基于空气环境下的高压击穿电热致裂煤体实验研究

林柏泉，闫发志，朱传杰，郭　畅，周　延

(1.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州　221008；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州　221008)



基于空气环境下的高压击穿电热致裂煤体实验研究

林柏泉1,2，闫发志1,2，朱传杰1,2，郭畅1,2，周延1

(1.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州221008；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州221008)

摘要:利用搭建的高压击穿电热致裂煤体试验系统，以贵州林华煤矿的无烟煤为研究对象，研究了在空气环境下高压击穿电热致裂煤体的可行性，并对高压击穿电热致裂煤体的宏观和微观特征进行了研究。实验结果表明，在针-针电极下，空气介质的击穿场强为18.0～18.3 kV/cm，煤体的击穿场强为0.3～0.8 kV/cm，无烟煤的击穿场强小于空气的击穿场强。在相同条件下，各个煤样的击穿电压和破坏特征均不相同，击穿电压在20～41 kV，煤样主要有3种破坏类型。高压击穿电热致裂煤体过程中，等离子体通道位置的煤样呈现出烧灼状态，形成了大量裂隙和孔隙。同时，等离子通道周围煤体在高温条件下发生氧化反应，形成了新的氧化产物。

关键词:高压击穿；电热致裂；煤体；煤层气；击穿场强；等离子通道

高电压致裂技术在过去几十年得到了较好的发展，它是利用放电过程中产生的冲击波以及等离子体通道中产生的高温引起的力学效应对固体材料进行破坏[1]。高压电技术破坏材料的方式主要有2种：第1种是液电效应，它是把固体材料放在液体中，等离子通道发生在液体介质中，由于等离子通道的极速增大导致液体内形成强大的冲击波，冲击波前沿作用于材料表面，导致材料破裂[2]。第2种是电破碎，即放电等离子通道直接形成于固体材料内部，等离子体通道的急剧膨胀导致在固体材料内形成很大的拉应力，迫使固体材料发生抗拉破坏[3]。

高电压破碎技术被广泛的应用在很多行业，针对不同的应用领域，它也具有很独特的优势。医学方面利用液电效应进行体外碎石，将体内结石击碎后随排泄液排出体外[4-5]。利用液电效应也可以进行金属管件的除垢，以及对岩石进行粉碎[6-7]。文献[8-9]中研究利用高压电脉冲技术将有价值的材料从废弃的电路板中分离出来，取得了较好的效果。很多学者也对采用高电压致裂技术从矿石中分解矿物进行了大量的研究[10-12]。自20世纪70年代以来，美国等国家采用高压电脉冲破岩技术来实现油储层增渗以及解决堵塞问题，取得了较大的进展[13]。近年来，有些学者提出了将高压电脉冲技术应用于煤储层以提高煤层气抽采，并在现场进行了应用，取得一些效果[14-15]。但是，目前对高压电致裂煤体的研究更多的是处于理论探讨阶段，基础研究还不充分。由于我国煤层具有赋存复杂，透气性低的特点[16-17]，且煤体的导电性、孔隙结构均与岩石不同，以往研究的高压电破碎岩石的理论不能直接运用在高压电致裂煤层增透方面，故需要开展一些高压电致裂煤体的基础研究，从而为深部矿井提高煤层气抽采效果的工艺设备及方案的设计提供理论依据。

本文利用自行搭建的高压击穿电热致裂煤体实验平台，并结合微观分析，对高压击穿电热致裂煤体的可行性以及致裂效果进行了初步研究，以期为现场提高煤层透气性的工程应用提供指导。由于液中放电产生的冲击波具有分散性，采用直接击穿岩石的电破碎方式的能量利用效率要高于水中放电的效率[18]。而原始含瓦斯煤体是一种由空间分布不均匀的煤岩颗粒组成的多孔固体骨架-孔隙中的游离瓦斯气体-孔隙表面的准液态吸附层组成的典型的非均匀多相介质[19]，这为高压电击穿煤体时等离子通道直接通过煤体内部提供了有利的条件。故本实验中电极和煤样均裸露于空气环境下，以期利用高压电直接击穿煤体，在煤体内部形成等离子通道，利用电应力和等离子通道的热膨胀力实现煤体的破碎。

