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，通常可作為清潔能源加以開采利用。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，已成為提升煤層透氣性實現煤層氣高效開采的關鍵。傳統(tǒng)煤層增透技術，如水力化措施、保護層開采、深孔爆破和密集鉆孔等，已在煤礦現場應用中取得了一些成效，獲得了一定的認可，但由于每種技術均有各自優(yōu)勢和局限性，難以適應不同類型和條件的儲層。在“十四五”期間，煤層增透技術受到廣泛關注，成為煤炭資源開采領域的研究熱點之一，涌現一系列用于煤層增透的新興技術。其中，高壓電脈沖是一種安全、環(huán)保且重復可控的煤巖致裂增透技術，在煤層增透領域有廣闊的應用前景。

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

要點1：高壓電脈沖致裂煤巖的電破碎機制

高壓電脈沖技術的致裂機制主要包括液電效應和電破碎效應。液電效應主導時，高壓電脈沖通過擊穿正負電極間的液體介質放電，其特征為等離子體通道在液體介質中形成。電破碎效應主導時，正負電極直接接觸煤巖表面，煤巖在強電場作用下逐漸喪失電絕緣性，等離子體通道在其內部形成。在能量利用效率方面，相較于液電效應主導，基于電破碎效應的高壓電脈沖技術具備更高的能量轉換效率。

從固體介質電脈沖擊穿角度，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，使煤巖置于強電場中。在外加電場作用下，煤巖內部的自由電荷重新分布，導致極化現象產生。由于部分電場能量消耗于電荷的重新分布，電壓曲線出現相對平緩的下降。此時電場能量主要用于極化效應，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。隨著極化現象持續(xù)，煤巖內局部場強不斷增加，為等離子體通道的形成創(chuàng)造了條件，煤巖進入擊穿階段。當局部場強達到臨界值時，煤巖內部出現局部電離和電子雪崩效應，標志著等離子體通道的初步形成。此時，電壓曲線呈現加速下降趨勢，電流曲線則明顯上升，表明局部導電通道逐漸建立。隨著電子雪崩效應的發(fā)展，煤巖內放電模式逐漸從電子雪崩轉變?yōu)榱髯⒎烹?，等離子體通道進一步擴展并最終形成。此時，煤巖電阻顯著降低，導電路徑趨于穩(wěn)定，煤巖被完全擊穿。隨著導電路徑的建立，電壓迅速下降，大量電能經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。由于電路中含有電容和電感元件，電流和電壓呈現振蕩下降的特性，最終衰減并趨于穩(wěn)定。

高壓電脈沖擊穿煤巖過程

根據爆炸動力學理論，結合應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，是應力波的初始作用區(qū)域。該區(qū)域內，應力波強度遠超煤體抗壓強度和抗拉強度，形成破碎區(qū)。在破碎區(qū)內，煤巖裂隙短小密集且相互交錯，裂隙網絡高度發(fā)育，為瓦斯流動提供了充足空間。隨著應力波進一步以指數衰減形式傳播，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，為瓦斯運移提供了通道。當應力波進一步衰減至彈性變形區(qū)時，雖不足以引發(fā)煤巖裂隙擴展，但可通過應力擾動促進瓦斯解吸，改善氣體流動性，提高瓦斯抽采效率。

要點2：高壓電脈沖致裂煤巖的影響因素

放電參數方面：高放電電壓使煤巖處于強電場中，降低煤巖擊穿難度，并通過調控等離子體通道影響裂紋萌生與擴展。電壓升高促使煤體破裂形態(tài)由單一裂隙演變?yōu)閺碗s網絡，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)促進煤巖破碎，但破碎顆粒會有堵塞氣體通道的風險，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。

