煤炭是我国最为重要的能源,在我国能源结构中占据着关键位置,为我国的经济发展提供强大的动力。随着我国对能源需求的增加和浅部煤炭资源的枯竭,目前我国煤炭资源开采正向深部发展,据统计我国煤矿开采深度以每年10m-12m的速度向下延伸,随着煤炭开采深度的增加,煤层所受地应力等增大,造成了煤层瓦斯逸散通道被压缩,从而使得煤层透气性减小、瓦斯含量增大,尤其是近年来高松软、高地应力、高瓦斯及低透气性煤层的增多,给煤矿开采带来极大挑战。瓦斯抽放是减小煤层瓦斯含量最为有效的措施,对减少煤层瓦斯含量具有重要的作用。而我国的低透气煤层占据大多数,对煤矿瓦斯抽采带来了较大难度。而目前的一些煤层增透方法如水力压裂、水力冲孔及深孔预裂爆破等由于各自的限制条件,对煤层增透效果具有较大的差异性,极大地影响这些技术的推广。因此,研究能量大、操作简单的煤层增透新方法显得至关重要。本文基于这一现状,提出采用高压电脉冲技术对煤层进行增透的新方法,对于提高煤层透气性具有重要的理论和实用价值。基于高压电脉冲在石油增产、矿物加工等领域中的应用,本文建立了高压电脉冲对煤体作用实验系统,分析了不同参数高压电脉冲对不同强度试样作用特征,研究了不同强度试样在作用过程中的变形特征、破裂特征和声发射特性,并分析了高压电脉冲技术对煤体的作用效果,提出了高压电脉冲对煤体作用机理,提出了高压电脉冲技术在现场应用中的具体方式、方法,指出了高压电脉冲现场设备研制方法,对该技术在现场应用具有重要意义。研究成果主要有以下几点:(1)调整水泥、沙子配比制作了三种不同高强度试样,即1:3高强度试样、1:4高强度试样和1:5高强度试样,同时以水泥、沙子为主料,以石膏、发泡剂等制作相似试样和特殊试样,并制作了相似试样,测试其单轴抗压强度、泊松比、弹性模量等,结果表明其力学性质与相似煤样相近,并采用预埋应变片等形式制作试样以备后期实验需要。(2)建立了高压电脉冲对煤体作用系统,该系统包括高压电源、储能系统、放电电极及触发开关、点火开关等其他配件,并建立了应力-应变测试系统、声发射测试系统,其作用流程为工频电压经过中频整流器整流成600V、1000Hz中频电流,再经高压硅堆升压为几十kV的高频电流,高频电流经触发开关、点火开关等向放电电极传输电能,当电压值达到门槛值时,电极放电对煤体进行作用。(3)采用建立的高压电脉冲对煤体实验系统测试了1:3、1:4和1:5三种不同高强度样在不同参数条件下的破裂特征,结果表明当电压为13kV、40μF时,1:4高强度试样在作用1次后完全破碎,当电压为11kV、20μF时,1:4高强度试样在作用8次后呈现大裂隙,当电压为11kv、10μf时1:5高强度试样在经过12次作用后产生明显裂隙,为分析高压电脉冲作用过程中试样内部变形情况,因此采用的实验参数为11kv、10μf。(4)制作合适电极及密封腔体,采用爆破测振仪测试不同能量、不同方向质点振动速度,结果显示z向振动速度最大,y向振动速度次之,x向振动速度最小,说明z向是冲击波传播方向,且振动速度峰值对应主频率较低,同时随着距电极距离减小、能量的增加,各方向质点振动速度随之增大。(5)采用fft变换分析不同能量条件下振动信号得出其频域信号,研究得出不同能量条件下频率主要集中在0-500hz,其中11kv条件下作用频率多集中在200hz以内,而14kv条件下多集中在在300hz以内,且随着能量的增加,低频频段占比增加。