高压电脉冲对煤体致裂作用实验研究

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文高压电脉冲对煤体致裂作用实验研究学院：资源与安全工程学院学号：TBP120102046作者：卢红奇学科专业：安全科学与工程导师：聂百胜教授2015年6月中图分类号：DtTD713T密级：单位代码：11413博士学位论文中文题目：高压电脉冲对煤体致裂作用实验研究英文题目：Experimentalresearchonfracturingcoalwithhigh-voltageelectricalpulse作者：卢红奇学号：TBP120102046学科专业：安全科学与工程研究方向：

2、煤矿瓦斯灾害防治导师：聂百胜职称：教授论文提交日期：2015年4月14日论文答辩日期：2015年6月6日学位授予日期：2015年6月24日中国矿业大学（北京）独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国矿业大学（北京）或其他教学机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：.关于论文使用授权的说明本人完全了解中国矿业大学（北京）有关保留、使用

3、学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：.摘要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、

4、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

5、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

6、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

7、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I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