本發(fā)明涉及一種致裂增滲的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，尤其是一種利用高壓電脈沖放電技術(shù)擊穿煤樣的煤體電脈沖致裂增滲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著我國(guó)煤礦進(jìn)入了深部開(kāi)采階段，我國(guó)大多數(shù)礦井以低透氣性煤層開(kāi)采為主，這些礦井開(kāi)采的過(guò)程中都面臨著瓦斯抽采困難的問(wèn)題，而解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵就在于提高煤層的透氣性。傳統(tǒng)的提高瓦斯抽采效果主要有兩種方法：一是促進(jìn)瓦斯的解吸，二是疏通瓦斯?jié)B流的通道。而當(dāng)前主要采用的提高瓦斯抽采的辦法是疏通瓦斯?jié)B流通道，即通過(guò)采用一系列致裂技術(shù)從而在煤層內(nèi)部形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，為瓦斯在煤層中的運(yùn)移提供路徑。根據(jù)傳統(tǒng)的煤層致裂增透方法：開(kāi)采解放層、水力壓裂、密集鉆孔以及深孔爆破技術(shù)等也取得了一定的效果，但是這些方法的本身也存在一些缺陷，例如：開(kāi)采解放層會(huì)有很多的夾矸且不適應(yīng)于單一煤層開(kāi)采；水力壓裂的方向難以控制而且會(huì)浪費(fèi)大量的水資源；密集鉆孔技術(shù)很容易出現(xiàn)串鉆的現(xiàn)象，而且鉆孔數(shù)目的增加會(huì)極大的增加采煤的成本；深孔爆破技術(shù)在松軟煤層很難將炸藥輸送到預(yù)設(shè)地點(diǎn)?；诂F(xiàn)有煤層增透技術(shù)的缺陷，開(kāi)發(fā)一種更加簡(jiǎn)單有效的煤層增透方法以解決低透氣性煤層瓦斯抽采困難的問(wèn)題尤為重要。

自20世紀(jì)70年代美國(guó)等國(guó)家將高壓電脈沖破碎技術(shù)成功應(yīng)用于石油解堵以來(lái)，有些學(xué)者提出將高壓脈沖放電技術(shù)應(yīng)用于煤層的致裂增透。高壓電脈沖放電技術(shù)破壞材料主要有兩種方式：一種是液電效應(yīng)，另一種是電破碎。液電效應(yīng)是指將固體材料和電極浸沒(méi)在液體中，電極與固體材料為非接觸狀態(tài)，高壓電先將液體電介質(zhì)擊穿，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，沖擊波作用于固體材料從而將固體材料破碎，從本質(zhì)上講液電效應(yīng)利用的是沖擊波產(chǎn)生的壓力使固體材料破碎。電破碎是指高壓電直接作用于固體材料表面，使得固體材料內(nèi)部形成大量的等離子，隨著等離子的聚集使得等離子通道急劇膨脹，從而產(chǎn)生很大的張應(yīng)力，迫使固體材料發(fā)生破碎。

目前，大多數(shù)學(xué)者將高壓脈沖放電技術(shù)應(yīng)用到破碎固體的領(lǐng)域主要采用的是液電效應(yīng)破碎的方式，然而液電效應(yīng)破碎固體材料的能量利用率很低，因此研究更為直接的高壓脈沖放電破碎固體的技術(shù)具有重要的意義。本發(fā)明通過(guò)將高壓電脈沖直接加載到煤樣兩端，放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的等離子，這些等離子攜帶著巨大的能量并在瞬間積聚形成等離子通道，積聚后的等離子以應(yīng)力波的形式對(duì)煤樣做功，迫使煤樣發(fā)生破裂。本發(fā)明直接將高壓電脈沖加載到煤樣兩端并將煤樣破碎，能夠更加有效的提高能量利用率，同時(shí)疏通了瓦斯運(yùn)移的通道，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了提高低透氣、高吸附煤層瓦斯抽采率的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有低透氣性煤層瓦斯抽采技術(shù)中的不足，提供一種煤體電脈沖致裂增滲的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，利用瞬時(shí)高壓放電的過(guò)程中等離子攜帶的巨大的能量以應(yīng)力波的形式對(duì)煤樣進(jìn)行做功，從而疏通煤層中的原生裂隙或產(chǎn)生新的裂隙通道以促進(jìn)瓦斯的抽采。

