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(xué)控制

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(xué)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(xué)院 環(huán)境與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 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(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013；4. 西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)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(zhì)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(xué)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(yīng)特征，研究微裂隙擴(kuò)展演化與顯微組分之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：① 增加循環(huán)沖擊次數(shù)，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(shù)越多致裂效果越好，而是存在一個最佳沖擊次數(shù)。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(yīng)”，即低變質(zhì)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(cè)重性，鏡質(zhì)組最發(fā)育，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組最少，這是鏡質(zhì)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(xué)優(yōu)勢)綜合作用的結(jié)果。④ 微裂隙在顯微組分中的擴(kuò)展演化軌跡可歸納為穿越顯微組分、局限在顯微組分內(nèi)部、沿顯微組分邊界發(fā)育和形態(tài)呈斜列、漸進(jìn)式張剪性擴(kuò)展等主要特征。研究結(jié)論對進(jìn)一步揭示循環(huán)高壓電脈沖煤層致裂微觀機(jī)制，明確工程實踐目標(biāo)煤層，優(yōu)化作業(yè)工藝參數(shù)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(xué)

中國煤儲層普遍低孔、低滲的物性嚴(yán)重制約著煤層氣大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)進(jìn)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(yīng)用的煤層改造技術(shù)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(shù)源于脈沖功率技術(shù)，脈沖功率技術(shù)是為國防需要逐漸發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，目前已被廣泛用于高新技術(shù)研究、工業(yè)與民用等諸多領(lǐng)域[1-3]。該技術(shù)在化石能源領(lǐng)域的應(yīng)用興起于20世紀(jì)80年代，主要作為油層解堵措施用于油水井的增產(chǎn)增注作業(yè)[4-6]。2010年以來，該技術(shù)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(jìn)行了系列工程實踐，經(jīng)過近十年的發(fā)展，已在增透機(jī)理、設(shè)備升級、工程應(yīng)用等方面卓有成效[11-22]。

循環(huán)高壓電脈沖煤層增透技術(shù)是在鉆孔或煤層氣井充水條件下，通過液電效應(yīng)將高壓強(qiáng)電場轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的沖擊應(yīng)力場作用于煤層，在多次循環(huán)沖擊作用下，達(dá)到致裂煤層、提高滲透性的目的[9-10]。產(chǎn)生的沖擊波具有高壓性、瞬時性和寬頻性等特點，在傳導(dǎo)過程中因煤層的非均質(zhì)性，在不同界面間產(chǎn)生剪切或拉張作用，從而致使煤層破裂。但有關(guān)高壓電脈沖致裂煤巖的微觀機(jī)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(kuò)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(zhì)組成之間有何關(guān)系尚缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識。

煤是植物遺體埋藏在地下經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)作用和物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)變而成的有機(jī)巖石，其物質(zhì)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(kuò)展、分岔等發(fā)育特征與顯微組分具有重要聯(lián)系。前人有關(guān)微裂隙與煤巖顯微組分之間關(guān)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(zhì)鏡質(zhì)體中最為發(fā)育，基質(zhì)鏡質(zhì)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(guān)系等。有關(guān)外部動態(tài)載荷作用下，煤中微裂隙擴(kuò)展演化的煤巖學(xué)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(kuò)展演化特征，為進(jìn)一步揭示循環(huán)高壓電脈沖煤層致裂微觀機(jī)理及技術(shù)進(jìn)步提供理論基礎(chǔ)。

1 煤樣基本性質(zhì)

