水中高压脉冲放电致裂岩体实验研究.pdf

第 37 卷 第 1 期 2020 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 37 No. 1  Mar. 2020 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2020. 01. 014 水中高压脉冲放电致裂岩体实验研究* 秦 爽， 赵金昌， 卞德存 （太原理工大学 矿业工程学院， 太原 030024） 摘 要 在以煤层气井脉冲放电致裂增渗为工程背景， 对在耦合静水压下煤岩体受到脉冲放电冲击波致裂 机理分析， 采用混凝土试样代替煤岩体， 使用自我研发设计的可以改变静水压和试样三轴围压的实验装置， 对混凝土试样在不同地应力 （0 8 MPa） 、 静水压 （0 2 MPa） 、 放电参数 （10 kV 或 14 kV） 下进行了脉冲放电 致裂实验， 研究地应力、 静水压、 放电参数对混凝土试样裂纹延展方向和长度的影响规律。研究表明 地应力 抑制裂纹的产生及扩展， 裂纹方向为垂直于最小主应力方向； 静水压不影响裂纹的延展方向， 静水压增大可 以加快裂纹的延展速度和长度； 高电压下裂纹扩展长度及贯通效果较好， 高电压下裂纹长度有所增加。在实 际的应用中， 可以提高设备的放电电压增加对煤岩体致裂效果。 关键词 脉冲放电；冲击波；静水压；致裂效果 中图分类号 O625 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2020） 01 -0094 -08 Study on Fractured Rock Mass caused by High Pressure Pulse Discharge in Water QIN Shuang， ZHAO Jin-chang， BIAN De-cun （College of Mining Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China） Abstract This paper takes cracks by the pulse discharge and seepage enhancement of coalbed methane well as the engineering background and analyzes the mechanism of the shock wave cracking of the coal rock mass by the pulse discharge， under the coupled hydrostatic pressure. Using the concrete sample instead of the coal rock mass and the self-developed experimental equipment which can change hydrostatic pressure and sample triaxial confining pres- sure， the pulse discharge caused cracking experiment was carried out for the concrete sample with different concrete stress（0 8 MPa） ， hydrostatic pressure（0 2 MPa） ， and discharge parameters（10 kV or 14 kV）to study the in- fluence of ground stress， hydrostatic pressure and discharge parameters on the crack propagation direction and length of concrete specimens. The research shows that ground stress curbs the generation and expansion of the crack and the crack direction should be perpendicular to that of the minimum principal stress. The hydrostatic pressure does not af- fect the direction of the crack， and the increase of hydrostatic pressure can accelerate the expansion speed and length of the crack. It is good for the extension length and penetration effect under high voltage， and the crack length increa- ses at high voltage. In practical applications， it is effective to improve the cracking effect by increase the deviceˊs dis- charge voltage on coal rock mass. Key words pulse discharge；shock wave；hydrostatic pressure；cracking effect 收稿日期 2019 -10 -12 作者简介 秦 爽 （1992 - ） ， 男，硕士研究生， 从事高压脉冲放电致 裂方向研究，（E - mail） 594081689 qq. com。 