技術(shù)方案：本發(fā)明的煤體電脈沖致裂增滲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括：高壓充電電源、高壓儲(chǔ)能電容器、放電開(kāi)關(guān)、分壓器、高壓擊穿發(fā)生器、電流探測(cè)器、示波器、放電開(kāi)關(guān)控制臺(tái)、電腦、三軸加載裝置、電荷泄放裝置和液壓控制系統(tǒng)；所述高壓充電電源的輸出端與高壓儲(chǔ)能電容器的正極連接，所述高壓儲(chǔ)能電容器的輸出端與放電開(kāi)關(guān)的輸入端相連接，所述放電開(kāi)關(guān)的輸出端與分壓器的輸入端連接，所述分壓器的輸出端與高壓擊穿發(fā)生器的輸入端相連接，所述高壓擊穿發(fā)生器的輸出端與電流探測(cè)器的輸入端相連接，并通過(guò)液壓管路與液壓控制系統(tǒng)相連接；所述電流探測(cè)器的輸出端與高壓儲(chǔ)能電容器的負(fù)極相連接；所述放電開(kāi)關(guān)的輸出端與放電開(kāi)關(guān)控制臺(tái)的輸入端相連接；所述分壓器和電流探測(cè)器的輸出端分別與示波器的輸入端相連接，所述示波器的輸出端與電腦的輸入端通過(guò)數(shù)據(jù)線相連接；所述示波器的輸出端與電腦的輸入端通過(guò)數(shù)據(jù)線相連接；高壓儲(chǔ)能電容器與電荷泄放裝置相連接。

所述的高壓擊穿發(fā)生器包括中部裝有立方體煤樣的箱體，箱體的左右兩個(gè)面上對(duì)稱設(shè)有電極套管和固定電極套管的電極套管軸肩，所述對(duì)稱設(shè)置的電極套管內(nèi)分別設(shè)有針對(duì)立方體煤樣相對(duì)兩個(gè)面的“針-針”正負(fù)電極，電極套管相對(duì)立方體煤樣的一端分別設(shè)有正電極加壓板、負(fù)電極加壓板，所述箱體的前后上下四個(gè)面上分別設(shè)有液壓缸，四個(gè)液壓缸的活塞桿上分別設(shè)有相對(duì)立方體煤樣前后上下四個(gè)面的加壓板。

所述的高壓擊穿發(fā)生器包括中部裝有立方體煤樣的箱體，箱體的左右兩個(gè)面上對(duì)稱設(shè)有電極套管和固定電極套管的電極套管軸肩，所述對(duì)稱設(shè)置的電極套管內(nèi)分別設(shè)有針對(duì)立方體煤樣相對(duì)兩個(gè)面的“針-板”正負(fù)電極，電極套管相對(duì)立方體煤樣的一端分別設(shè)有正電極加壓板、負(fù)電極加壓板，所述箱體的前后上下四個(gè)面上分別設(shè)有液壓控制桿，四個(gè)液壓控制桿上分別設(shè)有相對(duì)立方體煤樣前后上下四個(gè)面的加壓板；四個(gè)液壓控制桿經(jīng)液壓管路與液壓控制系統(tǒng)相連。

所述的“針-針”正負(fù)電極包括由穿過(guò)正電極加壓板觸及立方體煤樣左端面的針狀正電極和穿過(guò)負(fù)電極加壓板觸及立方體煤樣右端面的針狀負(fù)電極構(gòu)成。

