林柏泉，張祥良,2,3

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 地球與資源科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

隨著煤及其共伴生資源開采深度的加深，高瓦斯含量、高地應(yīng)力、高吸附性、低滲透性即“三高一低”等制約煤及其共伴生資源開采的賦存特征愈加突出[1-2]。瓦斯(煤層氣)作為一種清潔能源，在工業(yè)、民生等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[3]。此外，大量的瓦斯若直接排放至大氣中，會(huì)帶來比CO2氣體的影響更為嚴(yán)重的溫室效應(yīng)[4]。因此，推進(jìn)煤及其共伴生資源的高效清潔發(fā)展，對(duì)助力“碳中和”具有重要的戰(zhàn)略意義[5]。

通過外力的手段改善儲(chǔ)層的滲透率，是強(qiáng)化瓦斯抽采的關(guān)鍵。對(duì)具備保護(hù)層開采條件的煤層群組而言，通過保護(hù)層開采的方式對(duì)鄰近層進(jìn)行卸壓增透是較為理想的瓦斯抽采方法[6]。對(duì)于單一煤層、具備保護(hù)層開采條件的首采層，以及不具備保護(hù)層開采條件的煤層，往往采用水力化措施(水力壓裂、割縫、沖孔等)進(jìn)行煤層增透[7]，但隨著煤炭資源開采深度逐年加深，這些措施在面臨更高的地應(yīng)力、瓦斯壓力、溫度等環(huán)境時(shí)會(huì)顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)減弱的態(tài)勢(shì)。此外，水力化措施會(huì)將大量水滯留在煤體內(nèi)部的孔隙和吼道中，堵塞瓦斯流動(dòng)的通道，形成水鎖效應(yīng)，這種情況通常需要匹配其他解堵方法才能夠達(dá)到較為理想的增透效果[8]。

得益于國家能源戰(zhàn)略的總體規(guī)劃，煤層增透技術(shù)的研究已經(jīng)成為煤炭資源開采過程中的熱點(diǎn)之一，大量新興的煤層增透方法應(yīng)運(yùn)而生，如液氮凍融法[9]、注熱法[10]、注氣驅(qū)替法[11]、酸洗法[12]、流態(tài)化開采[13]等。這些方法有各自的優(yōu)點(diǎn)，但也缺乏一定的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)：液氮凍融法、注熱法均要求煤體具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱性，而這與煤體本身導(dǎo)熱性較差的特性相矛盾；注氣驅(qū)替法比較適應(yīng)滲透性較好的儲(chǔ)層，因此在應(yīng)用的過程中往往需要結(jié)合其他的增透方式對(duì)儲(chǔ)層滲透率進(jìn)行預(yù)先增透；酸洗法在改造煤儲(chǔ)層的過程中，往往容易對(duì)煤的品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。因此，亟待探索更加方便、簡(jiǎn)潔的儲(chǔ)層改造方法。

以物理放電為基礎(chǔ)的等離子體具有能量密度大、破壞能力強(qiáng)、溫度高、重復(fù)性可靠、致裂范圍可控等特征[14]，逐漸被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，比如煤層氣[15]、頁巖氣[16]等致密氣的開采、礦物分選[17]、采空區(qū)切頂[18]等。研究表明，等離子體在儲(chǔ)層造縫、改善儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)[19]：煤作為一種非均質(zhì)性強(qiáng)的多孔材料，其組分(煤基質(zhì)、瓦斯氣體、礦物等)之間的電學(xué)性質(zhì)差異大，電場(chǎng)強(qiáng)度在不同組分之間極易引起畸變，從而造成電場(chǎng)強(qiáng)度局部集中，即等離子體對(duì)煤體的致裂具有選擇性[20]；此外，等離子體通道本身具有極高的溫度(104K)，大量的熱能可改變煤體表面的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)[21]，進(jìn)而影響瓦斯的吸附性。由此可見，以物理放電為基礎(chǔ)的等離子體在煤層致裂增滲領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

