一种煤体电脉冲致裂增渗实验系统及方法与流程

本发明涉及一种致裂增渗的实验系统及方法，尤其是一种利用高压电脉冲放电技术击穿煤样的煤体电脉冲致裂增渗实验系统及方法。

背景技术：

近年来，随着我国煤矿进入了深部开采阶段，我国大多数矿井以低透气性煤层开采为主，这些矿井开采的过程中都面临着瓦斯抽采困难的问题，而解决这一问题的关键就在于提高煤层的透气性。传统的提高瓦斯抽采效果主要有两种方法：一是促进瓦斯的解吸，二是疏通瓦斯渗流的通道。而当前主要采用的提高瓦斯抽采的办法是疏通瓦斯渗流通道，即通过采用一系列致裂技术从而在煤层内部形成裂隙网络，为瓦斯在煤层中的运移提供路径。根据传统的煤层致裂增透方法：开采解放层、水力压裂、密集钻孔以及深孔爆破技术等也取得了一定的效果，但是这些方法的本身也存在一些缺陷，例如：开采解放层会有很多的夹矸且不适应于单一煤层开采；水力压裂的方向难以控制而且会浪费大量的水资源；密集钻孔技术很容易出现串钻的现象，而且钻孔数目的增加会极大的增加采煤的成本；深孔爆破技术在松软煤层很难将炸药输送到预设地点。基于现有煤层增透技术的缺陷，开发一种更加简单有效的煤层增透方法以解决低透气性煤层瓦斯抽采困难的问题尤为重要。

自20世纪70年代美国等国家将高压电脉冲破碎技术成功应用于石油解堵以来，有些学者提出将高压脉冲放电技术应用于煤层的致裂增透。高压电脉冲放电技术破坏材料主要有两种方式：一种是液电效应，另一种是电破碎。液电效应是指将固体材料和电极浸没在液体中，电极与固体材料为非接触状态，高压电先将液体电介质击穿，从而产生强大的冲击波，冲击波作用于固体材料从而将固体材料破碎，从本质上讲液电效应利用的是冲击波产生的压力使固体材料破碎。电破碎是指高压电直接作用于固体材料表面，使得固体材料内部形成大量的等离子，随着等离子的聚集使得等离子通道急剧膨胀，从而产生很大的张应力，迫使固体材料发生破碎。

目前，大多数学者将高压脉冲放电技术应用到破碎固体的领域主要采用的是液电效应破碎的方式，然而液电效应破碎固体材料的能量利用率很低，因此研究更为直接的高压脉冲放电破碎固体的技术具有重要的意义。本发明通过将高压电脉冲直接加载到煤样两端，放电过程中会产生大量的等离子，这些等离子携带着巨大的能量并在瞬间积聚形成等离子通道，积聚后的等离子以应力波的形式对煤样做功，迫使煤样发生破裂。本发明直接将高压电脉冲加载到煤样两端并将煤样破碎，能够更加有效的提高能量利用率，同时疏通了瓦斯运移的通道，进而实现了提高低透气、高吸附煤层瓦斯抽采率的目的。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是为了解决现有低透气性煤层瓦斯抽采技术中的不足，提供一种煤体电脉冲致裂增渗的实验系统及方法，利用瞬时高压放电的过程中等离子携带的巨大的能量以应力波的形式对煤样进行做功，从而疏通煤层中的原生裂隙或产生新的裂隙通道以促进瓦斯的抽采。

技术方案：本发明的煤体电脉冲致裂增渗实验系统，包括：高压充电电源、高压储能电容器、放电开关、分压器、高压击穿发生器、电流探测器、示波器、放电开关控制台、电脑、三轴加载装置、电荷泄放装置和液压控制系统；所述高压充电电源的输出端与高压储能电容器的正极连接，所述高压储能电容器的输出端与放电开关的输入端相连接，所述放电开关的输出端与分压器的输入端连接，所述分压器的输出端与高压击穿发生器的输入端相连接，所述高压击穿发生器的输出端与电流探测器的输入端相连接，并通过液压管路与液压控制系统相连接；所述电流探测器的输出端与高压储能电容器的负极相连接；所述放电开关的输出端与放电开关控制台的输入端相连接；所述分压器和电流探测器的输出端分别与示波器的输入端相连接，所述示波器的输出端与电脑的输入端通过数据线相连接；所述示波器的输出端与电脑的输入端通过数据线相连接；高压储能电容器与电荷泄放装置相连接。

所述的高压击穿发生器包括中部装有立方体煤样的箱体，箱体的左右两个面上对称设有电极套管和固定电极套管的电极套管轴肩，所述对称设置的电极套管内分别设有针对立方体煤样相对两个面的“针-针”正负电极，电极套管相对立方体煤样的一端分别设有正电极加压板、负电极加压板，所述箱体的前后上下四个面上分别设有液压缸，四个液压缸的活塞杆上分别设有相对立方体煤样前后上下四个面的加压板。