實驗選肥煤、貧煤和無煙煤3種不同變質(zhì)程度的煤樣，均采自煤礦井下掘進(jìn)工作面，加工成規(guī)格為20 cm×20 cm×20 cm的塊狀，煤體結(jié)構(gòu)皆為原生結(jié)構(gòu)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(zhì)特征測試結(jié)果見表1。各煤級煤樣數(shù)量均為2塊，并用相應(yīng)的漢語拼音首字母加數(shù)字進(jìn)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(xiàn)為鏡質(zhì)組占比最大，惰質(zhì)組居中，殼質(zhì)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(jié)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(guān)和負(fù)載4部分組成，設(shè)計金屬絲和含能材料2種能量產(chǎn)生方式。金屬絲為直徑0.2 mm、長度50 mm的鎢絲；含能材料質(zhì)量為5 g，由含能混合物及包裹于核部的金屬絲構(gòu)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(shè)備工作時，高壓電源將220 V、50 Hz的交流電經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)化為20～30 kV的直流電，并儲存在電容器中，閉合開關(guān)，金屬絲或含能材料受到瞬時直流高電壓作用，在數(shù)十微秒內(nèi)被加熱、汽化爆炸，產(chǎn)生強(qiáng)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(fù)載等所有設(shè)備參數(shù)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(guān)實驗裝置的更多電學(xué)參數(shù)、金屬絲和含能材料的特性及沖擊波特征等詳見文獻(xiàn)[28-31]。

表1 煤巖煤質(zhì)測試結(jié)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(yù)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(guān)，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(guān)，完成第2次沖擊；如此循環(huán)，待到第次沖擊結(jié)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(jīng)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(fù)上述過程，待到第(＞)次沖擊結(jié)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(shù)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(shù)見表1。實驗過程中為保證觀測結(jié)果的可靠性，降低因煤巖非均質(zhì)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(shù)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(shè)計定性和定量兩個方面，定性分析主要在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行，定量分析為微裂隙分形維數(shù)計算。

1) 光學(xué)顯微鏡觀察

光學(xué)顯微鏡主要用于研究微裂隙分布與顯微組分之間的關(guān)系，所用儀器為Axio Imager M1m型光學(xué)顯微鏡。觀測前，依據(jù)GB/T 16773—2008《煤巖分析樣品制備方法》制備塊煤光片，將小樣經(jīng)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(jìn)行照片拼接、微裂隙描繪和分形維數(shù)計算。

2) 分形維數(shù)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(shù)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(shù)法，計算煤巖光片表面微裂隙的分形維數(shù)。

分形維數(shù)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(zhǔn)，并將微裂隙刻畫出來；然后，將邊長為0的1個正方形網(wǎng)格依次劃分成邊長為0/2(=1, 2, …, 5)的4個正方形網(wǎng)格；接著，統(tǒng)計劃分后的這4個正方形網(wǎng)格中裂隙長度大于或等于0/2的裂隙總條數(shù)N；最后，依據(jù)邊長尺度(即分形尺度)與裂隙總條數(shù)之間存在負(fù)冪指數(shù)關(guān)系，即∞?，兩邊取對數(shù)，得出分形維數(shù)=–lg/lg。

3 結(jié)果與討論

3.1 微裂隙發(fā)育特征

光學(xué)顯微鏡下觀測發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)沖擊次數(shù)增加，所有煤樣微裂隙的發(fā)育程度均隨之增強(qiáng)。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(xiàn)出來，根據(jù)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)。可以看出，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(wǎng)絡(luò)雛形乍現(xiàn)；循環(huán)沖擊200次后(FM1-200)，微裂隙網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)，特別是大于10 μm的微裂隙數(shù)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(xué)顯微鏡下的微裂隙線密度統(tǒng)計結(jié)果顯示，整體上，所有煤樣的微裂隙線密度均隨沖擊次數(shù)的增加而趨于增大(圖3a)，為便于對比分析，對沖擊次數(shù)進(jìn)行了歸一化處理。

圖3 微裂隙密度與沖擊次數(shù)的關(guān)系

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，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(kuò)展和趨于平穩(wěn)3個階段，能夠用Logistic模型進(jìn)行擬合。該模型圖像是一種近“S”形的增長曲線，已廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、工程技術(shù)學(xué)等諸多領(lǐng)域。模型最初由比利時數(shù)學(xué)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(xué)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(jìn)，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(shù)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(shù)；為微裂隙線密度的瞬時增加率；為待估常數(shù)。

