重庆大学蒋长宝教授：高压电脉冲致裂煤岩增透技术研究进展与展望

煤层气是煤炭的伴生、共生气体，在我国煤层中储量丰富。由于其燃烧时具有高热值且排放废气较少，通常可作为清洁能源加以开采利用。但在煤炭开采过程中，煤层气不仅是引发矿井动力灾害的隐患之一，排放到大气中还存在环境污染危害，开发和利用煤层气对保障煤炭安全开采以及环境保护具有重要的战略意义。但我国煤层气储层透气性普遍较低，开采难度较大，发展高效的煤层增透技术，已成为提升煤层透气性实现煤层气高效开采的关键。传统煤层增透技术，如水力化措施、保护层开采、深孔爆破和密集钻孔等，已在煤矿现场应用中取得了一些成效，获得了一定的认可，但由于每种技术均有各自优势和局限性，难以适应不同类型和条件的储层。在“十四五”期间，煤层增透技术受到广泛关注，成为煤炭资源开采领域的研究热点之一，涌现一系列用于煤层增透的新兴技术。其中，高压电脉冲是一种安全、环保且重复可控的煤岩致裂增透技术，在煤层增透领域有广阔的应用前景。

围绕高压电脉冲致裂煤体过程中复杂的电—热—固多物理场耦合机制，国内外学者开展了大量研究，取得了一系列重要进展。重庆大学蒋长宝教授团队结合团队和业内学者多年研究成果，回顾了高压电脉冲技术的基本概念及发展历程，剖析了该技术的致裂增透机制，并围绕放电参数、煤岩电学特性、煤岩矿物分布及孔裂隙特征、赋存条件4个方面详细探讨了其对高压电脉冲效应的影响规律。基于上述分析，总结了该技术在煤岩致裂增透领域的进展和面临的挑战，展望“十五五”及更长远的技术发展需求，提出了未来的研究方向与技术突破路径，以期激发读者思考，推动高压电脉冲技术的创新与发展。

要点1：高压电脉冲致裂煤岩的电破碎机制

高压电脉冲技术的致裂机制主要包括液电效应和电破碎效应。液电效应主导时，高压电脉冲通过击穿正负电极间的液体介质放电，其特征为等离子体通道在液体介质中形成。电破碎效应主导时，正负电极直接接触煤岩表面，煤岩在强电场作用下逐渐丧失电绝缘性，等离子体通道在其内部形成。在能量利用效率方面，相较于液电效应主导，基于电破碎效应的高压电脉冲技术具备更高的能量转换效率。

从固体介质电脉冲击穿角度，可将高压电脉冲击穿煤岩过程划分为电场加载、极化、击穿和稳定4个阶段。在电场加载阶段，随着高压放电开关闭合，高电压施加到煤岩的正电极，两端电极间形成巨大电位差，使煤岩置于强电场中。在外加电场作用下，煤岩内部的自由电荷重新分布，导致极化现象产生。由于部分电场能量消耗于电荷的重新分布，电压曲线出现相对平缓的下降。此时电场能量主要用于极化效应，未引发明显的电流流动，因此回路中电流仍接近零，煤岩保持其高电阻特性，该阶段称为极化阶段。随着极化现象持续，煤岩内局部场强不断增加，为等离子体通道的形成创造了条件，煤岩进入击穿阶段。当局部场强达到临界值时，煤岩内部出现局部电离和电子雪崩效应，标志着等离子体通道的初步形成。此时，电压曲线呈现加速下降趋势，电流曲线则明显上升，表明局部导电通道逐渐建立。随着电子雪崩效应的发展，煤岩内放电模式逐渐从电子雪崩转变为流注放电，等离子体通道进一步扩展并最终形成。此时，煤岩电阻显著降低，导电路径趋于稳定，煤岩被完全击穿。随着导电路径的建立，电压迅速下降，大量电能经等离子体通道迅速释放，电流曲线急剧上升。等离子体通道充分发展后，煤岩进入稳定阶段。由于能量的释放，施加在煤岩上的电场难以长时间维持在高水平，等离子体通道逐渐消散，电流迅速下降，煤岩电阻性逐步恢复。由于电路中含有电容和电感元件，电流和电压呈现振荡下降的特性，最终衰减并趋于稳定。

高压电脉冲击穿煤岩过程

根据爆炸动力学理论，结合应力波在传播中的衰减特性及其对煤岩的作用，可将高压电脉冲放电致裂煤岩的区域分为破碎区、径向破裂区和弹性变形区破碎区位于等离子体通道附近，是应力波的初始作用区域。该区域内，应力波强度远超煤体抗压强度和抗拉强度，形成破碎区。在破碎区内，煤岩裂隙短小密集且相互交错，裂隙网络高度发育，为瓦斯流动提供了充足空间。随着应力波进一步以指数衰减形式传播，煤岩在拉伸和剪切破坏作用下，径向裂隙逐渐起裂、扩展并连通，形成径向破裂区。径向裂隙提高了煤体渗透性，为瓦斯运移提供了通道。当应力波进一步衰减至弹性变形区时，虽不足以引发煤岩裂隙扩展，但可通过应力扰动促进瓦斯解吸，改善气体流动性，提高瓦斯抽采效率。

要点2：高压电脉冲致裂煤岩的影响因素

放电参数方面：高放电电压使煤岩处于强电场中，降低煤岩击穿难度，并通过调控等离子体通道影响裂纹萌生与扩展。电压升高促使煤体破裂形态由单一裂隙演变为复杂网络，直至完全破裂。然而，电压超过阈值后，煤岩破碎程度趋于平缓。多次放电造成的累积损伤虽能持续促进煤岩破碎，但破碎颗粒会有堵塞气体通道的风险，不仅削弱煤岩增透效果，还降低能源利用效率。增大电容值可提高煤岩致裂后的孔隙率，优化电极布置与材料可改善电场分布与能量效率。