所述“針-板”正負(fù)電極由穿過(guò)正電極加壓板觸及立方體煤樣左端面的針狀正電極和貼合在立方體煤樣右端面上的板狀負(fù)電極構(gòu)成。

所述的高壓充電電源的輸出電壓范圍是0-300kV。

使用上述系統(tǒng)的煤體電脈沖致裂增滲實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟：

a、打開(kāi)高壓擊穿發(fā)生器中箱體的箱蓋，利用液壓控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)壓力，通過(guò)正電極加壓板、負(fù)電極加壓板和4個(gè)加壓板將立方體煤樣固定?。?/p>

b、旋轉(zhuǎn)電極套管的軸肩使放電電極緊挨著立方體煤樣；

c、蓋上箱體的蓋子，用螺絲將箱體的蓋子固定；

d、打開(kāi)高壓充電電源向高壓儲(chǔ)能電容器內(nèi)充電，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)停止充電，關(guān)閉高壓充電電源以避免放電時(shí)損壞高壓充電電源；

e、觸發(fā)放電開(kāi)關(guān)控制臺(tái)上的放電按鈕，將高壓儲(chǔ)能電容器中預(yù)設(shè)的電壓直接加載到立方體煤樣的兩端，將煤樣擊穿；在放電的同時(shí)，通過(guò)分壓器和電流探測(cè)器測(cè)量放電瞬間煤樣的電壓和電流的信號(hào)，并通過(guò)電腦記錄下來(lái)；

f、通過(guò)電荷泄放裝置將高壓儲(chǔ)能電容器中剩余的電壓卸載掉；

g、打開(kāi)箱體的箱蓋，將被擊穿的煤樣取出，完成實(shí)驗(yàn)。

有益效果：本發(fā)明通過(guò)將高壓電直接加載在煤樣兩端的方法將煤樣擊穿，形成新的裂隙或?qū)⒃严秾?dǎo)通，從而促進(jìn)煤層裂隙發(fā)育，實(shí)現(xiàn)煤層增透，提高低透氣、高吸附煤層瓦斯的抽采率；通過(guò)將高壓電直接加載在煤樣兩端，可以有效的克服傳統(tǒng)的利用液電效應(yīng)破碎過(guò)程中的能量損失；可以掌握電脈沖致裂增滲的機(jī)理，對(duì)研究高壓電脈沖增透技術(shù)的影響因素以及高壓電脈沖增透技術(shù)在井下的應(yīng)用有著重要作用。利用高壓擊穿發(fā)生器并通過(guò)液壓控制系統(tǒng)能夠在煤樣的三軸方向施加壓力，用高壓脈沖放電實(shí)現(xiàn)煤層致裂，能夠較好的疏通瓦斯?jié)B流過(guò)程中的通道，對(duì)于提高低透氣、高吸附煤層瓦斯的抽采率有著重要意義。能夠解決低透氣性煤層瓦斯抽采困難的問(wèn)題，利用瞬時(shí)高壓放電的過(guò)程中等離子攜帶的巨大的能量以應(yīng)力波的形式對(duì)煤樣進(jìn)行做功，從而疏通煤層中的原生裂隙或產(chǎn)生新的裂隙通道以促進(jìn)瓦斯的抽采。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，效果好，在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的實(shí)用性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的針-針電極高壓擊穿發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2的I-I剖視圖。

圖4為本發(fā)明的針-板電極高壓擊穿發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-高壓充電電源，2-高壓儲(chǔ)能電容器，3-放電開(kāi)關(guān)，4-分壓器，5-高壓擊穿發(fā)生器，6-電流探測(cè)器，7-示波器，8-放電開(kāi)關(guān)控制臺(tái)，9-電腦，10-三軸加載裝置，11-電荷泄放裝置，12-液壓控制系統(tǒng)，13-箱體，14-加壓板，15-針狀正電極，16-針狀負(fù)電極，17-電極套管，18-電極套管軸肩，19-液壓缸，20-板狀負(fù)電極，21-立方體煤樣，22-液壓管路，23-正電極加壓板，24-負(fù)電極加壓板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步的描述：

