论文推荐｜林柏泉等：等离子体对煤体选择性破碎的实验与数值模拟分析

作 者

林柏泉1,2,张祥良1,2,李彦君1,2,朱传杰1,2

作者单位

1. 中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室；2. 中国矿业大学 安全工程学院

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研究背景

煤层气作为一种清洁能源,在我国能源消耗中所占比例越来越大,然而我国煤层气赋存具有微孔隙、低渗透、高吸附的特征,严重的制约着煤层气的开采效率。此外,瓦斯在煤矿井下还会引起瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等事故造成人员伤亡。因此,如何有效提高煤层气抽采率,对煤矿瓦斯灾害防治、环境保护和瓦斯资源利用等方面来讲,都具有十分重要的意义。

当前,人为的对煤层进行致裂增透是提高煤层气抽采的主要措施,这些方法主要包括水力压裂、密集钻孔以及保护层开采等措施。但是水力压裂一方面需要消耗大量的水资源,另一方面往往会向水中添加化学物质,这些化学物质可能会对地下水产生污染,甚至会引发小幅地震；密集钻孔则存在着施工困难,施工过程中串钻、卡钻现象频繁发生,且施工成本较高;开采保护层措施条件受限,仅适用于具备煤层群开采条件的矿井,对于单一煤层和煤层群开采的首采层,还需要采取其他有效的卸压增透技术措施。

针对上述煤层气开采过程中存在的问题,提出了一种操作方便、能量密度大、致裂效果好的等离子体致裂煤体技术。等离子体破煤技术是指储能电容器通过放电开关直接在煤体中放电形成等离子体通道产生强大的冲击波和张应力使煤体发生破碎的技术,等离子体放电具有能量密度大、温度高、破坏性强的特点。

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摘 要

为了研究等离子体冲击作用下煤体内部的裂隙扩展规律,利用自主搭建的等离子体冲击实验平台,并通过实验和数值模拟相结合的方法对等离子体冲击作用下煤体的破碎规律进行了研究。

实验中以等离子体破碎的煤体为对象,并结合三维可视化软件Dragonfly提取了红柳烟煤在等离子体作用下的裂隙相、矿物相,深入分析了等离子体冲击后煤体内部裂隙沿着不同方向的扩展规律。

并以数值模拟软件Comsol Multiphysics为基础分析了等离子体冲击作用下含矿物煤体内部的电场强度分布规律。实验结果表明,等离子体冲击作用下在煤体内部形成相互贯通的空间裂隙网络,且裂纹呈现出由电极中心向四周发散的状态,在靠近电极的两端破碎效果较好,表明煤体的破碎效果与电场的集中程度正相关,电场越集中,能量越大,破碎效果越好。

此外,裂隙在轴向和平面上均具有沿着矿物分布的特征,说明在等离子体作用下矿物与煤体分界面处产生了电场的畸变,引发了应力的集中,矿物的分布对裂隙存在着诱导作用。

通过数值模拟验证了煤体中矿物和孔隙的存在对电场存在的影响规律,结果表明电场强度会在介电常数不同的介质中发生畸变,当电场穿过高介电常数的介质时会在介质内部形成较低的场强,当电场穿过低介电常数的介质时会在介质内部形成较高的场强。数值模拟得到的电场畸变的结果是对实验结果补充说明,实验所得到的结论是数值模拟宏观结果的体现与验证。

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文中图片

等离子体冲击实验系统

红柳煤样工业分析和能谱分析

切片提取示意

XY方向切片

XZ与YZ方向切片

电场在不同介质界面畸变示意

矿物与空气在煤中分布示意以及监测线布置位置

单一矿物的电场分布

矿物与空气对称分布的电场分布

矿物与空气交叉分布的电场分布

作者简介

林柏泉，教授、博士生导师，江苏省十大杰出专利发明人。现任中国矿业大学安全工程学院副院长，煤炭资源与安全开采国家重点实验室副主任，国家安全生产专家组专家，中国职业安全健康协会常务理事，中煤劳保学会理事，中煤劳保学会矿井通风专委会副主任，瓦斯防治专委会，江苏省政协委员，教育部安全工程教学指导委员会委员。荣获省部级科技进步一等奖 7项、二等奖2项、煤炭行业十大科技成果奖2项，为我国煤炭行业的科技进步和江苏省的发展作出了重大贡献。 2012年荣获“江苏省十大杰出专利发明人”称号（全省高校仅8名教授入选）。 2017年5月，获得全国创新争先奖。

研究方向

矿井瓦斯防治

主要成果

主持国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项、国家“十五”重点科技攻关项目2项，国家“十一五”科技支撑计划项目1项，国家重点基础研究发展计划（973计划）项目课题1项等国家级项目7项，省部级项目4项和企业委托项目十多项目。获国家级优秀教学成果一等奖1项、省部级科技进步奖16项（其中：一等奖6项、二等奖7项），全国优秀科技图书奖1部和省级优秀图书奖2项。林柏泉教授专利成果丰硕，已累计申请专利84件，已在江苏、安徽、河南等十个省市，徐州、平顶山、淮北、韩城、晋城、潞安等20余个煤业集团公司的65个矿井得到推广应用，经济、社会效益十分显著。1995年以来，在国内外有关刊物如《Combustion, Explosion, and ShockWaves》、《煤炭学报》、《岩土工程学报》、《实验力学》、《中国矿业大学学报》等学术刊物及国际学术会议论文集上发表学术论文200多篇，出版学术专著11部。

来源：

林柏泉,张祥良,李彦君,等. 等离子体对煤体选择性破碎的实验与数值模拟分析[J]. 煤炭学报,2019,44(11):3472-3479.

LIN Baiquan,ZHANG Xiangliang,LI Yanjun,et al. Experiment and simulation of selective cracking of coal samples by plasma[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(11):3472-3479.

责任编辑：陶赛编辑整理：郭晓炜

审 核：常琛

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