1实验研究

1.1实验系统及原理

高压击穿电热致裂煤体实验系统主要由高压电源、辅助高压电源、储能电容器、高压击穿发生腔体和静电屏蔽室构成，系统如图1所示。其中高压电源最大可以输出电压为50 kV，辅助高压电源最大输出电压为40 kV，当仅依靠高压电源无法实现击穿时，可以开启辅助高压电源以实现击穿。储能电容器的电容为8 μF。

图1　高压击穿电热致裂煤体实验系统Fig.1　Experiment system of crushing coal by electric and heat in the process of high-voltage breakdown

该实验系统的工作原理是利用高压电源将220 V/50 Hz的交流电流转变为直流高压电流并为储能电容充电，储能电容的正极和负极分别连在高压击穿发生腔体内的高压电极和接地电极(2个电极均为针状电极)，当电压升至满足高压击穿发生腔体内的高压电极和接地电极之间介质的击穿条件时，电极间的介质便被击穿，如果高压电源电压达到50 kV时仍不能达到介质的击穿条件时，便可以开启辅助高压电源，以实现电极间介质的击穿。介质的击穿过程中，首先是高压电极和接地电极之间的电场强度达到介质的击穿场强，在介质内部形成等离子体通道，然后大量电流在瞬间通过介质内的等离子体通道，等离子体通道急速膨胀，电应力与由电流产生的热膨胀力同时作用于等离子体通道周围介质，导致介质内形成大量裂隙，甚至发生破碎。

1.2实验样品及其制备

研究表明，煤的变质程度越高，其导电性就会越好[20]，因此，实验煤样选自贵州林华煤矿，煤体为优质无烟煤。将采集到的大块煤样制作为直径50 mm×100 mm的柱状煤样，如图2所示。

图2　试验煤样Fig.2　Experimental coal sample

1.3实验方案及步骤

(1)实验时，首先在高压电极与接地电极之间不放煤样，电极间距设为1 cm，进行高压击穿实验，重复此步骤5次，考察空气介质的击穿场强。

(2)将煤样放置在电极之间，煤样两个端面分别对应高压电极和接地电极，如图3所示。然后调整电极的位置，使煤样两个端面均与电极接触。共进行5组实验，考察煤样的击穿场强。

图3　高压击穿发生腔体内电极与试样布置Fig.3　Arrangement of electrode and sample in the high-voltage breakdown occur cavity

(3)将煤样与高压电极的间距设置为1 mm，考察煤样的击穿电压和破碎特征，共进行8组实验。

(4)实验完成后，将高压击穿电热致裂煤体过程中等离子体通道处的煤样与未受高压击穿电热影响的煤样采用扫描电镜分析煤体表面微观结构的变化，并将两种样品进行红外光谱分析，分析两者成分的变化。扫描电镜为美国FEI公司生产的Quanta 250环境扫描电子显微镜，可以用来探索微观结构，进行表面结构和成分表征，同时该设备配有能量色散谱仪，可以为样品提供精确的微区定性、定量分析数据。红外分析采用德国布鲁克傅里叶变换红外光谱仪及显微红外系统进行。

2实验结果及分析

2.1空气介质和煤体介质的击穿场强

考察空气的击穿强度时，将电极间距设置为1 cm，电极间不放置煤样，进行击穿实验，考察击穿空气所需要的电压，实验共进行了5次，击穿电压分别为18,18.3,18.15,18.1和18 kV,而电极间的电场强度为

(1)