實(shí)施例1、本發(fā)明的煤體電脈沖致裂增滲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括：高壓充電電源1、高壓儲(chǔ)能電容器2、放電開(kāi)關(guān)3、分壓器4、高壓擊穿發(fā)生器5、電流探測(cè)器6、示波器7、放電開(kāi)關(guān)控制臺(tái)8、電腦9、三軸加載裝置10、電荷泄放裝置11和液壓控制系統(tǒng)12；所述高壓充電電源1的輸出端與高壓儲(chǔ)能電容器2的正極連接，所述高壓儲(chǔ)能電容器2的輸出端與放電開(kāi)關(guān)3的輸入端相連接，所述放電開(kāi)關(guān)3的輸出端與分壓器4的輸入端連接，所述分壓器4的輸出端與高壓擊穿發(fā)生器5的輸入端相連接，所述高壓擊穿發(fā)生器5的輸出端與電流探測(cè)器6的輸入端相連接，并通過(guò)液壓管路22與液壓控制系統(tǒng)12相連接；所述電流探測(cè)器6的輸出端與高壓儲(chǔ)能電容器2的負(fù)極相連接；所述放電開(kāi)關(guān)3的輸出端與放電開(kāi)關(guān)控制臺(tái)8的輸入端相連接；所述分壓器4和電流探測(cè)器6的輸出端分別與示波器7的輸入端相連接，所述示波器7的輸出端與電腦9的輸入端通過(guò)數(shù)據(jù)線相連接；所述示波器7的輸出端與電腦9的輸入端通過(guò)數(shù)據(jù)線相連接；高壓儲(chǔ)能電容器2與電荷泄放裝置11相連接。所述的高壓充電電源1的輸出電壓范圍是0-300kV。

如圖2圖3所示，所述的高壓擊穿發(fā)生器5包括中部裝有立方體煤樣21的箱體13，箱體13的左右兩個(gè)面上對(duì)稱設(shè)有電極套管17和固定電極套管17的電極套管軸肩18，所述對(duì)稱設(shè)置的電極套管17內(nèi)分別設(shè)有針對(duì)立方體煤樣21相對(duì)兩個(gè)面的“針-針”正負(fù)電極，電極套管17相對(duì)立方體煤樣21的一端分別設(shè)有正電極加壓板23、負(fù)電極加壓板24，所述箱體13的前后上下四個(gè)面上分別設(shè)有液壓缸19，四個(gè)液壓缸19的活塞桿上分別設(shè)有相對(duì)立方體煤樣21前后上下四個(gè)面的加壓板14。所述的“針-針”正負(fù)電極包括由穿過(guò)正電極加壓板23觸及立方體煤樣21左端面的針狀正電極15和穿過(guò)負(fù)電極加壓板24觸及立方體煤樣21右端面的針狀負(fù)電極16構(gòu)成。針狀正電極15和針狀負(fù)電極16由直徑為1cm、長(zhǎng)度為25cm的實(shí)心銅圓柱構(gòu)成，針狀正電極15和針狀負(fù)電極16的放電端是高度為2.5cm、底面直徑為1cm的圓錐形，針狀正電極15和針狀負(fù)電極16的外表面有螺紋，電極套管17是圓柱形的，電極套管17的中心有內(nèi)螺紋孔，針狀正電極15和針狀負(fù)電極16通過(guò)螺紋與電極套管17連接，電極套管17的外表面也有螺紋，箱體13的C面和D面中心各有一個(gè)圓孔，箱體13內(nèi)側(cè)和外側(cè)各有一個(gè)電極套管軸肩18，兩個(gè)電極套管軸肩通過(guò)螺紋將電極套管17固定??；針狀正電極15的輸入端與分壓器4的輸出端相連接，針狀負(fù)電極16的輸出端與電流探測(cè)器6的輸入端連接；立方體煤樣21通過(guò)正電極加壓板23、負(fù)電極加壓板24和4個(gè)加壓板14固定。

所述的正電極加壓板23和負(fù)電極加壓板24中心有通孔，針狀正電極15穿過(guò)正電極加壓板24，針狀負(fù)電極16穿過(guò)負(fù)電極加壓板24，放電端緊挨著立方體煤樣21；正電極加壓板23、負(fù)電極加壓板24和加壓板14由液壓缸19控制，液壓缸19與液壓管路22相連接，液壓管路22由液壓控制系統(tǒng)12控制。

