煤層氣是煤炭的伴生、共生氣體，在我國煤層中儲量豐富。由于其燃燒時具有高熱值且排放廢氣較少，通?？勺鳛榍鍧嵞茉醇右蚤_采利用。但在煤炭開采過程中，煤層氣不僅是引發(fā)礦井動力災(zāi)害的隱患之一，排放到大氣中還存在環(huán)境污染危害，開發(fā)和利用煤層氣對保障煤炭安全開采以及環(huán)境保護(hù)具有重要的戰(zhàn)略意義。但我國煤層氣儲層透氣性普遍較低，開采難度較大，發(fā)展高效的煤層增透技術(shù)，已成為提升煤層透氣性實(shí)現(xiàn)煤層氣高效開采的關(guān)鍵。傳統(tǒng)煤層增透技術(shù)，如水力化措施、保護(hù)層開采、深孔爆破和密集鉆孔等，已在煤礦現(xiàn)場應(yīng)用中取得了一些成效，獲得了一定的認(rèn)可，但由于每種技術(shù)均有各自優(yōu)勢和局限性，難以適應(yīng)不同類型和條件的儲層。在“十四五”期間，煤層增透技術(shù)受到廣泛關(guān)注，成為煤炭資源開采領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，涌現(xiàn)一系列用于煤層增透的新興技術(shù)。其中，高壓電脈沖是一種安全、環(huán)保且重復(fù)可控的煤巖致裂增透技術(shù)，在煤層增透領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

圍繞高壓電脈沖致裂煤體過程中復(fù)雜的電—熱—固多物理場耦合機(jī)制，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，取得了一系列重要進(jìn)展。重慶大學(xué)蔣長寶教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合團(tuán)隊(duì)和業(yè)內(nèi)學(xué)者多年研究成果，回顧了高壓電脈沖技術(shù)的基本概念及發(fā)展歷程，剖析了該技術(shù)的致裂增透機(jī)制，并圍繞放電參數(shù)、煤巖電學(xué)特性、煤巖礦物分布及孔裂隙特征、賦存條件4個方面詳細(xì)探討了其對高壓電脈沖效應(yīng)的影響規(guī)律?；谏鲜龇治?，總結(jié)了該技術(shù)在煤巖致裂增透領(lǐng)域的進(jìn)展和面臨的挑戰(zhàn)，展望“十五五”及更長遠(yuǎn)的技術(shù)發(fā)展需求，提出了未來的研究方向與技術(shù)突破路徑，以期激發(fā)讀者思考，推動高壓電脈沖技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。

要點(diǎn)1：高壓電脈沖致裂煤巖的電破碎機(jī)制

高壓電脈沖技術(shù)的致裂機(jī)制主要包括液電效應(yīng)和電破碎效應(yīng)。液電效應(yīng)主導(dǎo)時，高壓電脈沖通過擊穿正負(fù)電極間的液體介質(zhì)放電，其特征為等離子體通道在液體介質(zhì)中形成。電破碎效應(yīng)主導(dǎo)時，正負(fù)電極直接接觸煤巖表面，煤巖在強(qiáng)電場作用下逐漸喪失電絕緣性，等離子體通道在其內(nèi)部形成。在能量利用效率方面，相較于液電效應(yīng)主導(dǎo)，基于電破碎效應(yīng)的高壓電脈沖技術(shù)具備更高的能量轉(zhuǎn)換效率。

從固體介質(zhì)電脈沖擊穿角度，可將高壓電脈沖擊穿煤巖過程劃分為電場加載、極化、擊穿和穩(wěn)定4個階段。在電場加載階段，隨著高壓放電開關(guān)閉合，高電壓施加到煤巖的正電極，兩端電極間形成巨大電位差，使煤巖置于強(qiáng)電場中。在外加電場作用下，煤巖內(nèi)部的自由電荷重新分布，導(dǎo)致極化現(xiàn)象產(chǎn)生。由于部分電場能量消耗于電荷的重新分布，電壓曲線出現(xiàn)相對平緩的下降。此時電場能量主要用于極化效應(yīng)，未引發(fā)明顯的電流流動，因此回路中電流仍接近零，煤巖保持其高電阻特性，該階段稱為極化階段。隨著極化現(xiàn)象持續(xù)，煤巖內(nèi)局部場強(qiáng)不斷增加，為等離子體通道的形成創(chuàng)造了條件，煤巖進(jìn)入擊穿階段。當(dāng)局部場強(qiáng)達(dá)到臨界值時，煤巖內(nèi)部出現(xiàn)局部電離和電子雪崩效應(yīng)，標(biāo)志著等離子體通道的初步形成。此時，電壓曲線呈現(xiàn)加速下降趨勢，電流曲線則明顯上升，表明局部導(dǎo)電通道逐漸建立。隨著電子雪崩效應(yīng)的發(fā)展，煤巖內(nèi)放電模式逐漸從電子雪崩轉(zhuǎn)變?yōu)榱髯⒎烹?，等離子體通道進(jìn)一步擴(kuò)展并最終形成。此時，煤巖電阻顯著降低，導(dǎo)電路徑趨于穩(wěn)定，煤巖被完全擊穿。隨著導(dǎo)電路徑的建立，電壓迅速下降，大量電能經(jīng)等離子體通道迅速釋放，電流曲線急劇上升。等離子體通道充分發(fā)展后，煤巖進(jìn)入穩(wěn)定階段。由于能量的釋放，施加在煤巖上的電場難以長時間維持在高水平，等離子體通道逐漸消散，電流迅速下降，煤巖電阻性逐步恢復(fù)。由于電路中含有電容和電感元件，電流和電壓呈現(xiàn)振蕩下降的特性，最終衰減并趨于穩(wěn)定。

