【摘 要】
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煤炭是我国的重要基础能源,2020年我国的一次能源消费结构中煤炭的占比为56%。我国煤层的渗透性低,瓦斯抽采困难,直接影响煤炭的高效安全生产,煤层增透是解决低渗透煤层瓦斯抽采的关键技术之一。近十年来,一些学者开始进行高压电脉冲技术增透煤层的探索研究,但高压电脉冲波致裂煤体的机理尚不明确,现场应用还未全国推广。为研究高压电脉冲波压力的相关性质及其在不同条件下致裂煤体的损伤规律和致裂机理,本文研制了可
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“煤矿井下瓦斯防治无人化关键技术与装备”，课题任务名称:面向井下钻孔机器人施工的瓦斯防治钻孔智能设计技术（2018YFC0808000）；
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煤炭是我国的重要基础能源,2020年我国的一次能源消费结构中煤炭的占比为56%。我国煤层的渗透性低,瓦斯抽采困难,直接影响煤炭的高效安全生产,煤层增透是解决低渗透煤层瓦斯抽采的关键技术之一。近十年来,一些学者开始进行高压电脉冲技术增透煤层的探索研究,但高压电脉冲波致裂煤体的机理尚不明确,现场应用还未全国推广。为研究高压电脉冲波压力的相关性质及其在不同条件下致裂煤体的损伤规律和致裂机理,本文研制了可控高压电脉冲波致裂煤体实验系统,该实验系统可以完成煤体表面冲击和受载含瓦斯煤体钻孔冲击致裂实验。本文以软煤、中硬煤、硬煤三种煤体为实验对象,采取理论研究和实验研究相结合的方法,建立了高压电脉冲波致裂煤岩体断裂力学模型,阐明了高压电脉冲波压力致裂煤岩体过程,揭示了高压电脉冲波压力致裂煤岩体机理。通过选取不同实验参数下的煤体冲击致裂实验,获得了不同参数下高压电击穿水介质后产生压力波的相关特征,揭示了煤体在高压电脉冲波压力作用下的渗透率演化规律。本文取得的主要研究成果如下:（1）获得了放电回路中放电电压、放电电流、电路电感、电极间距电阻及充电电压U0与击穿时延TB的理论公式,得出充电电压U0与击穿时延TB呈负相关关系。得到高压电脉冲波第一脉冲压力和第二脉冲压力的数学模型,及高压电能转化为脉冲波机械能的理论转化关系。（2）建立了高压电脉冲波断裂力学模型,阐述了高压电脉冲波致裂煤岩体机理及其过程,得到电脉冲波在煤体中产生粉碎区和裂隙区域的理论依据,在双向围压和瓦斯压力条件下,得到高压电脉冲波作用产生裂隙尖端的应力强度因子。（3）研制了可控高压电脉冲波致裂煤体实验系统,该实验系统可以完成煤体表面冲击和受载含瓦斯煤体的致裂冲击实验。在爆炸水池中,可以研究不同实验参数时高压电脉冲波的压力特征,包括不同放电间距、不同电容量和不同放电距离等参数。在密封箱体中致裂受载含瓦斯煤体后,配合相应的检测设备,可以评价高压电脉冲波的致裂效果。（4）最佳放电间距Dopt与放电电压U的关系为Dopt=0.097U1.564。放电能量增大时,放电回路中峰值电流Im增大、击穿时延TB和电压降ΔU减小,冲击波峰值压力Pm对放电电压U的敏感性大于电容量C。高压电脉冲产生冲击波的峰值压力随传播距离增加呈幂函数关系衰减,放电能量Ed和传播距离S的双重影响因素下,冲击波峰值压力Pm的经验公式为Pm=6683.7-1.147(（9）0.5615。（5）实验煤体表现出强应变率效应。高压电脉冲波对煤体的致裂是煤体内部损伤不断积累的结果,放电电压越高,脉冲波冲击煤体造成的损伤越大。高压电脉冲可以改造煤体微米量级的结构,进而改善煤体的吸附性能。电阻率检测煤体损伤的敏感性大于超声波检测,本实验中电阻率检测损伤因子Dρn是超声波检测损伤因子Dvn的1.39-2.33倍。（6）高压电脉冲波作用硬煤和中硬煤后,煤体的渗透率都大幅度提升,当围压2.0MPa,进气压力0.5MPa时,高压电脉冲波作用硬煤后,煤体渗透率的增加率达到198.7%。在高压电脉冲波作用后硬煤的渗透率增加量小于中硬煤。高电压脉冲波作用煤体渗透率的增加量大于低电压脉冲波作用煤体的渗透率增加量,进气压力0.75MPa、围压3.5MPa时,12k V冲击煤体渗透率的增加量是10k V冲击煤体的4.22倍。（7）高压电脉冲波致裂煤体时,煤体的最大损伤处是致裂孔附近,裂隙由致裂孔向煤体四周发展。放电能量Q与煤体上表面产生的裂隙总长度L和裂隙平均宽度d近似呈线性正相关,拟合公式分别是L=0.035Q-10.73和d=0.00087Q-0.455。在高压电脉冲波对煤体作用的动载阶段,煤体内径向最大压应变和环向最大拉应变与放电能量呈线性正相关。高电压的脉冲波对煤体造成的损伤因子大于低电压脉冲波对煤体的损伤,17k V致裂煤体后的电阻率检测损伤因子Dρ是9k V的1.51倍,超声波检测损伤因子Dv是9k V的1.72倍。（8）有围压约束时,煤体致裂产生的裂隙量和裂隙宽度比自由状态时小,围压比与损伤因子呈线性负相关。存在瓦斯压力时,煤体的电阻率检测损伤因子Dρ和超声波检测损伤因子Dv分别是不存在瓦斯气体压力时的1.37倍和1.28倍。本文通过理论与实验相结合的方法,对高压电脉冲波致裂煤体机制进行研究,依据不同的实验条件,得到高压电脉冲波的压力特征,并且探讨高压电脉冲波对煤体的致裂增渗效果。研究结果表明,高压电脉冲波对煤体具有较好的致裂增透效果。研究结果可为该技术在煤层增透中提供理论和技术支撑,对提高瓦斯抽采率,改善煤矿安全生产水平具有重要的理论和实践价值。图[201]表[36]参[227]
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