李春明，赵胤翔，赵金昌，杨双锁，马忠忠

（太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030000）

随着可持续发展的提出和实行，对煤层气、页岩气等新型能源的开发和利用成为了新的焦点。但绝大多数煤岩层具有渗透率和储存压力低的特性，使煤层气的抽采效率很不理想，也是造成中国煤层气产量普遍较小的根源所在[1-4]。所以，增加煤层气抽采率，提高煤层气产量成为了当今能源科学界研究的主要方向，提出一种合理的提高储气层渗透效率和增加产量的方法势在必行[5-6]。水中高压脉冲放电致裂增透技术是近几年出现的一项新技术，以其便捷、高效和环保的优点获得行业内大量认可，在石油井解堵、凿岩钻井等矿业领域已有一些初步实践，对提高煤层气的产量拥有十足的现实意义[7-8]。国内外学者对其进行了很多相关研究，在高压电脉冲致裂的机理[9-10]，溶液对脉冲致裂效果[11]的作用等方面取得了一定的成果。龙威成[12]、吴建军[13]、富向[14]等提出借鉴石油与天然气行业定向水力压裂来增加煤层气的产量，对煤层进行定向压裂需采用专门的设备在井筒壁上预先割缝，而对于预制裂缝与水中高压脉冲放电致裂增透技术相结合，即预制裂纹对水中高压电脉冲致裂煤岩体的影响研究还较少[15-16]。为此，在上述研究基础上，运用高压脉冲放电系统对煤岩体和预制裂纹煤岩体相似试样进行了对比致裂试验，并利用颗粒流数值模拟软件对上述试验进行了增值数值模拟，以探求煤岩体中预制裂纹对裂纹扩展的影响规律。通过此类研究，对进一步认识水中高压脉冲放电现象、掌握放电后裂纹扩展特性和改进煤层气抽采工艺提供思路。

1 试验原理

液电现象[17]是在液体中以电能的方式急剧释放能量，从而通过一系列的物理和化学变化发生能量转化的过程。水中高压脉冲放电增渗则是利用液电现象产生的水激波机械能等对岩体进行冲击，从而使岩体产生裂纹，以此增加渗透性的一项技术。能量释放后产生的第1个水激波占有放电能量的大部分，与水激波的加载特征密切相关，电脉冲在冲击一次时所需要的能量经验公式如下：

式中：E为电脉冲在冲击一次时所释放的能量；C为电容值；Um为电容装置两端的电压数值。

高压电脉冲在水中放电会产生水激波，冲击波在煤岩体中形成拉伸应力波和剪切应力波。2种波在煤体介质传播遇到不连续裂纹时，会在裂纹尖端发生反射、折射和衍射，导致裂纹尖端形成复杂应力场，使局部应力增加。裂纹开裂的基本形态如图1。

图1 裂纹开裂的基本形态Fig.1 The basic shapes of crack

在放电的过程中，拉应力波垂直于裂纹表面，煤岩体会产生孕育发生张开型裂纹；而剪切应力波的存在，则会使煤岩体孕育发生滑开型裂纹。由此可知，在水激波的冲击下，煤岩体介质中会孕育形成张开-滑开复合型裂纹。

2 电脉冲致裂试验

2.1 试样制备及力学试验

电脉冲致裂试验以水泥、河砂和水构以一定比例造出试样骨架，并采用石膏、云母粉和珍珠岩控制试样孔隙率。具体质量比为∶水泥∶河砂∶石膏∶云母粉∶珍珠岩=1.7∶4∶0.3∶0.03∶0.02。模具为30 cm×30 cm×30 cm的可拆卸式立方铁箱，由底板和2个90°的侧板构成。

在模具内注入混合材料后用搅拌机搅拌密实。在对试样进行养护处理后，打磨上面，使其平滑，形成2块煤岩体相似试样。由于脉冲放电需要在钻孔中进行，在立式钻床上用合金水钻钻杆在试样中心位置进行钻孔，直径为5 cm，进深为20 cm以保证电极能放入钻孔内。选取1块试块，在钻孔周围采用人工切割的方法，用锯条切割成15 mm的预制裂纹。得到岩石取心试样后，对取出的岩心进行切割和打磨，得到抗拉和抗压力学测试试样，并以单轴抗压试验和巴西劈裂试验测得其力学强度，力学试验强度表见表1。处理试验数据得在该配比下的试样强度：抗压强度为7.14 MPa，抗拉强度为0.21 MPa。试验获得的力学强度数据为PFC数值模拟的参数调试做准备。

表1 力学试验强度表Table 1 Mechanical test intensity table

2.2 电脉冲致裂试验

试验仪器由真三轴压力机、电脉冲电容柜、充放电控制装置和电极密封装置等构成，放电密封装置由密封板和电极构成。放电电极采取対极式，外部半径为15 mm，长度150 mm，正负极间距5～10 mm。根据试验目的需要，采取以下操作对煤岩体试样进行电脉冲致裂试验。