借助MATLAB軟件得到循環(huán)沖擊次數(shù)與微裂隙線密度的擬合曲線(圖3b)，相關(guān)系數(shù)R分別高達(dá)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(guān)鍵點，可以通過對式(1)分別求二階與三階導(dǎo)數(shù)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(guān)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(dǎo)數(shù)的拐點，而式(1)一階導(dǎo)數(shù)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(shù)達(dá)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(dá)到最大值時所需要的沖擊次數(shù)。

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(xiàn)，所有煤樣的線密度增加率均呈現(xiàn)出先單調(diào)遞增后單調(diào)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(yīng)的循環(huán)沖擊次數(shù)恰好基本占總次數(shù)的50%。這與Logistic模型擬合得到的關(guān)鍵點2及其意義不謀而合，再次證明了利用該模型進(jìn)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(jié)果可知，隨循環(huán)沖擊次數(shù)增加，煤巖微裂隙規(guī)模不可能無限擴(kuò)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(shù)，即為Logistic曲線上的關(guān)鍵點3，此時致裂效果最好，過猶不及。模擬計算結(jié)果顯示，肥煤樣FM1、FM2的最佳沖擊次數(shù)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(shù)[21-22]。

3.3 微裂隙分形特征

為進(jìn)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(xué)顯微鏡下觀察到的微裂隙進(jìn)行分形維數(shù)計算。結(jié)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(jié)果，相關(guān)性均高達(dá)0.99以上。分形數(shù)據(jù)顯示，3個煤級樣品的微裂隙線密度與其分形維數(shù)之間均具有線性相關(guān)性(圖4a)，說明可以借助分形維數(shù)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(shù)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(xiàn)為金屬絲加載方式下的微裂隙分形維數(shù)增加值高于含能材料加載方式下的增加值；煤級方面表現(xiàn)為貧煤的微裂隙分形維數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)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(guān)，其趨勢與微裂隙線密度演化特征基本一致，分形維數(shù)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?？梢钥闯?，微裂隙分形維數(shù)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(rèn)為，循環(huán)沖擊初期，煤巖內(nèi)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(kuò)展，微裂隙線密度及分形維數(shù)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(kuò)展、分岔、連通，逐漸形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，從而快速涌現(xiàn)出大量裂隙，此時煤巖體內(nèi)部損傷加劇，煤巖表面也有新生裂隙顯現(xiàn)，因此在微裂隙線密度和分形維數(shù)上表現(xiàn)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(yīng)力而難以繼續(xù)擴(kuò)展，因此，最終微裂隙線密度及分形維數(shù)逐漸趨于一個穩(wěn)定值。

圖4 微裂隙密度及沖擊次數(shù)與分形維數(shù)的關(guān)系

3.4 微裂隙發(fā)育的煤巖學(xué)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(xiàn)，煤的巖石學(xué)特征是控制微裂隙發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)和內(nèi)在根本，不同顯微組分微裂隙發(fā)育具有差異性和側(cè)重性，其中鏡質(zhì)組微裂隙最為發(fā)育，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組最少。循環(huán)沖擊作用下，微裂隙擴(kuò)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(yuǎn)、開度也較大，是剪切力作用的標(biāo)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(zhì)組中更為平直，開度也較惰質(zhì)組和殼質(zhì)組中大，在組分邊界處，常見微裂隙分岔或曲折擴(kuò)展現(xiàn)象(圖5a—圖5c)。

(2) 微裂隙局限在顯微組分內(nèi)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(zhì)鏡質(zhì)體或基質(zhì)鏡質(zhì)體內(nèi)，而惰質(zhì)組和殼質(zhì)組內(nèi)部的微裂隙較少。整體上，組分條帶寬度越大，其內(nèi)部微裂隙越發(fā)育，裂隙形態(tài)也越復(fù)雜，相互交叉搭接呈樹枝狀或網(wǎng)狀分布；反之，組分條帶較小時，其內(nèi)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(jìn)一步變窄，呈