高壓電脈沖擊穿煤巖過程

根據(jù)爆炸動力學(xué)理論，結(jié)合應(yīng)力波在傳播中的衰減特性及其對煤巖的作用，可將高壓電脈沖放電致裂煤巖的區(qū)域分為破碎區(qū)、徑向破裂區(qū)和彈性變形區(qū)破碎區(qū)位于等離子體通道附近，是應(yīng)力波的初始作用區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力波強(qiáng)度遠(yuǎn)超煤體抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，形成破碎區(qū)。在破碎區(qū)內(nèi)，煤巖裂隙短小密集且相互交錯，裂隙網(wǎng)絡(luò)高度發(fā)育，為瓦斯流動提供了充足空間。隨著應(yīng)力波進(jìn)一步以指數(shù)衰減形式傳播，煤巖在拉伸和剪切破壞作用下，徑向裂隙逐漸起裂、擴(kuò)展并連通，形成徑向破裂區(qū)。徑向裂隙提高了煤體滲透性，為瓦斯運(yùn)移提供了通道。當(dāng)應(yīng)力波進(jìn)一步衰減至彈性變形區(qū)時，雖不足以引發(fā)煤巖裂隙擴(kuò)展，但可通過應(yīng)力擾動促進(jìn)瓦斯解吸，改善氣體流動性，提高瓦斯抽采效率。

要點(diǎn)2：高壓電脈沖致裂煤巖的影響因素

放電參數(shù)方面：高放電電壓使煤巖處于強(qiáng)電場中，降低煤巖擊穿難度，并通過調(diào)控等離子體通道影響裂紋萌生與擴(kuò)展。電壓升高促使煤體破裂形態(tài)由單一裂隙演變?yōu)閺?fù)雜網(wǎng)絡(luò)，直至完全破裂。然而，電壓超過閾值后，煤巖破碎程度趨于平緩。多次放電造成的累積損傷雖能持續(xù)促進(jìn)煤巖破碎，但破碎顆粒會有堵塞氣體通道的風(fēng)險，不僅削弱煤巖增透效果，還降低能源利用效率。增大電容值可提高煤巖致裂后的孔隙率，優(yōu)化電極布置與材料可改善電場分布與能量效率。

煤巖電學(xué)特性方面：煤是由煤基質(zhì)構(gòu)成骨架、內(nèi)含無機(jī)礦物的多孔半導(dǎo)體介質(zhì)，其電學(xué)特性直接控制擊穿難度、等離子體通道形成及能量注入效率。金屬離子溶液處理煤巖可有效降低其擊穿電壓，改善孔隙結(jié)構(gòu)與裂隙網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)瓦斯解吸運(yùn)移。升溫可提高煤巖電導(dǎo)率，加速擊穿過程，同時增強(qiáng)峰值電流、熱膨脹效應(yīng)及應(yīng)力波強(qiáng)度，提升致裂效率并促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。通過增強(qiáng)煤巖導(dǎo)電性以降低其擊穿難度，是減少該技術(shù)能量消耗的有效途徑。

煤巖礦物分布及孔裂隙特征方面：煤巖擊穿過程中，煤基質(zhì)、礦物與原生裂隙間的介電常數(shù)差異引發(fā)電場畸變，誘導(dǎo)等離子體通道選擇性生成。擊穿初期，等離子體通道優(yōu)先在電極附近產(chǎn)生。而在通道發(fā)展過程中，通道局部優(yōu)先沿孔裂隙交界的場強(qiáng)集中區(qū)域發(fā)展，而整體方向受礦物富集區(qū)的誘導(dǎo)。擊穿后，煤巖裂紋則優(yōu)先沿煤基質(zhì)—礦物交界面萌生，繞行高強(qiáng)度礦物。

賦存條件方面：地應(yīng)力場對該技術(shù)作用效果的影響主要體現(xiàn)在擊穿過程及擊穿后對孔裂隙閉合程度的調(diào)控上。通常，地應(yīng)力會抑制裂隙擴(kuò)展，煤體滲透率降低；當(dāng)氣體壓力低于2 MPa時，煤體在被高壓電脈沖致裂后滲透率會有數(shù)量級的顯著提升，但致裂后的滲透率可能會隨氣體壓力升高呈下降趨勢。