筆者在多年研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合該領(lǐng)域國內(nèi)外最新的研究進(jìn)展，從等離子體致裂固體的2種方式(電破碎和液電效應(yīng))出發(fā)，深入分析等離子體致裂煤巖的研究現(xiàn)狀，并提出了等離子體增透技術(shù)面向化石能源領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢(shì)，希望能夠激發(fā)讀者更深層次的思考，吸引更多的學(xué)者投入到等離子體致裂煤巖領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究中，推動(dòng)等離子體技術(shù)在深地化石能源開采領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 等離子體基本原理及應(yīng)用概述

1.1 廣義等離子體

布魯克斯率先發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的第4種形態(tài)，朗格繆爾進(jìn)一步明確了該形態(tài)為等離子體(Plasma)[22]。通常所講的廣義等離子體是指物質(zhì)隨溫度變化過程中的一種相態(tài)表現(xiàn)形式，圖1展示了等離子體的形成。大多數(shù)物體在外界環(huán)境溫度逐漸升高時(shí)會(huì)先后經(jīng)歷固、液、氣3種狀態(tài)，若溫度繼續(xù)升高，原本相對(duì)穩(wěn)定的原子、分子會(huì)出現(xiàn)極化、電離的現(xiàn)象，形成電子、離子等帶電粒子，以及未被極化、電離的原子、分子組成的混合相態(tài)，這就是廣義上的等離子體。

圖1 廣義等離子體形成原理

1.2 等離子體應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，等離子體在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用普遍存在，Vajpayee Mona等[23]利用等離子體緩解了香蕉冷藏過程中成熟過快的難題；朱金龍[24]利用等離子體水中放電產(chǎn)生可控沖擊波的方式處理人體腎結(jié)石，開啟了等離子體在醫(yī)治腎結(jié)石的新篇章；吳玉程[25]利用等離子體改善金屬鎢材料的韌性，極大地促進(jìn)了該材料在工程中的應(yīng)用。此外，等離子體還被應(yīng)用于電磁炮、電磁點(diǎn)火等領(lǐng)域[26]。

綜上所述，無論是在日常生活中還是在航空航天等高端科技領(lǐng)域，等離子體均得到了非常廣泛的應(yīng)用，如圖2所示。而以物理放電為基礎(chǔ)的等離子體技術(shù)，其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在化石能源開采領(lǐng)域已經(jīng)引起了業(yè)界的高度關(guān)注。

圖2 等離子體應(yīng)用領(lǐng)域

2 等離子體致裂煤巖方式及過程

2.1 煤巖致裂領(lǐng)域等離子體定義

20世紀(jì)60年代脈沖功率技術(shù)迅速發(fā)展并逐漸成為一門新興的獨(dú)立學(xué)科，等離子體增透的基礎(chǔ)正源于此。Burkin在利用等離子體水中放電制取氫和氧的過程中，偶然發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的沖擊波具有致裂巖石的可能性，隨后以物理放電為基礎(chǔ)的等離子體在礦山、化石能源開采領(lǐng)域引起了高度關(guān)注[27]。通常是利用儲(chǔ)能電容將功率為10-1MW數(shù)量級(jí)的初級(jí)電能進(jìn)行一系列的壓縮與變換，轉(zhuǎn)化為103MW數(shù)量級(jí)的能量并進(jìn)行存儲(chǔ)，最終將經(jīng)過時(shí)間和空間壓縮后的能量瞬間施加到負(fù)載上[28-29]，轉(zhuǎn)化過程如圖3所示。在高功率電場(chǎng)的作用下煤骨架分子結(jié)構(gòu)、黏土礦物分子結(jié)構(gòu)、孔隙內(nèi)部的氣體分子結(jié)構(gòu)，以及離子結(jié)構(gòu)不斷地被激發(fā)產(chǎn)生極化和弛豫現(xiàn)象，從而在煤體內(nèi)部形成等離子體通道，并在通道的極速膨脹與沖擊作用下實(shí)現(xiàn)煤巖體的致裂[14]。

