基于液電效應(yīng)的水激波時(shí)域特性及煤體致裂效果研究.pdf

1、煤層氣又稱瓦斯，是導(dǎo)致井下爆炸等安全事故以及溫室效應(yīng)的氣體，同時(shí)也是一種清潔能源。合理利用煤層氣不僅能降低煤礦井下安全事故的發(fā)生率、減少大氣污染，又能為人類的生產(chǎn)生活提供所需的能源。然而，我國(guó)高瓦斯礦井中95％以上的煤層存在滲透性較差及煤質(zhì)偏軟的缺陷，導(dǎo)致抽采鉆孔極易堵塞，抽采率偏低等問(wèn)題。因此增加賦存瓦斯煤巖體的裂隙度成為煤層氣抽采中亟待解決的難題。
　　近年來(lái)，煤層鉆孔注水高壓脈沖放電致裂技術(shù)作為一種新型動(dòng)靜荷載耦合致裂煤體的

2、手段，逐漸引起越來(lái)越多學(xué)者及工程技術(shù)人員的關(guān)注。其主要原理是利用高壓脈沖放電產(chǎn)生的液電效應(yīng)，形成高壓脈沖水激波，水激波通過(guò)液體介質(zhì)作用于煤體，使其產(chǎn)生不規(guī)則的大范圍貫通裂紋，從而達(dá)到增加煤層滲透性的目的。
　　脈沖水激波作為一種特殊的動(dòng)載荷，其時(shí)域特性（包括波前時(shí)間、上升沿斜率等）對(duì)煤體中裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展影響深遠(yuǎn)。不同的水激波時(shí)域特性表示煤體中的裂紋從外界吸收能量的速率不同。而受其自身材料屬性的限制，煤體中的裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中釋放能量

3、的速率存在一個(gè)極限值。在這兩種能量速率的博弈下，煤體裂紋的擴(kuò)展模式也不相同。
　　為此，針對(duì)水中高壓脈沖放電產(chǎn)生的水激波，本文通過(guò)控制不同的放電電壓和靜水壓力來(lái)獲得不同的水激波波前時(shí)間及上升沿斜率。著重研究了波前時(shí)間及上升沿斜率隨放電電壓和靜水壓力的變化規(guī)律及其對(duì)煤體致裂效果的影響。主要研究結(jié)果如下：
　?。?）結(jié)合沖擊波的相關(guān)知識(shí)及水中高壓脈沖放電生成水激波的機(jī)理，從理論上分析了水激波波前時(shí)間及上升沿斜率隨放電電壓和靜水壓

4、力的變化規(guī)律，推導(dǎo)出了波前時(shí)間及上升沿斜率關(guān)于放電電壓和靜水壓力的理論計(jì)算公式。公式表明：波前時(shí)間與放電電壓和靜水壓力分別呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)的關(guān)系，而上升沿斜率與之相反；
　?。?）采用控制變量法進(jìn)行了水中高壓脈沖放電的實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：在靜水壓力一定時(shí)，放電電壓越高，水激波的波前時(shí)間越短，上升沿斜率也越大；而在放電電壓一定時(shí)，靜水壓力越大，水激波的波前時(shí)間越長(zhǎng)，上升沿斜率越小。實(shí)驗(yàn)結(jié)論與理論計(jì)算公式的結(jié)論相一致。
　　

5、（3）結(jié)合沖擊載荷下裂紋擴(kuò)展的基本知識(shí)，通過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)：水激波波前時(shí)間能夠通過(guò)影響裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)影響煤體中裂紋的擴(kuò)
　　展。將波前時(shí)間引入到裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子公式中，得到了含有水激波波前時(shí)間的應(yīng)力強(qiáng)度因子理論計(jì)算公式。
　　（4）利用RFPA-Dynamic數(shù)值分析軟件研究了波前時(shí)間對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。模擬結(jié)果顯示，不同的波前時(shí)間對(duì)煤體中應(yīng)力波的傳播及聲發(fā)射現(xiàn)象均具有顯著的影響。同時(shí)不同的波前時(shí)間下裂紋的擴(kuò)展模式