式中，E为电极间的电场强度；U为电极间的电压；d为电极间距。

由式(1)可以看出，击穿空气介质所需要的电场强度在18.0～18.3 kV/cm。

为了考察煤体介质的击穿场强，将直径50 mm×100 mm的标准煤样放置在电极间进行击穿实验，共进行5组实验。开启高压电源，发现电压升至3～8 kV就会瞬间下降，表明煤体介质已经被击穿，结合式(1)表明，煤体的击穿场强为0.3～0.8 kV/cm。煤样击穿场强不同是因为煤样内部的原生孔隙结构分布不均[19]，而孔隙对介质的击穿场强会有很大的影响[3]，因此5个试样的击穿场强并不完全相同，但是他们的击穿场强比空气介质的击穿场强要小得多，空气介质的击穿场强约是无烟煤击穿场强的22.5～61倍。

图4　击穿场强与电压上升时间的关系Fig.4　Breakdown field strength in relation to voltage rising time

相关研究表明，在击穿电压上升时间小于500 ns时，液体介质的击穿强度大于固体介质的击穿强度，而固体介质大于空气介质的击穿强度，如图4所示[21]。为了实现较好的破碎固体矿物的效果，通常将目标固体矿物浸置于液体介质内，因为液体介质的击穿场强大于固体的击穿场强，在发生击穿的过程中，可以阻止等离子体泄露到固体外，有利于等离子体全部从固体矿物内部流过，提高电击穿的效率，实现矿物的充分破碎[22]。但是以往实验的研究对象都是岩石等固体，还没有对煤体进行过高压电破碎的实验，根据本实验的结果，煤样的击穿场强远小于空气的击穿场强，这为煤体放置在气体环境中也可以实现充分破碎提供了可能，故本实验将煤体放置于空气中进行高压电破碎实验是可行的。

2.2高压电作用下煤样击穿电压及宏观破坏特征

当煤样两个端面与高压电极和接地电极接触时，煤体达到击穿条件时并未发生明显的破坏，这是因为高压电在满足煤样击穿时所需的电压比较低，从而击穿过程中进入煤样内部的能量也较低，因而不能实现煤体的破碎。为了提高进入煤样的能量，必须提高击穿电压，本实验通过增加煤样端面与高压电极间的距离来提高击穿电压。将煤样与高压电极间距设置为1 mm，共进行了8组实验。结果表明，在相同条件下，各个煤样的击穿电压和破坏特征均不相同，击穿电压在20～41 kV，破坏特征主要有3种类型，如图5所示，(a)中煤体沿轴线产生了1条裂缝，(b)中煤体沿轴线完全劈裂，(c)中煤样在高压击穿电热致裂作用下破碎为体积不同的块体。相同的条件下，煤样的击穿电压和破碎特征各不相同，这是因为煤样内部原生孔隙结构分布不均，煤样内的孔隙对击穿电压和等离子通道的发展具有很大的影响。

图5　高压击穿电热致裂煤体的类型Fig.5　Types of broken coal by electric and heat in the process of high-voltage breakdown

2.3高压击穿作用下煤样破坏的微观结构分析

高压击穿电热致裂煤体过程中，首先是在煤体内部形成了一个等离子体通道，然后储能电容上大量的能量在极短的时间内注入到等离子通道后，引起煤体相应的变形或破坏。文献[23]研究表明，注入到等离子体通道内的能量W一方面增加等离子体通道内能W1，另一方面是对周围岩体做功W2，即

(2)

等离子体通道对周围岩体做功W2主要有4个方面的作用：一是转换为周围介质的内能；二是转换为裂纹的表面能；三是转变为周围介质的动能；四是反射到周围其他介质中耗散掉。高压击穿电热致裂煤样后，可以明显的看到在煤样破裂面存在着等离子通道的痕迹，如图6所示。