煤巖電學特性方面：煤是由煤基質構成骨架、內含無機礦物的多孔半導體介質，其電學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，改善孔隙結構與裂隙網絡，促進瓦斯解吸運移。升溫可提高煤巖電導率，加速擊穿過程，同時增強峰值電流、熱膨脹效應及應力波強度，提升致裂效率并促進裂紋擴展。通過增強煤巖導電性以降低其擊穿難度，是減少該技術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、礦物與原生裂隙間的介電常數差異引發(fā)電場畸變，誘導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集中區(qū)域發(fā)展，而整體方向受礦物富集區(qū)的誘導。擊穿后，煤巖裂紋則優(yōu)先沿煤基質—礦物交界面萌生，繞行高強度礦物。

賦存條件方面：地應力場對該技術作用效果的影響主要體現在擊穿過程及擊穿后對孔裂隙閉合程度的調控上。通常，地應力會抑制裂隙擴展，煤體滲透率降低；當氣體壓力低于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3：技術發(fā)展的關鍵問題

（1）測試信息獲取難度大。當前，高壓電脈沖擊穿煤體試驗過程中參數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，且試驗時煤樣處于強電場中，擊穿通常伴隨強烈的放電和放熱現象，阻礙了試驗過程中測試信息的獲取。

（2）機理不明。盡管已有研究證明高壓電脈沖技術在致裂煤巖增透中的有效性，但其致裂增透機理仍不明晰。特別是在等離子體通道誘導裂紋生成與擴展方面，現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絡的復雜影響。

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

要點4：技術發(fā)展重點研究方向

（1）發(fā)展高壓電脈沖致裂煤巖實時監(jiān)測技術。未來研究應重點聚焦于高頻信號采集設備的創(chuàng)新設計，充分融合材料科學、電子信息等學科的前沿成果，提升設備在高電壓環(huán)境下的電磁兼容性與抗干擾能力，保障高精度數據采集的穩(wěn)定性。此外，需構建多傳感器協同監(jiān)測系統(tǒng)，通過集成應力、聲發(fā)射、溫度、壓力等高靈敏度傳感器，實現對煤巖致裂全過程的實時動態(tài)監(jiān)測，捕捉關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)破裂機制提供精準可靠的試驗依據。

（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、應力波傳播與裂隙擴展跨尺度耦合機制等關鍵理論的理解。在此基礎上，構建高精度的熱流固化電多物理場耦合模型。此外，應引入基于深度學習的圖像識別技術與人工智能算法，提升煤體裂隙形態(tài)、孔隙結構及滲流特征的識別與解析能力，深入挖掘脈沖放電參數與致裂增透效果間的內在關聯，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，為該技術的工程應用提供理論支撐。

（3）探索高壓電脈沖協同多種技術致裂煤巖增透。我國煤層物性及賦存條件復雜多樣，單一的高壓電脈沖增透技術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與水力致裂、注熱致裂等多種增透技術的協同應用模式，開發(fā)諸如“酸化壓裂協同高壓電脈沖致裂煤巖體”等多技術聯合的協同增透技術體系。并結合不同地區(qū)煤層賦存條件優(yōu)化增透策略，逐步完善配套裝備體系，最終根據目標地質環(huán)境形成最適配的現場應用技術。

學者風采

驗室主任。《金屬礦山》青年專家學術委員，《地質與勘探》、《成都理工大學學報（自然科學版）》青年編委，成都理工大學首屆優(yōu)秀研究生導師團隊成員，“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)新團隊”和“自然資源部高層次科技創(chuàng)新人才工程科技創(chuàng)新團隊”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，主持國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃專題、四川省自然科學基金及各類橫向項目10余項，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，重慶大學教授、博士研究生導師，兼任四川省國際科技合作基地副主任，重慶大學采礦工程系書記、主任。主要從事煤礦動力災害防治和碳封存等方面的研究工作。主持國家自然科學基金項目5項，以第一作者或通訊作者發(fā)表學術論文77篇，出版學術專著3部，獲省部和協會一等獎8項、省二等獎1項。

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研究進展與展望[J].金屬礦山,2025(5):51-63.

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現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頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數據庫（JST）等世界著名數據庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質勘探等領域具有重大學術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目資助的高水平研究成果。根據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)工程技術學科核心期刊第1位；根據中國知網發(fā)布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

編排：余思晨

審核：王小兵

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