首先将试块安置在真三轴压力机中，真三轴压力机主要包括液压油缸、电动液压泵、液压管路等部件，通过对试样施加3个方向皆可调的围压，来模拟地层中岩体所受到的真实地应力情况。在施加围压之前，在试块四周各贴合1个铁板，以保证施加轴压时的受力均匀；在施加围压之后，试样表面若发生裂纹，记录下来以避免试验误差；向钻孔内注满水介质，在试块上表面贴合1个铁板，放置电极密封装置并施加轴压，形成对试样的真三轴压力控制；控制储能机柜中电容器的数量及其连接方式，得到预定的电容量；操作充放电控制箱，施加预定的电压值，以达到试验所需的能量值；待能量储存稳定后，按下放电按钮；试验预定次数后，卸载轴压并卸下电极密封装置，观察裂纹的产生及延伸状态并用高清相机记录；重复放电，直至钻孔中水介质发生渗漏，无法注满，将脉冲放电系统接地、断电。

2.3 试验结果

根据上述试验步骤，对制备的煤岩体相似试样进行高压脉冲放电试验。试验中，放电电压为10 kV，电容值为30μF，轴向压力为2 MPa，东西方向压力为0.5 MPa，南北方向压力为1 MPa。无预制裂纹和含预制裂纹拓展图分别如图2、图3。

图2 无预制裂纹拓展图Fig.2 No pre-crack expansion diagrams

图3 含预制裂纹拓展图Fig.3 Expansion diagrams with pre-crack

从图2中可以观察到，试样1在放电致裂13次后，表面形成贯通整个试样的南北裂纹。为了能更清楚的看清试样表面裂纹的变化，采用记号笔勾勒出其具体的形态与走势。在放电5次时，钻孔周围产生肉眼可见的裂纹；在放电作用至13次后，试样表面出现贯通性裂纹，此结果表明试样表面裂纹的扩展程度随着放电致裂次数的增加而发展。

图3（a）为45°预制裂缝方位角试样原样，图3（b）为带有预制裂缝试样在受到脉冲放电6次作用下裂纹扩展。从图3可以看出，45°方位角试样会从预制裂缝尖端开始垂直于最小主应力方向开裂，这表明预制45°方位角对裂纹的扩展具有一定的导向作用，能够抑制在钻孔孔壁其他方向开裂，但裂纹最终沿着最大主应力的方向扩展。预制裂缝试样在冲击6次后即形成了贯通裂纹，这证明预制裂纹对水中高压电脉冲致裂煤岩体有一定的促进作用。综合来看，高压脉冲放电对煤体相似试样具有显著的造缝作用，且随着放电次数的增加，试样裂纹的发展程度随之逐渐变大直至完全贯通。相较于不含预制裂缝的试样，包含预制裂缝试样起裂需要的放电次数少，裂纹贯穿需要的放电次数也较少；且南北和东西方向存在围压差，裂纹最终会朝向平行于最大主应力的方向（即东西方向）进行扩展。

试样钻孔内部如图4。图4为2种试块在电脉冲致裂后，沿裂纹撬开的内部细部图。从图4可以看到，经过电脉冲放电之后的试块内部有明显的裂纹，钻孔壁上产生许多琐碎裂隙，这表明对相似材料试样来说，相当次数的冲击可以使试样产生较大的裂纹，但并不会类似炸药一样对试样内部造成破坏性的影响。对钻孔侧壁上造成肉眼可见裂纹损伤，且随着距离钻孔越近，损伤越大。这是由于电脉冲能量的急速释放，在放电位置处的钻孔石壁会产生凹进石壁的变形，形成一定范围的空腔。

图4 试样钻孔内部Fig.4 Inside the sample bores

3 数值分析

3.1 模型建立

水中高压脉冲放电形成的冲击波是以球面波的形式进行传播，波将直接作用在钻孔周围的壁面上，基于PFC数值模拟软件，建立二维平面模型。模型的接触形式采用平缝节理，在上述力学试验中，已经得到试验试样的抗压强度为7.14 MPa，抗拉强度为0.21 MPa，并以此对该模型的颗粒线性接触模量、接触粘结法向强度和切向强度等细观参数进行标定使其力学性能与试验试样相同，PFC致裂模型颗粒微观参数如下：接触有效模量1.65 GPa，刚度比2.1，平缝节理模量2.2 GPa，切向黏结强度0.37 MPa，法向拉强度3.9 MPa，摩擦系数0.577。。