图6　高压击穿过程中的等离子体通道Fig.6　Plasma channel in the process of high-voltage breakdown

在高压击穿电热致裂煤体的等离子体通道位置取样，并采集未受高压击穿电热致裂影响的煤样，采用Quanta 250环境扫描电子显微镜对两组样品进行观测，结果如图7所示。图7(a)，(b)和(c)分别为未受高压击穿电热致裂影响煤样在放大800，3 000和5 000倍下的裂隙情况。图7(d)，(e)和(f)分别为等离子通道位置处煤样在放大800，3 000和5 000倍下的裂隙情况。对比2种煤样的裂隙发育特征可以看出，未受高压击穿电热致裂影响的煤样表面相对光滑平整，裂隙数量较少，结构简单。而等离子体通道位置煤样表面呈现出烧灼状态，表面有大量裂隙和孔隙，这是因为在高压击穿过程中，大量能量通过等离子体通道，产生了大量的热量，形成高温，等离子体通道壁受热焦化膨胀，且冲击波对等离子体通道壁周围煤体产生冲击，形成大量裂隙。

图7　不同煤样的表面微观特征Fig.7　Microscopic features of different coal sample surface

为了考察高压击穿电热致裂煤体过程中等离子体通道位置煤样成分的变化，采用傅里叶变换红外光谱仪分别对等离子体通道位置处煤样和未受高压击穿电热致裂影响的煤样进行了分析。由图8可以看出，高压击穿电热致裂煤体的煤样与原始煤样相比，化学成分发生了变化。这是由于在高压击穿电热致裂煤体过程中，等离子通道内产生了大量热量，等离子通道壁周围煤体发生氧化反应，形成了新的氧化产物。

图8　原始煤样与高压击穿电热致裂煤样的红外光谱Fig.8　Infrared spectra of different coal sample

3结论

(1)搭建了基于空气环境下的高压击穿电热致裂煤体的试验系统，在针-针电极下，通过对空气介质和煤体介质击穿场强的试验，空气介质击穿场强为18.0～18.3 kV/cm，煤体的击穿场强为0.3～0.8 kV/cm。表明将煤体直接放置于空气环境中实现电破碎是可行的。

(2)高压击穿电热煤体主要呈现3种破坏类型。相同的条件下，煤样的击穿电压和破碎类型各不相同，这是因为高压击穿受到煤样内部的原生孔隙结构的影响，煤样内的孔隙对击穿电压和等离子通道的发展具有很大的影响。

(3)在高压击穿电热致裂煤体的等离子体通道位置的煤样表面呈现出烧灼状态，表面有大量裂隙和孔隙。同时，等离子通道壁周围煤体发生氧化反应，形成了新的氧化产物。

参考文献：

[1]Andres U.Electrical disintegration of rock[J].Mineral Processing and Extractive Metullargy Review,1994,14(2):87-110.

[2]Andres U,Jirestig J,Timoshkin I.Liberation of minerals by high-voltage electrical pulses[J].Powder Technology，1999，104:37-49.

[3]章志成.高压脉冲放电破碎岩石及钻井装备研制[D].杭州:浙江大学,2013.

[4]Chaussy C,Schmiedt E,Jocham D,et al.First clinical experience with extracorporeally induced destruction of kidney stones by shock waves[J].The Journal of Urology,2002,167(2):844-847.

[5]Maker V,Layke J.Gastrointestinal injury secondary to extracorporeal shock wave lithotripy:A review of the literature since its inception[J].Journal of the American College of Surgeons,2004,198(1):128-135.

[6]张雷,邓琦林,周锦进.液电效应除垢机理分析与试验研究[J].大连理工大学学报,1998,38(2):207-211.

Zhang Lei,Deng Qilin,Zhou Jinjin.Experimental study of shock wave effect of electrical discharge under water in filth cleaning[J].Journal of Dalian University of Technology,1998,38(2):207-211.

[7]Hamelin M,Kitzinger F,Pronko S,et al.Hard rock fragmentation with pulsed power[A].9th IEEE International Conference on Pulsed Power(IEEE)[C].1993:11-14.

[8]刁智俊,赵跃民,段晨龙,等.高压电脉冲破碎电路板的基础研究[J].中国矿业大学学报,2013,42(5):817-823.

Diao Zhijun,Zhao Yuemin,Duan Chenlong,et al.Fundamental study of fragmentation of waste printed circuit boards by a high voltage pulse[J].Journal of China University of Mining & Technology,2013,42(5):817-823.