圖3 脈沖功率轉(zhuǎn)換原理

2.2 破碎方式基本原理

電破碎和液電效應(yīng)是等離子體破碎固體的2種方式[30-31]。

1)電破碎是直接將放電電極與固體材料接觸，在放電的瞬間等離子體通道直接形成在固體內(nèi)部。放電環(huán)境可以是水介質(zhì)、絕緣油介質(zhì)、空氣介質(zhì)等絕緣性較強(qiáng)的介質(zhì)。與液電效應(yīng)不同的是，電破碎將等離子體通道直接形成在固體內(nèi)部。研究表明，放電瞬間(微秒或納秒)等離子體通道內(nèi)能夠聚焦到極高的能量和壓力(約10～100 J/cm2、109～1010Pa)[32]，因此，當(dāng)?shù)入x子體通道直接形成在煤巖體內(nèi)部時(shí)，極大的膨脹應(yīng)力和沖擊作用會(huì)使煤巖體從內(nèi)部發(fā)生張拉破壞，如圖4(a)所示。

圖4 等離子體致裂煤巖原理

2)在液電效應(yīng)中，通常采用水介質(zhì)作為傳遞沖擊波的載體。等離子體首先需要在水介質(zhì)中進(jìn)行放電，通過放電通道產(chǎn)生瞬間膨脹作用和爆生氣體，短時(shí)間內(nèi)氣泡內(nèi)的壓力不斷傳遞給周圍的水介質(zhì)，形成強(qiáng)大的沖擊波，沖擊波前沿作用于煤巖表面使其發(fā)生破裂，如圖4(b)所示。該方式正負(fù)電極之間可以是3種不同的物質(zhì)，分別是：水介質(zhì)、金屬絲、包裹含能材料的金屬絲，其本質(zhì)是通過等離子體擊穿不同的負(fù)載使水介質(zhì)產(chǎn)生沖擊波，而不同負(fù)載引起沖擊波的作用效果也不同。

2.3 等離子體致裂煤體過程

結(jié)合等離子體在煤體內(nèi)部的流注發(fā)展模型與固體電介質(zhì)擊穿理論，可知等離子體擊穿煤體的破碎過程包含4個(gè)階段：放電先導(dǎo)形成、等離子體通道的初步形成、等離子體通道的膨脹、煤體破碎[33]。具體過程為：①在電場(chǎng)形成的初始階段，由于外加電場(chǎng)的存在，使煤體內(nèi)部攜帶正負(fù)電荷的粒子朝著相反方向運(yùn)動(dòng)，從而使煤體產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在正電極附近初步形成微小的電流分支，即為放電先導(dǎo)；②隨著被極化的粒子數(shù)量增多，大量極化態(tài)的粒子溝通了正負(fù)電極，且粒子之間的分布逐漸趨于集中，在煤體內(nèi)部形成了一條主要的通道，即為等離子體通道的初步形成；③等離子體通道本身的電阻非常小，通常只有幾歐姆，因而剩余的能量會(huì)被瞬間注入到等離子體通道中，使等離子體通道在煤體內(nèi)部迅速向外擴(kuò)張；④當(dāng)?shù)入x子體通道產(chǎn)生的作用力超過煤體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，煤體發(fā)生破碎。整個(gè)過程如圖5所示。

為進(jìn)一步深入研究等離子體擊穿煤體的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程，選取直徑為5 cm、高度為1 cm的圓柱形楊莊無煙煤試樣，對(duì)擊穿過程進(jìn)行了拍攝，設(shè)置擊穿電壓為9 kV，結(jié)果如圖6所示。亮光是由空氣及煤中的粒子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下碰撞電離形成的，因此，可以通過亮光的分布反映等離子體通道的發(fā)展情況。從圖6中可以看出，首先在放電的起始階段，正電極附近形成了非常明顯的亮光，這是由于大量的電子從正電極附近遷移至負(fù)電極，從而在煤體內(nèi)部形成初步的放電先導(dǎo)，這與圖5(a)中的階段一是相對(duì)應(yīng)的；放電累計(jì)至200 μs時(shí)，負(fù)電極周圍也出現(xiàn)了非常明顯的亮光，這就意味著大量電離狀態(tài)的粒子已經(jīng)在煤體內(nèi)部形成，即等離子體通道已初步貫通，這與圖5(a)中的階段二是相對(duì)應(yīng)的；隨著時(shí)間的進(jìn)一步推移，等離子體通道在煤體內(nèi)部以電極軸向?yàn)槠瘘c(diǎn)不斷地沿著徑向進(jìn)行擴(kuò)展，這與圖5(a)中的階段三是相對(duì)應(yīng)的；1 300 μs時(shí)從拍攝的圖片中可以首次觀察到煤體出現(xiàn)破裂的現(xiàn)象，說明開始進(jìn)入階段四，之后破碎的煤體在等離子體通道產(chǎn)生沖擊波的作用下四處崩落。由此可知，等離子體通道貫穿煤體的時(shí)間約為1 700 μs(圖中亮光存在的時(shí)間)，等離子體通道擊穿煤體的時(shí)間大約為毫秒級(jí)別。