脉冲放电致裂PFC模型如图5，长宽为500 mm×500 mm，在模型试样四边设置30 mm的无反射边界，以减小应力波的反射与折射程度，在模型内生成62 387个颗粒，孔隙率为0.01，密度2 500 kg/m3，阻尼为0.7。并形成直径为26 mm的钻孔，通过对孔壁上颗粒施加冲击力模拟脉冲放电的冲击作用，通过伺服控制，在模型的上下和左右方向均施加0.5 MPa的压力来仿照真实地下受力状态。通过嵌入离散裂隙网络（DFN）来模拟煤岩体内存在着的大量天然不同尺度的裂隙，其原理是在黏性颗粒上覆盖裂纹，并插入光滑节理接触模型，以模拟综合岩体，并可以通过DFN模块生成预制裂纹。

图5 脉冲放电致裂PFC模型Fig.5 Pulse discharge fracturing PFC model

卞德存[18]通过试验测得的水中高压脉冲放电典型压力曲线表明电脉冲引起的水激波可以简化为三角应力波。因此在PFC数值模拟的规程中，采用三角应力波代替脉冲冲击波对煤岩体破裂起主导作用的应力波来模拟脉冲放电冲击波，且冲击波的峰值压力与脉宽（即正压作用时间）都可调。

3.2 模拟结果

为研究预制裂纹对水中高压电脉冲致裂煤岩体的影响，通过分别对含和不含预制裂纹的模型孔壁施加三角应力波。2条预制裂纹分布在孔壁的两侧，长度均为35 mm。相同冲击能量时下，冲击波峰值压力为5、10、15、20、25、30 MPa。无预制裂纹和含预制裂纹发育图如图6、图7。

图6 无预制裂纹发育图Fig.6 Crack development diagrams of No pre-crack

图7 含预制裂纹发育图Fig.7 Crack development diagrams of pre-crack

由图6可以看出，无预制裂纹的模型经过不同峰值压力冲击波的作用，有不同的破坏形状。随着峰值压力的增加，裂纹的扩展长度越来越短，但井壁附近的裂纹变得更加的琐碎。模型内的天然节理随着冲击波的作用，也有少量裂纹从天然节理处开始向外延伸，这种情况距离孔壁越近，效果越明显，但随着峰值压力的增高，对天然节理的影响逐渐变小。预制裂纹改变了裂纹的发展趋势，引导裂纹朝向预制裂纹的方向发展，这种趋势在峰值压力为5 MPa时最为明显。预制裂纹的上下两侧有呈网络状的裂纹产生，峰值压力越高，裂纹网络发育的越饱满。同时，裂纹会沿预制裂纹的端头部位向外进行扩展。沿着预制裂纹的端头向外延伸裂纹的长度却随着峰值压力的增高而减小，延伸裂纹如图8。

图8 延伸裂纹Fig.8 Extended cracks

模型力链断裂数目如图9。可以看出，2种模型的力链断裂数目随着峰值压力的增高都明显呈现出先增高后降低的趋势，分别在10、15 MPa时达到峰值,然后逐渐下降。预制裂纹在峰值压力提高初期能够增加力链断裂数目，但随着峰值压力的增高，力链断裂数目差值在逐渐减小，峰值压力大于15 MPa后，预制裂纹对模型起到的效果不再明显。

图9 模型力链断裂数目Fig.9 Number of model force chain breaks

这说明预制裂纹能够在峰值压力相对较低时引导裂纹的发展方向并增强水中脉冲放电致裂煤岩体的效果。这表明可以通过优化波形，即调整峰值压力来提升对煤岩体的致裂与扰动效果。而水激波波形的优化主要靠调节电容器电容值及放电电压值，上述研究可为实际工程应用的脉冲放电设备的设计提供依据。

4 结论

1）高压脉冲放电对煤岩体相似试样具有显著的造缝作用，随着放电次数的增加，裂纹的发展程度随之逐渐变大直至完全贯通，预制裂缝试样从起裂至裂纹贯穿所需次数减少，且数值模拟结果显示预制裂纹能够增加力链断裂数目，这说明预制裂纹对高压脉冲放电致裂煤岩体有有一定的促进作用。

2）试验与数值模拟结果均表明：预制裂纹引导煤岩体裂纹朝向预制裂纹的方向发展，这种趋势随峰值压力的增大而不再明显。峰值压力越高，预制裂纹的上下旁边产生形成裂纹网络发育得越丰满。同时，沿着预制裂纹的端头向外延伸裂纹的长度随着峰值压力的增高而减小。

3）预制裂纹对煤岩体裂纹的扩展有一定的导向作用，但由于南北和东西方向存在围压差，裂纹最终朝向平行于最大主应力的方向扩展。

4）预制裂纹能够在峰值压力相对较低时引导裂纹的发展方向并增强水中脉冲放电致裂煤岩体的效果。在工程实际中可通过优化波形，即电容器电容值及放电电压值来达到更好的致裂与扰动效果。