[9]Duan C L,Diao Z J,Zhao Y M,et al.Liberation of valuable materials in waste printed circuit boards by high-voltage electrical pulses[J].Minerals Engineering,2015,70:170-177.

[10]Andres U.Development and prospects of mineral liberation by electrical pulses[J].International Journal of Mineral Processing,2010,97:31-38.

[11]Wang E,Shi Fengnian,Manlapig E.Mineral liberation by high voltage pulses and conventional comminution with same specific energy levels[J].Minerals Engineering,2012,28:28-36.

[12]Sang H C,Mitsuhiro Y,Mayumi T,et al.Electrical disintegration and micro-focus X-ray CT observations of cement paste samples with dispersed mineral particles[J].Minerals Engineering,2014,57:79-85.

[13]孙鹞鸿,孙广生,严萍,等.高压电脉冲采油技术发展[J].高压电技术,2002,28(1):41-44.

Sun Yaohong,Sun Guangsheng,Yan Ping,et al.The development of the electric pulse oil-mining technology[J].High Voltage Engineering,2002,28(1):41-44.

[14]王宇红.电脉冲储层处理技术在煤层气中的试验与应用[J].科技传播,2011(9):125.

[15]秦勇,邱爱慈,张永民.高聚能重复强脉冲波煤储层增渗新技术试验与探索[J].煤炭科学技术,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.

[16]林柏泉,杨威,吴海进,等.影响割缝钻孔卸压效果因素的数值分析[J].中国矿业大学学报,2010,39(2):153-157.

Lin Baiquan,Yang Wei,Wu Haijin,et al.A numeric analysis of the effects different factors have on slotted drilling[J].Journal of China University of Mining & Technology,2010,39(2):153-157.

[17]闫发志,朱传杰,郭畅,等.割缝与压裂协同增透技术参数数值模拟与试验[J].煤炭学报,2015,40(4):823-829.

Yan Fazhi,Zhu Chuanjie,Guo Chang,et al.Numerical simulation parameters and test of cutting and fracturing collaboration permeability-increasing technology[J].Journal of China Coal Society,2015,40(4):823-829.

[18]Biela J,Marxgut C,Bortis D,et al.Solid state modulator for plasma channel drilling[J].Dielectrics and Electrical Insulation IEEE Transactions on,2009,16(4):1093-1099.

[19]刘延保,曹树刚,李勇,等.煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(12):2484-2491.

Liu Yanbao,Cao Shugang,Li Yong,et al.Experimental study of swelling deformation effect of coal induced by gas adsorption[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(12):2484-2491.

[20]杜云贵,鲜学福,谭学术,等.南桐煤的导电性质研究[J].重庆大学学报,1993,16(3):145-148.

Du Yungui,Xian Xuefu,Tan Xueshu,et al.Research on electrical conductivity of Nantong Coal[J].Journal of Chongqing University,1993,16(3):145-148.

[21]Shi Fengnian,Manlapig E,Zuo Weiran.Progress and challenges in electrical comminution by high-voltage pulses[J].Chemical Engineering Technology,2014,37(5):765-769.

[22]Bluhm H,Frey W,Giese P,et al.Application of pulsed HV discharges to material fragmentation and recycling[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2000,7(5):625-636.

[23]Burkin V,Kuznetsova N,Lopatin V.Dynamics of electro burst in solids:Ⅰ.Power characteristics of electro burst[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2009,42(18):185-204.

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

中图分类号:TD712

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2016)01-0094-06

作者简介:林柏泉(1960—)，男，福建龙岩人，教授，博士生导师，博士。Tel:0516-83884401,E-mail:lbq21405@126.com。通讯作者：闫发志(1987—)，男，河南焦作人，博士研究生。E-mail:yfzcumt@163.com

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51474211,51204174)；江苏高校优势学科建设工程资助项目

收稿日期:2015-09-15修回日期:2015-11-16责任编辑:毕永华

林柏泉，闫发志，朱传杰，等.基于空气环境下的高压击穿电热致裂煤体实验研究[J].煤炭学报,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