(a)等離子體發(fā)展階段

圖6 等離子體擊穿煤體動(dòng)態(tài)發(fā)展過程

3 等離子體致裂煤巖效果研究

3.1 電破碎對(duì)煤巖結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

3.1.1 微觀孔隙結(jié)構(gòu)

在孔隙結(jié)構(gòu)方面，YAN Fazhi等[34]通過壓汞試驗(yàn)得出：等離子體擊穿后煤樣的孔隙率和總孔容均存在一定幅度提升，但不同變質(zhì)程度的煤樣增加幅度有一定差異，這與對(duì)煤樣施加的擊穿電壓、原生孔隙結(jié)構(gòu)和變質(zhì)程度等因素有關(guān)；擊穿后煤樣內(nèi)部中、大孔增多，開放性孔增加，但是隨著擊穿電壓的上升，累計(jì)孔容呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，這說明擊穿電壓存在一個(gè)最優(yōu)值。ZHANG Xiangliang等[35]基于核磁共振技術(shù)揭示了擊穿煤體多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)擊穿煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)得到明顯的改善，其中中孔的增長(zhǎng)幅度最為明顯，如圖7所示；同時(shí)，基于核磁共振的分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果表明煤體內(nèi)部滲流孔具備分形特征，滲流孔的分形維數(shù)隨著擊穿電壓的增加而增加；最后，通過構(gòu)建擊穿煤體孔裂隙等效拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)模型，可視化、定量化地研究了擊穿煤體內(nèi)部孔裂隙結(jié)構(gòu)的空間分布特征。上述研究主要集中在較大的滲流孔隙，為進(jìn)一步研究更小尺度的孔隙結(jié)構(gòu)，NI Zhen等[36]探究了等離子體擊穿對(duì)煤體納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)于煙煤來說，煤體中小于2 nm的微孔被大量改造，比表面積減小，孔容較小，使氣體失去了可靠的存儲(chǔ)空間，在很大程度上降低了氣體解吸的難度。

(a)煤樣擊穿前后T2曲線

現(xiàn)有研究成果表明，煤巖在等溫情況下不同瓦斯壓力的吸附解吸變形現(xiàn)象，基本上符合Langmuir等溫吸附方程[1-2,14-20]。

3.1.2 宏觀裂隙結(jié)構(gòu)

以空氣為介質(zhì)的等離子體擊穿煤體主要有2種形式：內(nèi)部擊穿和沿面擊穿。內(nèi)部擊穿是指等離子體通道建立在樣品內(nèi)部，巨大的能量瞬間在等離子體通道內(nèi)部形成膨脹應(yīng)力和沖擊波致使煤樣發(fā)生破碎；而沿面擊穿是指等離子體通道沿著煤樣表面發(fā)展，這種情況下，大部分能量耗散在空氣中，無法有效改造煤樣的孔裂隙結(jié)構(gòu)。

由于等離子體本身存在較高的溫度，致裂后煤樣表面通常會(huì)呈現(xiàn)出燒灼狀態(tài)，更進(jìn)一步地，受等離子體膨脹應(yīng)力及沖擊波的影響，煤樣原生結(jié)構(gòu)遭到破壞，形成了較多裂隙，其深度和寬度均能達(dá)到幾十至數(shù)百微米，如圖8所示。隨著擊穿電壓的升高，注入巖樣內(nèi)部的能量增大，產(chǎn)生了更大的沖擊，使其破碎現(xiàn)象更加明顯。