線性交叉展布，微裂隙基本難以在組分條帶內(nèi)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(shù)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(jìn)式擴(kuò)展過程具有拉張力效應(yīng)，這是由于煤巖顯微組分的非均衡交替轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致沖擊作用下，應(yīng)力在煤巖組分中分布的非均勻性，從而導(dǎo)致微裂隙萌生、擴(kuò)展的非均勻性，其擴(kuò)展路線常呈間歇式曲折、斜列狀，并產(chǎn)生分岔、轉(zhuǎn)折等現(xiàn)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(kuò)展的微裂隙；為沿組分邊界擴(kuò)展的微裂隙；④—⑥、—為呈斜列式漸進(jìn)擴(kuò)展的微裂隙

循環(huán)沖擊作用下，微裂隙在顯微組分中擴(kuò)展演化特征，一是與各顯微組分含量有關(guān)，鏡質(zhì)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(guān)。通常鏡質(zhì)組原位裂隙(沖擊實驗前含有的各種裂隙，包括內(nèi)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(jù)格里菲斯(Griffith)強(qiáng)度理論，脆性斷裂源多從材料內(nèi)部缺陷處開始，這已成為不爭的事實，鏡質(zhì)組中大量存在的原有裂隙就是缺陷，是裂隙萌生、擴(kuò)展的源頭，因此，其具有微裂隙優(yōu)先擴(kuò)展的位置優(yōu)勢；三是與顯微組分的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，鏡質(zhì)組脆性較大，抗拉強(qiáng)度較小，循環(huán)沖擊作用下極易發(fā)生漸進(jìn)式張剪性斷裂，具有微裂隙發(fā)育的力學(xué)優(yōu)勢。

4 結(jié)論

a.增加循環(huán)沖擊次數(shù)，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(jìn)行擬合，說明并非沖擊次數(shù)越多致裂效果越好，而是存在一個最佳沖擊次數(shù)，這對優(yōu)化該技術(shù)作業(yè)工藝參數(shù)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(yīng)”，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(dǎo)意義。

c.微裂隙在顯微組分中的擴(kuò)展演化路線具有以下4種現(xiàn)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(nèi)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(jìn)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(cè)重性，其中，鏡質(zhì)組微裂隙最為發(fā)育，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組最少，原因在于鏡質(zhì)組具有顯著的空間、位置和力學(xué)優(yōu)勢，而微裂隙在鏡質(zhì)組內(nèi)部的擴(kuò)展演化機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

[1] 鄭建毅，何聞. 脈沖功率技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢綜述[J]. 機(jī)電工程，2008，25(4)：1–4.

ZHENG Jianyi，HE Wen. Review of research actuality and development directions of pulsed power technology[J]. Mechanical & Electrical Engineering Magazine，2008，25(4)：1–4.

[2] 王瑩. 脈沖功率技術(shù)綜述[J]. 電氣技術(shù)，2009，10(4)：5–9.

WANG Ying. A review of pulsed power technology[J]. Electrical Engineering，2009，10(4)：5–9.

[3] 江偉華. 高重復(fù)頻率脈沖功率技術(shù)及其應(yīng)用：(1)概述[J]. 強(qiáng)激光與粒子束，2012，24(1)：10–15.

JIANG Weihua. Repetition rate pulsed power technology and its applications：(1)Introduction[J]. High Power Laser and Particle Beams，2012，24(1)：10–15.

[4] 孫鷂鴻，孫廣生，嚴(yán)萍，等. 高壓電脈沖采油技術(shù)發(fā)展[J]. 高電壓技術(shù)，2002，28(1)：41–42.

SUN Yaohong，SUN Guangsheng，YAN Ping，et al. The development of the electric pulse oil-mining technology[J]. High Voltage Engineering，2002，28(1)：41–42.

[5] 石道涵，王棟林，劉書炳. 電脈沖解堵技術(shù)增產(chǎn)機(jī)理分析及應(yīng)用[J]. 石油鉆采工藝，2002，24(3)：73–74.

SHI Daohan，WANG Donglin，LIU Shubing. Analysis and application on the mechanism of plug removal with electric plus[J]. Oil Drilling & Production Technology，2002，24(3)：73–74.