要點(diǎn)3：技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題

（1）測試信息獲取難度大。當(dāng)前，高壓電脈沖擊穿煤體試驗(yàn)過程中參數(shù)信息獲取主要集中于電流與電壓信號。然而，這些電路信號作為間接信息，難以直接反映煤體致裂的動力學(xué)過程。煤樣擊穿時間極短，周期通常在納秒至微秒量級，且試驗(yàn)時煤樣處于強(qiáng)電場中，擊穿通常伴隨強(qiáng)烈的放電和放熱現(xiàn)象，阻礙了試驗(yàn)過程中測試信息的獲取。

（2）機(jī)理不明。盡管已有研究證明高壓電脈沖技術(shù)在致裂煤巖增透中的有效性，但其致裂增透機(jī)理仍不明晰。特別是在等離子體通道誘導(dǎo)裂紋生成與擴(kuò)展方面，現(xiàn)有理論多借鑒炸藥爆破的沖擊波理論，難以全面深入解釋電場與熱場對裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜影響。

（3）擊穿場強(qiáng)高。煤體擊穿場強(qiáng)高，是高壓電脈沖技術(shù)工程應(yīng)用中的主要難題之一，這不僅對設(shè)備的穩(wěn)定性和耐用性提出更高要求，還限制了技術(shù)的應(yīng)用場景。此外，在復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境下，設(shè)備長期可靠運(yùn)行仍是一大挑戰(zhàn)。

要點(diǎn)4：技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)研究方向

（1）發(fā)展高壓電脈沖致裂煤巖實(shí)時監(jiān)測技術(shù)。未來研究應(yīng)重點(diǎn)聚焦于高頻信號采集設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計，充分融合材料科學(xué)、電子信息等學(xué)科的前沿成果，提升設(shè)備在高電壓環(huán)境下的電磁兼容性與抗干擾能力，保障高精度數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。此外，需構(gòu)建多傳感器協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)，通過集成應(yīng)力、聲發(fā)射、溫度、壓力等高靈敏度傳感器，實(shí)現(xiàn)對煤巖致裂全過程的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，捕捉關(guān)鍵物理量的演化特征，為揭示高壓電脈沖作用下的煤巖動態(tài)破裂機(jī)制提供精準(zhǔn)可靠的試驗(yàn)依據(jù)。

（2）建立高精度熱流固化電多物理場耦合模型。未來仍需著力于深化對等離子體通道演化、應(yīng)力波傳播與裂隙擴(kuò)展跨尺度耦合機(jī)制等關(guān)鍵理論的理解。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建高精度的熱流固化電多物理場耦合模型。此外，應(yīng)引入基于深度學(xué)習(xí)的圖像識別技術(shù)與人工智能算法，提升煤體裂隙形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)及滲流特征的識別與解析能力，深入挖掘脈沖放電參數(shù)與致裂增透效果間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，完善高壓電脈沖作用下煤巖致裂增透效果的量化表征體系，為該技術(shù)的工程應(yīng)用提供理論支撐。

（3）探索高壓電脈沖協(xié)同多種技術(shù)致裂煤巖增透。我國煤層物性及賦存條件復(fù)雜多樣，單一的高壓電脈沖增透技術(shù)有時難以在所有煤層均取得理想效果。未來研究可探索高壓電脈沖技術(shù)與水力致裂、注熱致裂等多種增透技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用模式，開發(fā)諸如“酸化壓裂協(xié)同高壓電脈沖致裂煤巖體”等多技術(shù)聯(lián)合的協(xié)同增透技術(shù)體系。并結(jié)合不同地區(qū)煤層賦存條件優(yōu)化增透策略，逐步完善配套裝備體系，最終根據(jù)目標(biāo)地質(zhì)環(huán)境形成最適配的現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)。

學(xué)者風(fēng)采

驗(yàn)室主任。《金屬礦山》青年專家學(xué)術(shù)委員，《地質(zhì)與勘探》、《成都理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》青年編委，成都理工大學(xué)首屆優(yōu)秀研究生導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)成員，“自然資源部西藏主要成礦帶大型-特大型礦床勘查評價和研究科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”和“自然資源部高層次科技創(chuàng)新人才工程科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”骨干成員，主要從事青藏高原及周緣銅多金屬礦床的研究與找礦勘查工作，先后參與多個大型-超大型礦床的勘查評價，主持國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃專題、四川省自然科學(xué)基金及各類橫向項(xiàng)目10余項(xiàng)，發(fā)表文章70余篇，主編專著2部，參編教材2部

蔣長寶

博士，重慶大學(xué)教授、博士研究生導(dǎo)師，兼任四川省國際科技合作基地副主任，重慶大學(xué)采礦工程系書記、主任。主要從事煤礦動力災(zāi)害防治和碳封存等方面的研究工作。主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目5項(xiàng)，以第一作者或通訊作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文77篇，出版學(xué)術(shù)專著3部，獲省部和協(xié)會一等獎8項(xiàng)、省二等獎1項(xiàng)。

成果來源

蔣長寶,吳家耀,閆發(fā)志,彭守建.高壓電脈沖致裂煤巖增透技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].金屬礦山,2025(5):51-63.

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會主辦，主編為中國工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強(qiáng)報刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

編排：余思晨

審核：王小兵

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