(a)監(jiān)測(cè)線位置

隨著等離子體循環(huán)次數(shù)的增加，煤體表面微觀裂隙的破碎程度越厲害，ZHANG Xiangliang等[37]通過掃描電鏡的方法探究了等離子體循環(huán)作用對(duì)煤體表面裂隙的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)循環(huán)擊穿5次后煤樣表面的裂隙明顯比單次擊穿作用下產(chǎn)生的裂隙更加豐富，擊穿電壓、電極間距、煤巖體種類等都是影響裂隙起裂及發(fā)育的重要因素。

3.2 液電效應(yīng)對(duì)煤巖結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

3.2.1 液中放電的波動(dòng)效應(yīng)

液態(tài)環(huán)境下的等離子體放電是通過液電效應(yīng)將高功率電能量轉(zhuǎn)換為沖擊波能量，是一種基于物理方式的煤巖體致裂技術(shù)，其過程包括水間隙擊穿和電弧放電2個(gè)階段：攜帶巨大熱能的高密度等離子體通道在水中極速(微秒或納秒級(jí)別)的膨脹與收縮，在水中產(chǎn)生大量的氣泡，擠壓水介質(zhì)，形成脈動(dòng)式的沖擊波。

相關(guān)研究表明，等離子體水中放電包括一次激波、二次激波及循環(huán)激波，而空腔脈沖是形成二次激波及循環(huán)激波的主要原因，如圖9所示[38]。盧新培等[39]通過水中電場(chǎng)放電產(chǎn)生等離子體電弧的實(shí)驗(yàn)得出一個(gè)球模型，反映了通道內(nèi)壓力、溫度、粒子數(shù)密度隨時(shí)間的變化規(guī)律，以及沖擊波壓力特性；張永民[40]、安世崗[41]等提出了在金屬絲外圍包裹含能材料的方式，增強(qiáng)了液中放電沖擊波的峰值強(qiáng)度及能量，從而使液中放電致裂煤儲(chǔ)層的范圍達(dá)到了工程尺度。

(a)沖擊波壓力曲線

當(dāng)沖擊波在煤巖體本身的裂隙、節(jié)理、較大的孔隙等缺陷內(nèi)部傳播時(shí)，界面處的入射波與反射波會(huì)使沖擊波相互疊加，從而增加沖擊波的峰值，使沖擊波的破壞性得到進(jìn)一步提升。入射波的壓縮與反射波的拉伸作用，使煤巖體不斷地疲勞損傷，直至裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展，最終形成相互貫通的裂隙網(wǎng)絡(luò)。

3.2.2 孔—裂隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

等離子體循環(huán)次數(shù)是影響煤體內(nèi)部孔—裂隙結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因素，研究表明，微裂隙密度隨擊穿次數(shù)增加可以分為3個(gè)階段：初期緩慢增長(zhǎng)、中期快速增長(zhǎng)、后期趨于穩(wěn)定，但就孔隙結(jié)構(gòu)而言，隨著沖擊波作用次數(shù)的增加，煤的孔容、比表面積、平均孔徑、有效孔隙率均有不同程度的增加，特別是大孔孔容及其百分比明顯增加，孔隙結(jié)構(gòu)逐步得到改善[42]。此外，放電能量與煤級(jí)之間存在“雙低效應(yīng)”，即煤級(jí)越低的情況下，輸入能量要求也越低，其致裂效果可能會(huì)更好[43]。鮑先凱[44]在水力壓裂的基礎(chǔ)上探討了水中放電沖擊波對(duì)煤巖體裂隙起裂壓力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的水力壓裂技術(shù)，煤樣在18 MPa時(shí)才會(huì)產(chǎn)生主裂隙，而等離子體在12 MPa的壓力水中放電已能夠使煤樣產(chǎn)生貫穿性的裂紋；盧紅奇[45]發(fā)現(xiàn)對(duì)于單軸抗壓強(qiáng)度較大的煤體在沖擊波作用下，裂隙一般會(huì)經(jīng)歷4個(gè)階段：準(zhǔn)備、緩慢發(fā)展、快速發(fā)展及破壞階段。等離子體水中放電對(duì)煤體的作用效果主要是沖擊波的沖擊效應(yīng)，這個(gè)過程伴隨著氣泡潰滅的空化作用。重復(fù)的沖擊波對(duì)煤體不斷地進(jìn)行振動(dòng)和剪切造縫作用，在煤體內(nèi)部不斷的入射與反射，使煤體產(chǎn)生擠壓與拉伸破壞。

