.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9017

Lin Baiquan，Yan Fazhi，Zhu Chuanjie,et al.Experimental study on crushing coal by electric and heat in the process of high-voltage breakdown in the air condition[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):94-99.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9017