煤层气，作为一种清洁能源，具有很大的开发潜力。但目前我国绝大多数煤层存在着煤层透气性差、开采效率低下、开采成本较高等问题[1-2]。这严重制约了我国煤层气的开发利用。其中，水力压裂是目前煤层气开采中最常用的技术手段[3]。但是，常规的水力压裂技术在煤层内形成的裂缝数量较少，裂缝延伸范围较小，整体压裂效果不好，最终导致煤层气井产量低。为了提高煤层气的开采效率，亟待开发新的增渗技术。高压电脉冲技术作为一种高新前沿技术，在煤储层致裂增渗方面有着很好的应用前景[4-5]。
近半个世纪以来，高压电脉冲技术发展较快，被广泛应用于很多领域。在医学领域，可以利用高压脉冲技术产生的液电效应，进行体外碎石[6-7]。在工业领域，利用高压电脉冲技术进行矿物分选、除尘、污水处理、固体废弃材料循环回收利用和油井电脉冲解堵等[8-13]。高压电脉冲技术横跨了化学、物理、电气、生物、工程等多门学科，具有广阔的应用前景。近年，一些学者提出将高压电脉冲技术应用于煤储层的致裂增透，从而实现煤层气的高效抽采[14-15]。高压电脉冲致裂煤体增透技术是通过击穿过程中瞬间释放的巨大能量，形成高压冲击波作用于煤层，使煤体发生抗张抗压破坏，产生了大量的新生裂隙，改善了煤体的孔隙结构，从而提高煤层的透气性，为煤层气高效开采创造了条件。
目前，高压电脉冲技术虽然在煤层气开采领域的研究取得了一定的进展，但是，该技术在煤层致裂增渗方面仍然存在很多问题需要进行深入研究[4-5,14-16]。为了增强电脉冲技术对煤体的致裂增渗效果，改善煤体导电性是一项有效的途径[17-18]。由于NaCl溶液中含有大量的导电离子[19]，因此，提出了向煤体内注入NaCl溶液的方法来增加煤体内部的导电离子，以期改善煤体的导电性[20-22]，从而提高电脉冲击穿致裂煤体的效率。同时，利用搭建的高压电脉致裂煤体增渗实验系统，并结合扫描电镜、能谱分析和压汞分析等实验方法，研究了不同浓度的NaCl溶液处理后，电脉冲击穿煤体的孔隙结构变化特征，为高压电脉冲致裂煤体增渗技术在现场的高效应用提供理论指导。
1 实 验
1.1 实验样品
相关研究表明，煤体的导电性会随着煤样变质程度的增加而提高[14]。因此，本实验中采用的煤样为贵州林华煤矿的优质无烟煤，煤样的工业分析参数见表1。利用岩石取芯机将采集到的大块煤样制作为直径50 mm×30 mm 的柱状煤样，如图1所示。
表1 试验煤质测试结果
Table 1 Testing results of coal property
图1 试验煤样
Fig.1 Experimental coal samples
1.2 实验系统及原理
整个实验系统主要由高压电源、储能电容器、放电开关、电脉冲击穿发生装置及静电屏蔽室等部分构成，系统如图2所示。其中高压电源最大可输出电压为50 kV，储能电容器的电容为8 μF，单次放电的最大能量为10 kJ。
图2 高压电脉冲致裂煤体增渗实验系统
Fig.2 Experimental system of fracturing andpermeability enhancing of coal with high-voltage electrical pulse
该实验系统的工作原理是利用高压电源将220 V/50 Hz的交流电转换为直流电，并向储能电容器充电，储能电容器的正极和负极分别与电脉冲击穿发生装置内的高压电极和接地电极相连接，当储能电容器的电压升至预定电压时，闭合放电开关，储能电容器的电能就会击穿高压电极和接地电极之间的介质。电脉冲击穿介质的过程中，首先是在介质内部形成等离子体通道，然后大量的电流在瞬间注入等离子体通道，释放的热量导致等离子体通道急剧膨胀，电应力和热膨胀力形成的冲击波作用于等离子体通道周围介质，使介质内部发生了破坏，形成大量的裂隙。
1.3 实验步骤及方法
(1)将林华无烟煤样分为5组，分别标记为LH1，LH2，LH3，LH4和LH5，每组均有6块煤样，将煤样称重并放置在真空干燥箱中干燥48 h。
(2)煤样干燥后，将LH1组煤样放置于蒸馏水中，将LH2，LH3，LH4和LH5组煤样分别放置于浓度为0.5，1.5，2.5，3.5 mol/L的NaCl溶液中，5组试样均浸泡48 h。