所述的高压击穿发生器包括中部装有立方体煤样的箱体，箱体的左右两个面上对称设有电极套管和固定电极套管的电极套管轴肩，所述对称设置的电极套管内分别设有针对立方体煤样相对两个面的“针-板”正负电极，电极套管相对立方体煤样的一端分别设有正电极加压板、负电极加压板，所述箱体的前后上下四个面上分别设有液压控制杆，四个液压控制杆上分别设有相对立方体煤样前后上下四个面的加压板；四个液压控制杆经液压管路与液压控制系统相连。

所述的“针-针”正负电极包括由穿过正电极加压板触及立方体煤样左端面的针状正电极和穿过负电极加压板触及立方体煤样右端面的针状负电极构成。

所述“针-板”正负电极由穿过正电极加压板触及立方体煤样左端面的针状正电极和贴合在立方体煤样右端面上的板状负电极构成。

所述的高压充电电源的输出电压范围是0-300kV。

使用上述系统的煤体电脉冲致裂增渗实验方法，包括如下步骤：

a、打开高压击穿发生器中箱体的箱盖，利用液压控制系统预设压力，通过正电极加压板、负电极加压板和4个加压板将立方体煤样固定住；

b、旋转电极套管的轴肩使放电电极紧挨着立方体煤样；

c、盖上箱体的盖子，用螺丝将箱体的盖子固定；

d、打开高压充电电源向高压储能电容器内充电，当电压达到预设值时停止充电，关闭高压充电电源以避免放电时损坏高压充电电源；

e、触发放电开关控制台上的放电按钮，将高压储能电容器中预设的电压直接加载到立方体煤样的两端，将煤样击穿；在放电的同时，通过分压器和电流探测器测量放电瞬间煤样的电压和电流的信号，并通过电脑记录下来；

f、通过电荷泄放装置将高压储能电容器中剩余的电压卸载掉；

g、打开箱体的箱盖，将被击穿的煤样取出，完成实验。

有益效果：本发明通过将高压电直接加载在煤样两端的方法将煤样击穿，形成新的裂隙或将原生裂隙导通，从而促进煤层裂隙发育，实现煤层增透，提高低透气、高吸附煤层瓦斯的抽采率；通过将高压电直接加载在煤样两端，可以有效的克服传统的利用液电效应破碎过程中的能量损失；可以掌握电脉冲致裂增渗的机理，对研究高压电脉冲增透技术的影响因素以及高压电脉冲增透技术在井下的应用有着重要作用。利用高压击穿发生器并通过液压控制系统能够在煤样的三轴方向施加压力，用高压脉冲放电实现煤层致裂，能够较好的疏通瓦斯渗流过程中的通道，对于提高低透气、高吸附煤层瓦斯的抽采率有着重要意义。能够解决低透气性煤层瓦斯抽采困难的问题，利用瞬时高压放电的过程中等离子携带的巨大的能量以应力波的形式对煤样进行做功，从而疏通煤层中的原生裂隙或产生新的裂隙通道以促进瓦斯的抽采。其结构简单，操作方便，效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的针-针电极高压击穿发生器结构示意图。

图3为图2的I-I剖视图。

图4为本发明的针-板电极高压击穿发生器结构示意图。

图中：1-高压充电电源，2-高压储能电容器，3-放电开关，4-分压器，5-高压击穿发生器，6-电流探测器，7-示波器，8-放电开关控制台，9-电脑，10-三轴加载装置，11-电荷泄放装置，12-液压控制系统，13-箱体，14-加压板，15-针状正电极，16-针状负电极，17-电极套管，18-电极套管轴肩，19-液压缸，20-板状负电极，21-立方体煤样，22-液压管路，23-正电极加压板，24-负电极加压板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：

实施例1、本发明的煤体电脉冲致裂增渗实验系统，如图1所示，该系统包括：高压充电电源1、高压储能电容器2、放电开关3、分压器4、高压击穿发生器5、电流探测器6、示波器7、放电开关控制台8、电脑9、三轴加载装置10、电荷泄放装置11和液压控制系统12；所述高压充电电源1的输出端与高压储能电容器2的正极连接，所述高压储能电容器2的输出端与放电开关3的输入端相连接，所述放电开关3的输出端与分压器4的输入端连接，所述分压器4的输出端与高压击穿发生器5的输入端相连接，所述高压击穿发生器5的输出端与电流探测器6的输入端相连接，并通过液压管路22与液压控制系统12相连接；所述电流探测器6的输出端与高压储能电容器2的负极相连接；所述放电开关3的输出端与放电开关控制台8的输入端相连接；所述分压器4和电流探测器6的输出端分别与示波器7的输入端相连接，所述示波器7的输出端与电脑9的输入端通过数据线相连接；所述示波器7的输出端与电脑9的输入端通过数据线相连接；高压储能电容器2与电荷泄放装置11相连接。所述的高压充电电源1的输出电压范围是0-300kV。