實(shí)施例2、本發(fā)明的煤體電脈沖致裂增滲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)施例1基相同，相同處略。不同之處，如圖4所示，所述的高壓擊穿發(fā)生器5包括中部裝有立方體煤樣21的箱體13，箱體13的左右兩個(gè)面上對(duì)稱設(shè)有電極套管17和固定電極套管17的電極套管軸肩18，所述對(duì)稱設(shè)置的電極套管17內(nèi)分別設(shè)有針對(duì)立方體煤樣21相對(duì)兩個(gè)面的“針-板”正負(fù)電極，電極套管17相對(duì)立方體煤樣21的一端分別設(shè)有正電極加壓板23、負(fù)電極加壓板24，所述箱體13的前后上下四個(gè)面上分別設(shè)有液壓缸19，四個(gè)液壓缸19上分別設(shè)有相對(duì)立方體煤樣21前后上下四個(gè)面的加壓板14；四個(gè)液壓缸19經(jīng)液壓管路22與液壓控制系統(tǒng)12相連。所述“針-板”正負(fù)電極由穿過(guò)正電極加壓板23觸及立方體煤樣21左端面的針狀正電極15和貼合在立方體煤樣21右端面上的板狀負(fù)電極20構(gòu)成。所述的針狀正電極15由直徑為1cm、長(zhǎng)度為25cm的實(shí)心銅圓柱構(gòu)成，針狀正電極15的放電端是高度為2.5cm、底面直徑為1cm的圓錐形；板狀負(fù)電極20是邊長(zhǎng)為10cm、厚度為0.5cm的方形銅板構(gòu)成。針狀正電極15的外表面有螺紋，電極套管17是圓柱形的，電極套管17的中心有內(nèi)螺紋孔，針狀正電極15通過(guò)螺紋與電極套管17連接。電極套管17的外表面也有螺紋，箱體13的C面和D面中心各有一個(gè)圓孔，箱體13內(nèi)側(cè)和外側(cè)各有一個(gè)電極套管軸肩18，兩個(gè)電極套管軸肩通過(guò)螺紋將電極套管17固定??；針狀正電極15的輸入端與分壓器4的輸出端相連接，板狀負(fù)電極16的輸出端與電流探測(cè)器6的輸入端連接；立方體煤樣21通過(guò)正電極加壓板23、負(fù)電極加壓板24和4個(gè)加壓板14固定。

本發(fā)明的煤體電脈沖致裂增滲實(shí)驗(yàn)方法，具體步驟如下：

a、打開(kāi)高壓擊穿發(fā)生器5中箱體13的箱蓋，利用液壓控制系統(tǒng)12預(yù)設(shè)壓力，通過(guò)正電極加壓板23、負(fù)電極加壓板24和4個(gè)加壓板14將立方體煤樣21固定住；

b、旋轉(zhuǎn)電極套管17的軸肩使放電電極緊挨著立方體煤樣21；

c、蓋上箱體13的蓋子，用螺絲將箱體的蓋子固定；

d、打開(kāi)高壓充電電源1向高壓儲(chǔ)能電容器2內(nèi)充電，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)停止充電，關(guān)閉高壓充電電源1以避免放電時(shí)損壞高壓充電電源1；

e、觸發(fā)放電開(kāi)關(guān)控制臺(tái)上的放電按鈕，將高壓儲(chǔ)能電容器2中預(yù)設(shè)的電壓直接加載到立方體煤樣21的兩端，將煤樣擊穿；在放電的同時(shí)，通過(guò)分壓器4和電流探測(cè)器6測(cè)量放電瞬間煤樣的電壓和電流的信號(hào)，并通過(guò)電腦9記錄下來(lái)；

f、通過(guò)電荷泄放裝置11將高壓儲(chǔ)能電容器2中剩余的電壓卸載掉；

g、打開(kāi)箱體13的箱蓋，將被擊穿的煤樣取出，實(shí)驗(yàn)完成。