[6] 陸小兵，王守虎，隋蕾，等. 電脈沖解堵增注機(jī)理分析及應(yīng)用[J]. 天然氣與石油，2011，29(6)：61–62.

LU Xiaobing，WANG Shouhu，SUI Lei，et al. Analysis and application of electronic pulse de-plugging and injection-adding mechanism[J]. Natural Gas and Oil，2011，29(6)：61–62.

[7] 邱愛慈，張永民，呂曉琳，等. 高功率脈沖技術(shù)在非常規(guī)天然氣開發(fā)中應(yīng)用的設(shè)想[C]//中國工程院/國家能源局第二屆能源論壇論文集. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：1112–1124.

QIU Aici，ZHANG Yongmin，LYU Xiaolin，et al. Application of high power pulse technology in unconventional gas development[C]//Proceedings of the Second Energy Forum of Chinese Academy of Engineering/National Energy Administration. Beijing：Chemical Industry Press，2012：1112–1124.

[8] 白建梅，程浩，祖世強(qiáng)，等. 大功率脈沖技術(shù)對低產(chǎn)煤層氣井增產(chǎn)可行性探討[J]. 中國煤層氣，2010，7(6)：24–26.

BAI Jianmei，CHENG Hao，ZU Shiqiang，et al. Discussion on feasibility of enhancing production of low-production CBM wells by using powerful pulse techniques[J]. China Coalbed Methane，2010，7(6)：24–26.

[9] 秦勇，邱愛慈，張永民. 高聚能重復(fù)強(qiáng)脈沖波煤儲層增滲新技術(shù)試驗與探索[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42(6)：1–7.

QIN Yong，QIU Aici，ZHANG Yongmin. Experiment and discovery on permeability improved technology of coal reservoir based on repeated strong pulse waves of high energy accumulation[J]. Coal Science and Technology，2014，42(6)：1–7.

[10] 李恒樂，秦勇，張永民，等. 重復(fù)脈沖強(qiáng)沖擊波對肥煤孔隙結(jié)構(gòu)影響的實驗研究[J]. 煤炭學(xué)報，2015，40(4)：915–921.

LI Hengle，QIN Yong，ZHANG Yongmin，et al. Experimental study on the effect of strong repetitive pulse shockwave on the pore structure of fat coal[J]. Journal of China Coal Society，2015，40(4)：915–921.

[11] 李恒樂. 煤巖電脈沖應(yīng)力波致裂增滲行為與機(jī)理[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2015.

LI Hengle. Behavior and mechanism of fracturing and enhanced-permeability of coals with electric pulse stress waves[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2015.

[12] 盧紅奇. 高壓電脈沖對煤體致裂作用實驗研究[D]. 北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，2015.

LU Hongqi. Experimental research on fracturing coal with high-voltage electrical pulse[D]. Beijing：China University of Mining and Technology(Beijing)，2015.

[13] 周曉亭. 重復(fù)電脈沖波煤巖致裂增滲效果巖石學(xué)分析[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2016.

ZHOU Xiaoting. Coal petrology analysis of effect for enhancing coal reservoir permeability with repetitive electric pulses wave[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2016.

[14] 張永民，邱愛慈，周海濱，等. 面向化石能源開發(fā)的電爆炸沖擊波技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 高電壓技術(shù)，2016，42(4)：1009–1017.

ZHANG Yongmin，QIU Aici，ZHOU Haibin，et al. Research progress in electrical explosion shockwave technology for developing fossil energy[J]. High Voltage Engineering，2016，42(4)：1009–1017.

[15] 張永民，邱愛慈，秦勇. 電脈沖可控沖擊波煤儲層增透原理與工程實踐[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2017，45(9)：79–85.

ZHANG Yongmin，QIU Aici，QIN Yong. Principle and engineering practices on coal reservoir permeability improved with electric pulse controllable shock waves[J]. Coal Science and Technology，2017，45(9)：79–85.