(3)将浸泡后的煤样放入电脉冲击穿发生装置中，煤样的2个端面分别与高压电极和接地电极接触，并且固定好;然后开启高压电源向储能电容充电，当储能电容中的电压达到煤体的击穿电压时，闭合放电开关，对煤体进行击穿试验。
(4)电脉冲击穿煤样实验完成后，采用扫描电镜和压汞仪器对5组电脉冲击穿的煤体的孔隙、裂隙结构演化规律进行分析。扫描电镜为美国FEI公司生产的Quanta 250环境扫描电子显微镜，该设备配有能量色散谱仪，可以为样品所含元素提供精确的定性、定量分析数据。压汞实验仪器为美国康塔公司生产的Poremaster 60GT型全自动压汞仪，工作压力为0.063 4～2.267 0 MPa，测定孔隙直径下限为6.48 nm。
2 实验结果及分析
2.1 击穿煤样宏观破坏特征
电脉冲击穿煤样的过程中，首先会在煤体内形成等离子体通道，然后巨大的能量在极短的时间内(数十微秒范围内)注入等离子体通道，产生的热膨胀力和电应力会导致煤体发生抗张抗拉破坏。煤体在电脉冲击穿后的宏观破裂特征如图3所示，图3(a)，(b)和(c)分别为浸泡于蒸馏水、浓度为1.5 mol/L的NaCl溶液和浓度为3.5 mol/L的NaCl溶液的煤样在电脉冲击穿后的宏观破裂形态。结果表明，经过不同溶液浸泡后的各个煤样的电脉冲击穿宏观破坏特征均不相同。在蒸馏水中浸泡后的煤体电脉冲击穿破坏形成的宏观裂隙较少，而在1.5 mol/L的NaCl溶液和浓度为3.5 mol/L的NaCl溶液中浸泡后的煤样在电脉冲击穿后破碎的更加充分。这表明与蒸馏水浸泡的煤样相比，经过NaCl溶液浸泡后的煤体在电脉冲击穿后形成的裂隙数量显著增加，裂隙网络更加丰富。这是因为煤体在NaCl溶液浸泡的过程中，会有大量导电离子Na+ 和Cl- 进入煤体内部的原生孔隙裂隙，有效地改善了煤体的导电性，在电脉冲击穿煤体过程中，这些含有大量导电离子的原生孔隙裂隙非常有利于等离子体通道的扩展衍生，使得等离子体通道在煤体内部发展的更加充分，等离子体通道内注入的巨大能量导致煤体中原生裂隙得到了进一步的扩展，同时产生了更多的新生裂隙。
图3 电脉冲击穿致裂煤体的类型
Fig.3 Fracturing types of coal broken down by high-voltage electrical pulses
2.2 击穿煤样微观破坏特征
利用扫描电子显微镜对电脉冲击穿后的煤样破碎表面微观特征进行研究，如图4所示。图4(a)为经过蒸馏水浸泡的煤样电脉冲击穿后的表面微观特征，图4(b)～(e)分别为经过浓度为0.5，1.5，2.5，3.5 mol/L 的NaCl溶液浸泡的煤样电脉冲击穿后的表面微观特征。对比经过不同溶液浸泡的煤样电脉冲击穿的微观裂隙特征可以看出，经过NaCl导电离子溶液处理后的煤样，在高压脉冲击穿后，煤样表面形成更多孔隙和裂隙，煤样微裂隙发育程度明显增强。
图4 试验煤样的表面微观特征
Fig.4 Microscopic features of experimentalcoal sample surface
蒸馏水浸泡过的煤样，在电脉冲击穿后，煤体表面形成了很多孔洞，如图4(a)所示;经过较低浓度NaCl溶液浸泡后的击穿煤样，孔洞数量显著增加，同时也有不少裂隙形成，覆盖范围增大，如图4(b)和(c)所示;经过较高浓度NaCl溶液浸泡后的煤样，高压脉冲击穿后，有明显的破碎特征，表面形成了更多的裂隙，裂隙之间连通性显著增强，如图4(d)和(e)所示。这种现象是由于NaCl溶液浸泡煤样后，导电离子逐渐渗透到煤的孔隙裂隙之中，改善了煤体的整体导电性，导致在高压电脉冲击穿过程中煤体内的等离子体通道发展的更加充分，等离子体通道中产生的热膨胀力和电应力迫使煤体中形成大量的孔隙裂隙。
同时，采用能量色散谱仪分别对电脉冲击穿后的LH1，LH2，LH3，LH4和LH5煤样破裂表面进行分析，观测试验煤样破裂表面的钠元素和氯元素变化规律，分析结果如图5(a)～(e)所示。与蒸馏水浸泡的
图5 煤样表面矿物图谱
Fig.5 Surface mineral map of experimental coal samples
煤样相比，经过NaCl溶液浸泡后的煤体在电脉冲击穿后，煤样表面的钠元素和氯元素含量随着NaCl溶液浓度的增加整体上呈现出明显增加的趋势，如图5(f)所示。这表明在NaCl溶液浓度对煤体的浸泡过程中，大量的导电离子Na+ 和Cl- 进入煤体内部的孔隙裂隙中，附着在孔隙裂隙的表面，这些渗入煤体的孔隙裂隙内的导电离子可以有效的改善煤体导电性，更有利于实现高压电脉冲击穿致裂煤体。