3.3 破碎方式對(duì)比

3.3.1 原理區(qū)別

電破碎和液電效應(yīng)是等離子體致裂固體的2種基本原理，均存在可重復(fù)性操作、破壞性強(qiáng)、致裂范圍可控等優(yōu)勢(shì)，但液電效應(yīng)是先將電能轉(zhuǎn)化為沖擊波的機(jī)械能，再使煤體破壞，而電破碎則是直接將電能轉(zhuǎn)化為破碎煤體的機(jī)械能，省略了能量的二次轉(zhuǎn)化過程，從理論上講能量利用效率更高。此外，巖石抗拉強(qiáng)度通常是抗壓強(qiáng)度的4%～25%[46]，電破碎是將等離子體通道直接形成在煤體內(nèi)部，對(duì)于力學(xué)強(qiáng)度更高的巖石(頁巖、花崗巖等)，與液電效應(yīng)相比，電破碎方式具有更加顯著的優(yōu)勢(shì)。

3.3.2 致裂效果區(qū)別

使用電破碎的方式時(shí)，煤體是直接暴露在強(qiáng)電場(chǎng)的環(huán)境下，電場(chǎng)強(qiáng)度的空間分布情況是決定煤體裂隙起裂及擴(kuò)展的關(guān)鍵，而煤體作為一種多孔、富礦的骨架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的孔隙、礦物等均會(huì)對(duì)電場(chǎng)產(chǎn)生影響。筆者通過進(jìn)一步的研究表明，裂隙通常會(huì)沿著礦物與煤基質(zhì)的分界面進(jìn)行擴(kuò)展，即等離子體對(duì)煤體的致裂行為具有選擇性，這主要是由于電場(chǎng)強(qiáng)度在低介電常數(shù)介質(zhì)內(nèi)部表現(xiàn)出增強(qiáng)趨勢(shì)、在高介電常數(shù)介質(zhì)內(nèi)部表現(xiàn)出減弱趨勢(shì)的原因造成的。這種選擇性致裂的特征，也為等離子體在礦物優(yōu)選、電路板稀有金屬剝離等方面的應(yīng)用提供了依據(jù)。

與空氣環(huán)境下直接進(jìn)行等離子體擊穿不同的是，由于液體和氣體的混合，液電效應(yīng)會(huì)發(fā)生水楔效應(yīng)和空化作用。水楔效應(yīng)能夠在一定程度上使煤體裂隙強(qiáng)度因子降低，內(nèi)部裂隙增大。同時(shí)，沖擊波穿過固—液界面時(shí)速度會(huì)發(fā)生變化，從而在煤體表面和內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中、煤體破裂，制造更多的裂隙。空化作用是指沖擊波傳播過程中，在空化崩潰的瞬時(shí)產(chǎn)生的局部高溫高壓現(xiàn)象。由于在煤層中本就存在著大量的空化核，空化作用能夠?qū)⒋罅繗夂藚R集、形成大氣泡，從而減少氣核對(duì)煤層裂隙尤其是微裂隙的封堵，減小煤層瓦斯運(yùn)移的阻力，空化作用形成的高溫高壓能夠形成周期性振動(dòng)，降低煤體強(qiáng)度。

3.3.3 應(yīng)用方式區(qū)別

目前，基于等離子體致裂固體基本原理的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用方案已取得一定進(jìn)展和成效，其中大多數(shù)集中于石油增產(chǎn)、煤層增透、頁巖致裂等領(lǐng)域。對(duì)比電破碎和液電效應(yīng)2種破碎方式的應(yīng)用技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)：電破碎方式中電極與固體直接接觸，由于作業(yè)過程中會(huì)形成電火花，所以必須采取必要的措施防止引爆瓦斯等危險(xiǎn)物質(zhì)，可以采取將鉆孔密封的方式降低孔內(nèi)氧氣含量，從而避免等離子體擊穿過程中引發(fā)危險(xiǎn)事故；液電效應(yīng)致裂技術(shù)需保證電極始終處于水中，在應(yīng)用時(shí)由于目標(biāo)固體本身裂隙會(huì)造成水向裂隙滲透，從而造成鉆孔中水量減少，勢(shì)必會(huì)影響等離子擊穿的作用效果，因此要實(shí)時(shí)補(bǔ)充鉆孔中的水量，這是決定最終應(yīng)用效果的關(guān)鍵。