[16] 閆發(fā)志. 基于電破碎效應(yīng)的脈沖致裂煤體增滲實驗研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2017.

YAN Fazhi. Experimental study on pulses induced fracturing and permeability enhancing of coal blocks based on the electrical fragmentation effect[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2017.

[17] 卞德存. 靜水壓下脈沖放電沖擊波特性及其巖體致裂研究[D]. 太原：太原理工大學(xué)，2018.

BIAN Decun. Research on the shock wave characteristics of pulsed discharge under hydrostatic pressure and its fracturing effect on rock mass[D]. Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2018.

[18] 郭智棟，曾雯婷，方惠軍，等. 重復(fù)脈沖強(qiáng)沖擊波技術(shù)在煤儲層改造中的初步應(yīng)用[J]. 中國石油勘探，2019，24(3)：397–402.

GUO Zhidong，ZENG Wenting，F(xiàn)ANG Huijun，et al. Initial application of intense repeated pulse wave for stimulating CBM reservoirs[J]. China Petroleum Exploration，2019，24(3)：397–402.

[19] 張永民，蒙祖智，秦勇，等. 松軟煤層可控沖擊波增透瓦斯抽采創(chuàng)新實踐：以貴州水城礦區(qū)中井煤礦為例[J]. 煤炭學(xué)報，2019，44(8)：2388–2400.

ZHANG Yongmin，MENG Zuzhi，QIN Yong，et al． Innovative engineering practice of soft coal seam permeability enhancement by controllable shock wave for mine gas extraction：A case of Zhongjing Mine，Shuicheng，Guizhou Province，China[J]. Journal of China Coal Society，2019，44(8)：2388–2400.

[20] 張永民，安世崗，陳殿賦，等.可控沖擊波增透保德煤礦8#煤層的先導(dǎo)性試驗[J]. 煤礦安全，2019，50(10)：14–17.

ZHANG Yongmin，AN Shigang，CHEN Dianfu，et al. Preliminary tests of coal reservoir permeability enhancement by controllable shock waves in Baode coal mine 8# coal seam[J]. Safety in Coal Mines，2019，50(10)：14–17.

[21] 安世崗，陳殿賦，張永民，等. 可控電脈沖波增透技術(shù)在低透氣性煤層中的應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(4)：138–145.

AN Shigang，CHEN Dianfu，ZHANG Yongmin，et al. Application of controllable electric pulse wave permeability-enhancing technology in the low-permeability coal seams[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(4)：138–145.

[22] 秦勇，李恒樂，張永民，等. 基于地質(zhì)–工程條件約束的可控沖擊波煤層致裂行為數(shù)值分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(1)：108–118.

QIN Yong，LI Hengle，ZHANG Yongmin，et al. Numerical analysis on CSW fracturing behavior of coal seam under constraint of geological and engineering conditions[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：108–118.

[23] 許浩，湯達(dá)禎. 基于煤層氣產(chǎn)出的煤巖學(xué)控制機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44(6)：140–145.

XU Hao，TANG Dazhen. Research progress of control mechanism of coal petrology on CBM production[J]. Coal Science and Technology，2016，44(6)：140–145.

[24] 樊祺章，蔡益棟，貝金翰，等. 煤巖演化程度對煤儲層孔裂隙結(jié)構(gòu)的控制作用[J]. 現(xiàn)代地質(zhì)，2020，34(2)：273–280.

FAN Qizhang，CAI Yidong，BEI Jinhan，et al. Pore and fracture structure of coal reservoir constrained by coal metamorphism[J]. Geoscience，2020，34(2)：273–280.

[25] 姚艷斌，劉大錳，湯達(dá)禎，等. 沁水盆地煤儲層微裂隙發(fā)育的煤巖學(xué)控制機(jī)理[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，39(1)：6–13.

YAO Yanbin，LIU Dameng，TANG Dazhen，et al. Influence and control of coal petrological composition on the development of microfracture of coal reservoir in the Qinshui Basin[J]. Journal of China University of Mining & Technology，2010，39(1)：6–13.