将不同能量条件下冲击波信号进行eemd分解,得出12个imf分量及残余分量,对于x向信号,imf_h2至imf_h6为优势频段,对于y向信号,imf_h3至imf_h6为优势频段,对于冲击波传播方向z向,imf_h3、imf_h4为优势频段,而且随着能量的增加,imf_h4频段的能量越大。(6)通过采用参数为11kv、10μf高压电脉冲系统对不同强度试样进行实验,对于1:3(1#)高强度试样,经过6次后试样顶端出现小裂隙、17次后出现明显裂隙,对于1:5(3#)高强度试样,经过7次后试样顶端出现小裂隙、12次后出现明显裂隙,对于坚硬煤体试样,经过14次后出现明显裂隙,对于松软煤体,经过12次作用后出现明显裂隙,说明试样的强度越大,产生裂隙所需的能量就越大,需要作用次数就越多。经过高压电脉冲作用后,试样会产生呈对称状的多条裂隙,而对于强度较大的试样其破裂过程经过准备阶段、缓慢发展阶段、快速发展阶段和破坏阶段四个阶段,而强度较小试样则经过多次作用后直接产生明显裂隙。(7)对于1:4高强度(2#)试样来说,在存在缺口的情况下,作用30次之后出现明显裂隙,对于中硬强度试样,在存在薄弱面的情况下,仅仅作用2次便产生明显裂隙,且该试样与其他试样的裂隙长度、宽度变化不大,说明封孔的质量对于高压电脉冲冲击波传播具有重要的影响,而且薄弱面的存在有利于试样裂隙的产生。(8)采用fft、eemd方法对采集的变形信号进行分析,得出50hz及其倍频是干扰信号,经过采用eemd分解、滤波后得出其真实应变曲线,结果表明在高压电脉冲作用过程中,试样内部应变峰值呈现不规则变化,且随着试样强度的降低,横向变形增大、纵向变形减小,说明试样强度越低、冲击波衰减越严重。(9)采用声发射测试作用过程中试样破裂特征,结果表明在作用前期振铃计数较少,随着作用次数的增加,振铃计数增加速度加快,而且试样下部能量大于上部能量。(10)通过采用小尺度原煤煤样进行测试,结果显示经过高压电脉冲作用后,煤体表面分形维数增大,煤体渗透率明显增加,说明煤体原有裂隙得到扩展并产生新的裂隙,通过采用大尺度型煤来模拟极松软煤体,结果表明经过高压电脉冲作用后,煤体顶端表面产生多条明显裂隙,形成复杂的裂隙网,但纵向长度较坚硬煤体短。同时极松软煤体应变曲线与高强度试样相类似,但横向应变、纵向应变较高强度试样变形小。(11)在高压电脉冲作用过程中,液电效应、空化效应和热效应是主要作用方式,而通过对煤体进行实验,结果表明高压电脉冲主要通过剪切造缝、机械振动等对煤体进行造缝,在作用过程中,高压电脉冲冲击波在重复作用后会降低煤体强度、液体会形成水楔效应,从而产生更多裂隙,同时机械振动能够破坏裂隙中的阻塞物,提高瓦斯流动的能力。(12)结合该技术在石油领域内的应用,提出了该技术在煤层增透方面应用方式、方法,并根据煤矿情况将技术分为地面增透和井下顺煤层增透两种方式,即地面增透作用步骤分为注水、下放设备作用、多次作用后提升设备继续作用、完成后清井,井下增透作用步骤分为钻孔、清孔、注水、下放设备、封孔、多次作用提升设备作用、清孔。(13)由于石油与煤层瓦斯赋存状态不同,因此应积极研发与煤矿环境相适应的高压电脉冲增透设备,对现有设备进行完善,如对电极结构进行密闭,对其他设备添加防爆外壳,采用专用水管或水包的形式解决水环境等,同时研发高性能的传输电缆,积极研制设备进行现场应用,综合分析其对煤层增透的效果。