4 等離子體致裂增滲應(yīng)用研究

4.1 等離子體對(duì)煤體滲透率的影響規(guī)律

基于在煤巖導(dǎo)電與介電領(lǐng)域多年來的研究成果，研發(fā)了三軸加載條件下煤巖等離子體致裂增滲一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖10所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于：可實(shí)現(xiàn)原位條件下煤巖體的等離子體致裂與滲透性效果考察，避免了現(xiàn)有文獻(xiàn)中涉及的加載和卸載對(duì)煤體造成的二次損傷，能夠?qū)Φ入x子體致裂煤體的滲透性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，為該技術(shù)在低滲透煤巖增滲領(lǐng)域的應(yīng)用提供更加準(zhǔn)確的理論支撐。該系統(tǒng)主要由6個(gè)模塊組成：上位機(jī)控制模塊、充電與儲(chǔ)能模塊、限流保護(hù)模塊、放電模塊、監(jiān)測(cè)模塊、三軸加載模塊。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)額定輸出電壓50 kV，儲(chǔ)能模塊則由3個(gè)8 μF的電容并聯(lián)組成，理論上能夠?qū)ω?fù)載施加的最大能量為30 kJ。其中，三軸加載模塊主要用于模擬煤巖真實(shí)的受載情況，設(shè)計(jì)最大軸壓值25 MPa，最大圍壓15 MPa。

圖10 受載煤巖等離子體致裂增滲一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

筆者基于上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以陜西神木煤礦(SM)和陜西黃陵煤礦(HL)煙煤為試樣，研究了等離子體對(duì)煤體滲透率的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)擊穿前煤體的滲透率數(shù)量級(jí)僅為10-17m2，而擊穿煤體內(nèi)部的裂隙后其滲透率達(dá)到10-15m2，煤樣的滲透率增加了幾十至數(shù)百倍，如圖11所示，說明等離子體極大地改善了煤體內(nèi)部的滲流通道。另外，結(jié)合CT掃描和三維重構(gòu)軟件(Avizo)對(duì)擊穿前后同一煤樣進(jìn)行了三維重構(gòu)，通過球桿模型提取了擊穿前后煤體內(nèi)部的連通性孔裂隙結(jié)構(gòu)，并基于此對(duì)孔裂隙結(jié)構(gòu)內(nèi)流體的運(yùn)移軌跡進(jìn)行了可視化模擬，研究發(fā)現(xiàn)等離子體擊穿后形成的裂隙對(duì)流體的運(yùn)移產(chǎn)生了非常明顯的誘導(dǎo)作用[47]。

(a)陜西神木煤礦(SM)煤樣

4.2 等離子體致裂煤巖應(yīng)用研究

沿面擊穿和內(nèi)部擊穿與煤體本身的電學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)，以及環(huán)境的溫度、濕度等因素密切相關(guān)[48]。通過向煤體中注入離子溶液，可以增強(qiáng)其導(dǎo)電性、改變導(dǎo)電方式，大幅度降低單位長(zhǎng)度煤體所需的擊穿場(chǎng)強(qiáng)[49]。作為一種非均質(zhì)性極強(qiáng)、富礦的多孔介質(zhì)材料，煤巖體內(nèi)部的礦物成分、基質(zhì)、空隙內(nèi)的氣體等都會(huì)對(duì)電場(chǎng)表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特征，具體表現(xiàn)為：電場(chǎng)強(qiáng)度在介電常數(shù)較大的物質(zhì)內(nèi)部表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，在介電常數(shù)較小的物質(zhì)內(nèi)部表現(xiàn)出增高的趨勢(shì)，說明等離子體在介電常數(shù)差異較大的不同物質(zhì)分界面處會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)畸變，從而造成等離子體在對(duì)煤體進(jìn)行致裂時(shí)存在剝離的行為特征[20]。