2.3 压汞法孔隙结构变化特征
利用压汞法可以分析煤样孔隙结构、形态、孔隙度及孔隙连通性等信息。本文采用B.B.霍多特(1966)的十进制孔径划分法，即微孔<10 nm，小孔10～100 nm，中孔100～1 000 nm，大孔>1 000 nm[23]，利用压汞仪对高压电脉冲击穿后的LH1，LH2，LH3，LH4和LH5煤样进行分析，得到了各煤样的孔隙结构参数见表2。
表2 无烟煤压汞法测试结果
Table 2 Mercury intrusion analysis of anthracite samples
图6 不同煤样的进汞曲线
Fig.6 Mercury intrusion curves of different coal samples
由表2可知，经过NaCl溶液浸泡的煤样，在高压电脉冲击穿后，煤样孔隙度、平均孔径较蒸馏水浸泡过的煤样有所增加，孔隙度最大增幅约为31%，平均孔径增幅为5%～21%。电脉冲击穿后的LH1，LH2，LH3，LH4和LH5煤样的累计进汞曲线如图6所示，经过NaCl浸泡后的煤样与蒸馏水浸泡过的煤样相比，在电脉冲击穿后，前者的累计进汞量明显大于后者。同时，随着NaCl溶液浓度的增加，电脉冲击穿煤体的累计进汞量也呈增加趋势。这是由于当NaCl溶液浸泡煤体之后，进入煤体内的导电离子Na+和Cl- 有利于煤体内部等离子体通道的发展衍生，并且NaCl溶液浓度越高，导电离子进入等离子通道的数量就越多，越有利于等离子通道在煤体内广泛扩展，进而在高压电脉冲击穿过程中，煤体内形成的孔隙和裂隙也会更多，这对瓦斯的解析和运移非常有利。
图7 煤样的不同孔型的孔容
Fig.7 Capacity of the different pore types of coal samples
图7为LH1，LH2，LH3，LH4和LH5共5种煤样在电脉冲击穿后的不同孔型的孔容，可以看出，NaCl溶液浸泡后的煤样LH2，LH3，LH4和LH5在电脉冲击穿后的大孔和中孔的孔容均比蒸馏水浸泡煤样LH1的大，并且随着NaCl溶液浓度的升高，高压电脉冲击穿煤样的大孔和中孔孔容均呈现出上升趋势。同时可以看出，煤样LH2，LH3，LH4和LH5在电脉冲击穿后的小孔和微孔的孔容均比蒸馏水浸泡煤样LH1的小，并且随着NaCl溶液浓度的升高，小孔和微孔的孔容均呈现处下降趋势。这说明采用NaCl溶液浸泡煤样后，进入煤体内部原生孔隙裂隙中的导电离子Na+ 和Cl- 有利于电脉冲击穿过程中等离子体通道的扩展衍生，等离子体通道中的热膨胀力对周围煤体的冲击作用，会使大量微小孔转变为大孔和中孔，从而增加了大孔和中孔的数量，降低了微小孔的数量;随着NaCl溶液浓度增加，进入煤体内部原生孔隙裂隙中的导电离子Na+ 和Cl- 数量也会增加，使得电脉冲击穿过程中等离子体通道在煤体内部发展的更加充分，导致更多的微小孔演化成大孔和中孔。由于煤体中大孔和中孔是瓦斯运移的主要通道，而微小孔主要起着吸附瓦斯的作用，因此NaCl溶液浸泡后的煤样在电脉冲击穿后形成的大量的大孔和中孔会有利于瓦斯的高效开采。
3 结 论
(1)与蒸馏水浸泡的煤样相比，NaCl溶液浸泡的煤样在高压电脉冲击穿后，煤体破碎程度更加充分，煤样表面形成的孔隙和裂隙更多，裂隙网络更加丰富。
(2)在NaCl溶液浓度对煤体的浸泡过程中，大量的导电离子Na+ 和Cl- 进入煤体内部的孔隙裂隙中，附着在孔隙裂隙的表面，这些渗入煤体的孔隙裂隙内的导电离子可以有效的改善煤体导电性，有利于实现高压电脉冲击穿致裂煤体。
(3)高压电脉冲击穿NaCl溶液浸泡后的煤样的孔隙度和平均孔径比蒸馏水浸泡过的煤样都有一定的增加，孔隙度最大增幅约为31%，平均孔径增幅为5%～1%。煤体的大孔和中孔孔容随着NaCl溶液浓度的增加呈现出增加趋势，而微孔和小孔孔容随着NaCl溶液浓度的增加呈现出下降趋势。由于煤体中大孔和中孔是瓦斯运移的主要通道，而微小孔主要起着吸附瓦斯的作用，因此NaCl溶液浸泡后的煤样在电脉冲击穿后形成的大量的大孔和中孔会有利于瓦斯的高效开采。
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