煤岩电学特性方面：煤是由煤基质构成骨架、内含无机矿物的多孔半导体介质，其电学特性直接控制击穿难度、等离子体通道形成及能量注入效率。金属离子溶液处理煤岩可有效降低其击穿电压，改善孔隙结构与裂隙网络，促进瓦斯解吸运移。升温可提高煤岩电导率，加速击穿过程，同时增强峰值电流、热膨胀效应及应力波强度，提升致裂效率并促进裂纹扩展。通过增强煤岩导电性以降低其击穿难度，是减少该技术能量消耗的有效途径。

煤岩矿物分布及孔裂隙特征方面：煤岩击穿过程中，煤基质、矿物与原生裂隙间的介电常数差异引发电场畸变，诱导等离子体通道选择性生成。击穿初期，等离子体通道优先在电极附近产生。而在通道发展过程中，通道局部优先沿孔裂隙交界的场强集中区域发展，而整体方向受矿物富集区的诱导。击穿后，煤岩裂纹则优先沿煤基质—矿物交界面萌生，绕行高强度矿物。

赋存条件方面：地应力场对该技术作用效果的影响主要体现在击穿过程及击穿后对孔裂隙闭合程度的调控上。通常，地应力会抑制裂隙扩展，煤体渗透率降低；当气体压力低于2 MPa时，煤体在被高压电脉冲致裂后渗透率会有数量级的显著提升，但致裂后的渗透率可能会随气体压力升高呈下降趋势。

要点3：技术发展的关键问题

（1）测试信息获取难度大。当前，高压电脉冲击穿煤体试验过程中参数信息获取主要集中于电流与电压信号。然而，这些电路信号作为间接信息，难以直接反映煤体致裂的动力学过程。煤样击穿时间极短，周期通常在纳秒至微秒量级，且试验时煤样处于强电场中，击穿通常伴随强烈的放电和放热现象，阻碍了试验过程中测试信息的获取。

（2）机理不明。尽管已有研究证明高压电脉冲技术在致裂煤岩增透中的有效性，但其致裂增透机理仍不明晰。特别是在等离子体通道诱导裂纹生成与扩展方面，现有理论多借鉴炸药爆破的冲击波理论，难以全面深入解释电场与热场对裂隙网络的复杂影响。

（3）击穿场强高。煤体击穿场强高，是高压电脉冲技术工程应用中的主要难题之一，这不仅对设备的稳定性和耐用性提出更高要求，还限制了技术的应用场景。此外，在复杂现场环境下，设备长期可靠运行仍是一大挑战。

要点4：技术发展重点研究方向

（1）发展高压电脉冲致裂煤岩实时监测技术。未来研究应重点聚焦于高频信号采集设备的创新设计，充分融合材料科学、电子信息等学科的前沿成果，提升设备在高电压环境下的电磁兼容性与抗干扰能力，保障高精度数据采集的稳定性。此外，需构建多传感器协同监测系统，通过集成应力、声发射、温度、压力等高灵敏度传感器，实现对煤岩致裂全过程的实时动态监测，捕捉关键物理量的演化特征，为揭示高压电脉冲作用下的煤岩动态破裂机制提供精准可靠的试验依据。

（2）建立高精度热流固化电多物理场耦合模型。未来仍需着力于深化对等离子体通道演化、应力波传播与裂隙扩展跨尺度耦合机制等关键理论的理解。在此基础上，构建高精度的热流固化电多物理场耦合模型。此外，应引入基于深度学习的图像识别技术与人工智能算法，提升煤体裂隙形态、孔隙结构及渗流特征的识别与解析能力，深入挖掘脉冲放电参数与致裂增透效果间的内在关联，完善高压电脉冲作用下煤岩致裂增透效果的量化表征体系，为该技术的工程应用提供理论支撑。

（3）探索高压电脉冲协同多种技术致裂煤岩增透。我国煤层物性及赋存条件复杂多样，单一的高压电脉冲增透技术有时难以在所有煤层均取得理想效果。未来研究可探索高压电脉冲技术与水力致裂、注热致裂等多种增透技术的协同应用模式，开发诸如“酸化压裂协同高压电脉冲致裂煤岩体”等多技术联合的协同增透技术体系。并结合不同地区煤层赋存条件优化增透策略，逐步完善配套装备体系，最终根据目标地质环境形成最适配的现场应用技术。

学者风采

验室主任。《金属矿山》青年专家学术委员，《地质与勘探》、《成都理工大学学报（自然科学版）》青年编委，成都理工大学首届优秀研究生导师团队成员，“自然资源部西藏主要成矿带大型-特大型矿床勘查评价和研究科技创新团队”和“自然资源部高层次科技创新人才工程科技创新团队”骨干成员，主要从事青藏高原及周缘铜多金属矿床的研究与找矿勘查工作，先后参与多个大型-超大型矿床的勘查评价，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划专题、四川省自然科学基金及各类横向项目10余项，发表文章70余篇，主编专著2部，参编教材2部

蒋长宝

博士，重庆大学教授、博士研究生导师，兼任四川省国际科技合作基地副主任，重庆大学采矿工程系书记、主任。主要从事煤矿动力灾害防治和碳封存等方面的研究工作。主持国家自然科学基金项目5项，以第一作者或通讯作者发表学术论文77篇，出版学术专著3部，获省部和协会一等奖8项、省二等奖1项。

成果来源

蒋长宝,吴家耀,闫发志,彭守建.高压电脉冲致裂煤岩增透技术研究进展与展望[J].金属矿山,2025(5):51-63.

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

编排：余思晨

审核：王小兵

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