如图2图3所示，所述的高压击穿发生器5包括中部装有立方体煤样21的箱体13，箱体13的左右两个面上对称设有电极套管17和固定电极套管17的电极套管轴肩18，所述对称设置的电极套管17内分别设有针对立方体煤样21相对两个面的“针-针”正负电极，电极套管17相对立方体煤样21的一端分别设有正电极加压板23、负电极加压板24，所述箱体13的前后上下四个面上分别设有液压缸19，四个液压缸19的活塞杆上分别设有相对立方体煤样21前后上下四个面的加压板14。所述的“针-针”正负电极包括由穿过正电极加压板23触及立方体煤样21左端面的针状正电极15和穿过负电极加压板24触及立方体煤样21右端面的针状负电极16构成。针状正电极15和针状负电极16由直径为1cm、长度为25cm的实心铜圆柱构成，针状正电极15和针状负电极16的放电端是高度为2.5cm、底面直径为1cm的圆锥形，针状正电极15和针状负电极16的外表面有螺纹，电极套管17是圆柱形的，电极套管17的中心有内螺纹孔，针状正电极15和针状负电极16通过螺纹与电极套管17连接，电极套管17的外表面也有螺纹，箱体13的C面和D面中心各有一个圆孔，箱体13内侧和外侧各有一个电极套管轴肩18，两个电极套管轴肩通过螺纹将电极套管17固定住；针状正电极15的输入端与分压器4的输出端相连接，针状负电极16的输出端与电流探测器6的输入端连接；立方体煤样21通过正电极加压板23、负电极加压板24和4个加压板14固定。

所述的正电极加压板23和负电极加压板24中心有通孔，针状正电极15穿过正电极加压板24，针状负电极16穿过负电极加压板24，放电端紧挨着立方体煤样21；正电极加压板23、负电极加压板24和加压板14由液压缸19控制，液压缸19与液压管路22相连接，液压管路22由液压控制系统12控制。

实施例2、本发明的煤体电脉冲致裂增渗实验系统与实施例1基相同，相同处略。不同之处，如图4所示，所述的高压击穿发生器5包括中部装有立方体煤样21的箱体13，箱体13的左右两个面上对称设有电极套管17和固定电极套管17的电极套管轴肩18，所述对称设置的电极套管17内分别设有针对立方体煤样21相对两个面的“针-板”正负电极，电极套管17相对立方体煤样21的一端分别设有正电极加压板23、负电极加压板24，所述箱体13的前后上下四个面上分别设有液压缸19，四个液压缸19上分别设有相对立方体煤样21前后上下四个面的加压板14；四个液压缸19经液压管路22与液压控制系统12相连。所述“针-板”正负电极由穿过正电极加压板23触及立方体煤样21左端面的针状正电极15和贴合在立方体煤样21右端面上的板状负电极20构成。所述的针状正电极15由直径为1cm、长度为25cm的实心铜圆柱构成，针状正电极15的放电端是高度为2.5cm、底面直径为1cm的圆锥形；板状负电极20是边长为10cm、厚度为0.5cm的方形铜板构成。针状正电极15的外表面有螺纹，电极套管17是圆柱形的，电极套管17的中心有内螺纹孔，针状正电极15通过螺纹与电极套管17连接。电极套管17的外表面也有螺纹，箱体13的C面和D面中心各有一个圆孔，箱体13内侧和外侧各有一个电极套管轴肩18，两个电极套管轴肩通过螺纹将电极套管17固定住；针状正电极15的输入端与分压器4的输出端相连接，板状负电极16的输出端与电流探测器6的输入端连接；立方体煤样21通过正电极加压板23、负电极加压板24和4个加压板14固定。

本发明的煤体电脉冲致裂增渗实验方法，具体步骤如下：

a、打开高压击穿发生器5中箱体13的箱盖，利用液压控制系统12预设压力，通过正电极加压板23、负电极加压板24和4个加压板14将立方体煤样21固定住；

b、旋转电极套管17的轴肩使放电电极紧挨着立方体煤样21；

c、盖上箱体13的盖子，用螺丝将箱体的盖子固定；

d、打开高压充电电源1向高压储能电容器2内充电，当电压达到预设值时停止充电，关闭高压充电电源1以避免放电时损坏高压充电电源1；

e、触发放电开关控制台上的放电按钮，将高压储能电容器2中预设的电压直接加载到立方体煤样21的两端，将煤样击穿；在放电的同时，通过分压器4和电流探测器6测量放电瞬间煤样的电压和电流的信号，并通过电脑9记录下来；

f、通过电荷泄放装置11将高压储能电容器2中剩余的电压卸载掉；

g、打开箱体13的箱盖，将被击穿的煤样取出，实验完成。