基金项目 山西省一般自然基金 （201701D22111223） 在煤层气井致裂增透施工中， 高压脉冲放电产生的冲击使得煤岩体产生裂纹， 其中裂纹产生机理、 起裂、 扩展规律， 是研究人员研究关注的重点 ［1］。 煤岩体具有较强的非均质性和各向异性， 受到冲击 荷载作用后的破裂过程也较为复杂， 第一地应力对裂 万方数据 纹影响规律尚无明确结论 ［2］， 第二放电参数影响冲击 波加载特性 ［3］， 而煤岩体中裂纹扩展规律又与冲击荷 载的加载特性密切相关 ［4］， 第三现阶段实验使用的脉 冲放电致裂实验台无法提供围压和静水压。 使用自主研发的高压脉冲放电致裂实验台可以 提供不同围压和静水压， 再以均质混凝土试样代替煤 岩体试样进行静水压高压脉冲放电致裂实验， 并对试 件表面进行显微放大拍摄处理。研究在不同地应力、 放电参数、 静水压下混凝土试样裂纹起裂延展规律。 1 致裂机理研究 在静水压作用下高压脉冲放电致裂岩体可分为 水激波的冲击作用阶段和水压的准静态作用阶 段 ［5-6］。水激波的冲击作用阶段为电极在岩体中的 放电， 在水中产生一个冲击波， 对岩体施加一个冲击 载荷， 压力迅速达到峰值， 岩体内产生一个应力脉冲 波 ［7］。水压的准静态作用阶段作用时间较水激波 的冲击作用时间长得多， 且压力值相对稳定， 是在岩 体原始裂隙及水激波冲击作用产生的初始裂隙的基 础上产生进一步作用的 ［8-10］。 2 实验准备 2. 1 实验设备组成及工作原理 本实验研制了一套具有真三轴加载能力、 放电能 量可调、 钻孔中注水压力可调的高压脉冲放电致裂实 验台， 尽可能重现井下煤岩体致裂环境。见图1。 图 1 高压脉冲放电致裂实验台 Fig. 1 The high-voltage pulsed discharge fracturing test-bed 高压脉冲放电致裂实验台 （图 2） 由高压脉冲放 电系统、 静水压加载系统 （恒压恒流水压泵） 、 真三 轴围压加载系统三部分组成。高压脉冲放电系统由 储能机柜、 放电控制箱、 放电电极、 同轴电缆， 其负责 将储存的电能经过电极转化为冲击波， 作用与混凝 土试件， 技术参数见表 1。电极密封装置和对极式 放电电极结构图及实物照片如图 3 所示。 表 1 高压脉冲放电系统参数表 Table 1 Technical parameters of high-voltage pulsed discharge system 项目输入电源功率脉冲放电电压单次脉冲能量电容值 参数220 V 50 Hz 交流电1 kW5 15 kV0. 75 6. 75 kJ60 μF 项目脉冲间隔设备寿命触发方式放电间距充电误差 参数20 s大于 1 万次手动/ 自动5 mm＜5 2. 2 致裂试样制备 混凝土试件按质量 （水泥∶ 河沙∶ 水 ＝1∶ 3∶ 0. 5） 进行配比， 试件尺寸 300 mm 300 mm 300 mm 立 方体， 养护28 d。在混凝土试样上表面中心钻孔， 钻 孔直径 30 mm， 深 200 mm 如图 4。 59第 37 卷 第 1 期 秦 爽， 赵金昌， 卞德存 水中高压脉冲放电致裂岩体实验研究 万方数据 图 2 高压脉冲放电致裂实验台 Fig. 2 The high-voltage pulsed discharge fracturing test-bed 图 3 电极结构图 Fig. 3 Electrode structure diagram 图 4 混凝土试件 Fig. 4 The concrete specimen 2. 3 混凝土试样力学性质测试 取一块混凝土试样钻孔取芯。得到大小为 φ 50 100 mm 单轴抗压试样， 测试得抗压强度 19. 11 MPa， φ 50 mm 25 mm 巴西劈裂试样， 测试 得抗拉强度 1. 37 MPa。见图 5， 表 2。 3 脉冲放电致裂实验方案 3. 1 参数设置 将养护好的混凝土试样编号 1 10。实验参数 如表 3 所示。 3. 2 实验步骤 高压脉冲放电致裂实验操作流程如图 6 所示。 装配图见图 7。 4 脉冲放电致裂裂纹扩展规律分析 在高压脉冲放电实验中， 间隔一定放电次数， 拆 除混凝土试件上表面的密封装置， 对裂纹的扩展形 态长度进行观测和记录。见图 8。 69爆 破 2020 年 3 月 万方数据 表 2 混凝土强度实验结果 Table 2 The test results of concrete specimen strength 试件 编号 尺寸/ mm 破坏荷载/ kN 单轴抗压 强度/ MPa 试件 编号 尺寸/ mm 破坏荷载/ kN 单轴抗拉 强度/ MPa C -1φ 48. 8 99. 738. 3620. 51B -1φ 48. 6 25. 32. 741. 42 C -2φ 49. 2 98. 633. 6117. 68B -2φ 48. 2 24. 82. 521. 34 C -3φ 48. 6 99. 635. 8619. 33B -3φ 49. 3 24. 22. 851. 52 C -4φ 49. 5 100. 241. 2221. 42B -4φ 48. 6 24. 52. 751. 47 C -5φ 49. 3 98. 837. 0919. 43B -5φ 49. 3 23. 92. 441. 32 C -6φ 48. 8 100. 434. 3218. 35B -6φ 48. 7 25. 12. 461. 28 C -7φ 48. 8 98. 434. 5518. 47B -7φ 49. 2 24. 42. 701. 43 C -8φ 48. 2 99. 232. 3317. 72B -8φ 48. 3 24. 12. 211. 21 平均值φ 48. 9 99. 435. 9019. 11平均值φ 48. 8 24. 52. 581. 