章志成[50]基于巖石孔隙率的特征研究了大理石、花崗巖、黃沙巖等不同孔隙率巖體的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)孔隙率越大的巖體越容易形成等離子體通道；付榮耀等[16]研究發(fā)現(xiàn)高壓電脈沖擊穿后可在堅(jiān)硬頁巖內(nèi)部留下長(zhǎng)度約為0.32 m的裂隙，其縫隙表面粗糙度約為0.430～1.075 mm，具有一定的導(dǎo)流能力；李昌平等[51]分析了等離子體技術(shù)在破巖鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出當(dāng)鉆井到達(dá)一定深度后，等離子體破巖技術(shù)在面臨較高的溫度、壓力等更為嚴(yán)峻環(huán)境時(shí)比傳統(tǒng)的機(jī)械破巖更加具有優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論與發(fā)展趨勢(shì)

5.1 主要結(jié)論

對(duì)電破碎和液電效應(yīng)2種作用方式下的等離子體致裂煤巖研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的回顧，并總結(jié)了筆者所在團(tuán)隊(duì)多年來的研究進(jìn)展，取得的主要結(jié)論如下：

1)無論是電破碎還是液電效應(yīng)，對(duì)低滲透煤巖儲(chǔ)層的孔—裂隙結(jié)構(gòu)均具有顯著的改善效果，尤其以中、大孔及裂隙結(jié)構(gòu)的改善效果最為明顯，這對(duì)于瓦斯抽采是非常有幫助的，以物理放電為基礎(chǔ)的等離子體在化石能源開采領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

2)等離子體本身攜帶的巨大熱能作用在煤體上，會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)使等離子體通道接觸到的煤體發(fā)生氧化反應(yīng)，從而改變其官能團(tuán)及分子結(jié)構(gòu)，一定程度上會(huì)降低煤體對(duì)瓦斯的吸附能力，但這種影響僅限于等離子體通道接觸的煤體，其作用范圍有限。

3)等離子體所形成的裂隙通道極大改善了瓦斯的滲流能力，以電破碎為例，原位條件下等離子體擊穿煤體的滲透率增長(zhǎng)達(dá)到了幾十至數(shù)百倍，且等離子體擊穿煤體形成的相互貫通的裂隙網(wǎng)絡(luò)對(duì)瓦斯流動(dòng)產(chǎn)生了非常明顯的誘導(dǎo)作用。

5.2 發(fā)展趨勢(shì)

1)利用等離子體增透強(qiáng)化化石能源開采的研究目前還處于初步探索階段，等離子體致裂煤巖機(jī)理研究尚不夠豐富、細(xì)致，尤其是缺乏聯(lián)合增透方式下(如等離子體增透與水力壓裂)煤巖體的起裂、擴(kuò)展及貫通機(jī)理的研究，需要更深入研究等離子體致裂煤巖內(nèi)瓦斯氣體的流動(dòng)特征。

2)針對(duì)等離子體放電重復(fù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)堅(jiān)硬煤巖的致裂增透，較好地解決深孔爆破無法重復(fù)操作的局限。鑒于此，提出將等離子體水中放電技術(shù)應(yīng)用在采空區(qū)老頂?shù)姆彭旑I(lǐng)域，通過單點(diǎn)多次、分段式的放電方式，對(duì)采空區(qū)老頂?shù)膱?jiān)硬巖石進(jìn)行致裂，使其疲勞損傷，直至垮落，從而通過人為的方法實(shí)現(xiàn)周期來壓的可控。

3)目前，關(guān)于等離子體致裂煤巖的研究均建立在改善儲(chǔ)層初始孔—裂隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，而大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論是電破碎還是液電效應(yīng)，對(duì)于硬度較大的原生結(jié)構(gòu)巖石，直接采用等離子體致裂的方式，效果往往不理想。因此，結(jié)合其他致裂方式，將等離子體增透作為輔助增透技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤巖體的二次增透，將會(huì)有效改善單一增透技術(shù)效果不理想的狀況。如先進(jìn)行水力壓裂，在煤巖體內(nèi)部形成主裂隙，再通過等離子體技術(shù)不斷沖擊主裂隙，使主裂隙周圍形成相互貫通的次生裂隙。此外，通過等離子體的沖擊作用還可以極大地緩解水力壓裂殘存的水分對(duì)煤巖體造成水鎖效應(yīng)。