[26] 郭莉，段林娣，張春雷，等. 煤層顯微煤巖類型與裂隙分布的關(guān)系[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2005，33(5)：9–11.

GUO Li，DUAN Lindi，ZHANG Chunlei，et al. Relationship between microlithotype and cleat distribution in coal bed[J]. Coal Geology & Exploration，2005，33(5)：9–11.

[27] 范章群，宋孝忠. 新疆中生代煤中半鏡質(zhì)組特征及其研究意義[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2014，42(5)：9–12.

FAN Zhangqun，SONG Xiaozhong. Characteristics of semi-vitrinite of the Mesozoic coal in Xinjiang area and their research significance[J]. Coal Geology & Exploration，2014，42(5)：9–12.

[28] HAN Ruoyu，ZHOU Haibin，LIU Qiaojue，et al. Generation of electrohydraulic shock waves by plasma-ignited energetic materials：Ⅰ. fundamental mechanisms and processes[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，2015，43(12)：3999–4008.

[29] ZHOU Haibin，HAN Ruoyu，LIU Qiaojue，et al. Generation of electrohydraulic shock waves by plasma-ignited energetic materials：Ⅱ. influence of wire configuration and stored energy[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，2015，43(12)：4009–4016.

[30] ZHOU Haibin，ZHANG Yongmin，LI Hengle，et al. Generation of electrohydraulic shock waves by plasma-ignited energetic materials：Ⅲ. shock wave characteristics with three discharge loads[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，2015，43(12)：4017–4023.

[31] LIU Qiaojue，DING Weidong，HAN Ruoyu，et al. Fracturing effect of electrohydraulic shock waves generated by plasma-ignited energetic materials explosion[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，2017，45(3)：423–431.

[32] 傅雪海，秦勇，薛秀謙，等. 煤儲層孔、裂隙系統(tǒng)分形研究[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，30(3)：225–228.

FU Xuehai，QIN Yong，XUE Xiuqian，et al. Research on fractals of pore and fracture structure of coal reservoirs[J]. Journal of China University of Mining & Technology，2001，30(3)：225–228.

[33] 王登科，劉淑敏，魏建平，等. 沖擊載荷作用下煤的破壞特性試驗研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報，2017，34(3)：594–600.

WANG Dengke，LIU Shumin，WEI Jianping，et al. The failure characteristics of coal under impact load in laboratory[J]. Journal of Mining and Safety Engineering，2017，34(3)：594–600.

[34] VOGELS M，ZOECKLER R，STASIW D M，et al. P. F. Verhulst’s“notice sur la loi que la populations suit dans son accroissement”from correspondence mathematique et physique. Ghent，vol. X，1838[J]. Journal of Biological Physics，1975，3(4)：183–192.

[35] PEARL R，REED L J. On the rate of growth of the population of the United States since 1790 and its mathematical representation[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences，1920，6(6)：275–288.

[36] 崔黨群. Logistic曲線方程的解析與擬合優(yōu)度測驗[J]. 數(shù)理統(tǒng)計與管理，2005，24(1)：112–115.

CUI Dangqun. Analysis and making good fitting degree test for logistic curve regression equation[J]. Journal of Applied Statistics and Management，2005，24(1)：112–115.

[37] 宋之杰，唐曉莉. 基于Logistic模型的我國信息產(chǎn)業(yè)演化發(fā)展研究[J]. 數(shù)學(xué)的實踐與認(rèn)識，2019，49(5)：151–159.

SONG Zhijie，TANG Xiaoli. Research on the development of information industry in China based on the logistic model[J]. Mathematics in Practice and Theory，2019，49(5)：151–159.

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(xué)煤炭聯(lián)合基金重點項目(U1361207)；河南工程學(xué)院博士基金項目(D2016012)；鄭州市科技攻關(guān)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(zhì)與瓦斯地質(zhì)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(dǎo)師，從事煤系礦產(chǎn)資源與開發(fā)地質(zhì)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(xué)控制[J]. 煤田地質(zhì)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(zé)任編輯 范章群 郭東瓊)