37 图 5 混凝土强度测试试样 Fig. 5 Test samples of concrete specimen strength 表 3 混凝土试样实验参数 Table 3 The experimental parameters settings of concrete specimens 试件 编号轴压 σ1 地应力/ MPa 南北 σ2东西 σ3 静水压/ MPa 放电参数 放电电压/ kV电容值/ μF 100001060 200001430 332101060 432101430 586201060 686201430 786211060 886211430 986221060 1086221430 图 6 高压脉冲放电致裂实验操作流程图 Fig. 6 The operation flow diagram of fracturing experiment by high-voltage pulsed discharge 79第 37 卷 第 1 期 秦 爽， 赵金昌， 卞德存 水中高压脉冲放电致裂岩体实验研究 万方数据 图 7 致裂实验试样装配图 Fig. 7 Sample assembly drawing of fracturing experiment 图 8 部分裂纹显微放大照片 Fig. 8 The microscopic photographs of some fracturing cracks 4. 1 地应力对裂纹扩展的影响 将混凝土试件 1、 3、 5 号编为第一组， 2、 4、 6 号 编为第二组， 进行组内对照试验。图 9 是在不同地 应力下放电冲击产生的裂纹照片及素描图。混凝土 试件按照 “上北下南、 左西右东” 方向摆放。 对两组混凝土试件对照可以发现 （1） 混凝土试件 1 号 2 号在无地应力下， 裂纹 各方向上均有扩展， 冲击次数在 30 次内贯通。 （2） 混凝土试件 3 号 4 号地应力较混凝土试件 1 号 2 号地应力增加， 混凝土试件在手地应力干扰 后， 裂纹在垂直于最小主应力方向延展， 贯通时冲击 次数增多。 （3） 混凝土试件 5 号 6 号收到的地应力再次增 加， 裂纹没有贯通， 且长度较短， 方向为垂直于最小 主应力。 由图 10 可知 地应力增大， 试件表面裂纹长度 速率减慢， 最终长度较短。 综上所述， 脉冲放电致裂岩体的过程中地应力 制约裂纹扩展。地应力增加， 裂纹贯通需要的冲击 次数增加， 裂纹长度缩短， 当地应力差值较大， 裂纹 在垂直于最小主应力方向延展。 4. 2 静水压对裂纹扩展的影响 按照试验参数静水压分别为 0、 1、 2 MPa， 对混 凝土试件 5 10 号分组， 对照， 研究静水压对裂纹扩 展规律影响。见图 11。 将试件 H5 H10 分为两组， 进行组内对照， 如 图 12。通过对照发现 地应力相同时， 裂纹的扩展 方向相同， 垂直于最小主应力的方向。静水压的大 小不会影响到裂纹的扩展方向， 但加快了裂纹延展 速度。且静水压越高， 裂纹扩展速度增快。 4. 3 放电参数对裂纹扩展的影响 在表 3 中， 将 6 个混凝土试样分为 3 个对照组 如图 13。研究不同放电电压与电容组合对试样裂 纹扩展规律的影响。 89爆 破 2020 年 3 月 万方数据 图 9 不同地应力条件下裂纹 Fig. 9 Crack under different stress conditions 图 10 不同地应力条件下脉冲放电致裂裂纹长度统计 Fig. 10 The cracks＇ length of pulsed discharge fracturing under different geostress 图 13 是相同条件下， 不同放电电压对试样进行 脉冲放电致裂实验， 试样表面裂纹长度统计图。得 到了， 在同种条件下， 高电压致裂效果略优于低电压 致裂效果， 裂纹长度增加。虽然不同电压下的脉冲 放电总能量不变， 但放电电压较高， 冲击效果较好， 相对而言更多的能量作用于试件上， 使得致裂效果 较好。在实际的应用中， 可以提高设备的放电电压 使得对煤岩体致裂效果增加。 5 结语 以混凝土试样替代煤岩体试样， 对试样进行了 脉冲放电致裂实验。研究了不同地应力、 静水压和 放电参数对混凝土试样裂纹延展规律。研究表明 （1） 地应力增加， 抑制裂纹的扩展， 地应力有差 值时， 裂纹在垂直于最小主应力方向延展。 （2） 静水压的大小对裂纹的扩展方向无影响， 但静水压的增加促进裂纹的延展速度及长度。 （3） 高电压致裂效果略优于低电压致裂效果， 高电压下裂纹长度有所增加。在实际的应用中， 可 以提高设备的放电电压使得对煤岩体致裂效果 增加。 99第 37 卷 第 1 期 秦 爽， 赵金昌， 卞德存 水中高压脉冲放电致裂岩体实验研究 万方数据 图 11 不同静水压下脉冲放电致裂裂纹扩展规律 Fig. 11 The cracks＇ propagation of pulsed discharge fracturing under different hydrostatic pressure 图 12 不同静水压下脉冲放电致裂裂纹长度统计 Fig. 12 The cracks＇ length of pulsed discharge fracturing under different hydrostatic pressure 图 13 不同放电电压致裂裂纹长度统计 Fig. 13 The cracks＇ length of pulsed discharge fracturing under different discharge voltage 001爆 破 2020 年 3 月 万方数据 参考文献 （References） ［1］ 李 清， 徐文龙， 郭 洋， 等. 柱状炮孔端部爆生裂纹 动态扩展力学行为研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2019， 38 （2） 267-275. ［1］ LI Qing， XU Wen-long， GUO Yang， et al. 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