CN114166928B - 一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法，适用于等离子体技术领域。该方法包括：对煤层放电；根据电压电流波形获取相关电信号参数；将煤层放电分为首次放电情况和非首次放电情况进行电信号参数的判断，若电信号参数均符合限值要求则将煤层视为成功击穿，否则将煤层视为未击穿；输出击穿结果，继续对煤层放电，重复上述步骤，在煤层击穿成功次数达一定数值，且相关电信号参数值稳定时，结束对煤层的放电。本发明通过分析等离子体放电过程中的电压电流波形图，判断放电区域内的煤层是否被成功击穿，无需实地探查具有高压电危险的现场，判定过程方便快捷，安全高效。

Description

一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，特别是一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法。

背景技术

煤炭作为我国的能源支柱，长期占据主导地位。等离子体致裂煤体技术作为一种新型煤层增透技术，不同于深孔松动爆破、水力压裂等传统煤层增透手段存在水锁效应和微裂隙较少的弊端，等离子体致裂煤体技术具有密度高、破坏性强、绿色可控的优势，能够显著提高瓦斯抽采效率，进而保障煤炭安全生产。

除了煤炭开采领域，等离子体技术还广泛应用于岩石破碎、管道除垢、石油以及页岩气开采等。等离子体技术的基础是脉冲功率技术，其实质是将脉冲能量(通常为几百千焦耳至几十兆焦耳)在时间尺度上进行压缩，从而得到超过10⁶W的大功率。等离子体技术具有高电压、大电流、高功率的特点，在获得显著的应用效果之外，增加了高压电的危险，给现场运行效果判断带来了困难。此外，随着等离子体放电次数的大量增加，煤层致裂效果不再提高，趋向于维持一个稳定状态，此时继续进行放电，只会消耗能量，不能有效改善致裂效果。为进一步推广等离子体致裂煤体技术，现急需一种技术方法追踪煤层在等离子体放电过程中的实况，包括煤层是否击穿以及何时结束放电。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法，该方法通过分析等离子体放电过程中的电压电流波形图，判断放电区域内的煤层是否被成功击穿，以及选出既能保证显著的煤层致裂效果又不浪费能量的时机结束放电，从而实现等离子体技术的安全高效应用。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法，包括以下步骤：

步骤(1)、初始化：K＝0；I_{max 0}＝0；P＝0；其中，K为标记参数，I_{max 0}为峰值电流的初始值，P为成功放电的次数；

步骤(2)、如果K＝1，则n＝n+1，开始对煤层进行第n+1次放电，执行步骤(3)；如果K不等于1，则n＝1，开始对煤层进行第1次放电，执行步骤(3)；

步骤(3)、设置预设电压值U_d；

步骤(4)、采用煤体致裂系统对煤层进行放电，采集放电过程中的电压、电流信号，并依据电压、电流信号记录电压波形图、电流波形图；

步骤(5)、根据电压波形图、电流波形图中的电压、电流波形，获取第n次放电时峰值电流I_{max n}和最终电压U_e；

步骤(6)、判断煤层是否为首次放电：如果n＝1，煤层属于首次放电，则执行步骤(6-1)，如果n不等于1，煤层不属于首次放电，则执行步骤(6-2)；

步骤(6-1)、判断电压波形图中是否存在预击穿周期，如果存在预击穿周期，则执行步骤(6-2)，如果不存在预击穿周期，则执行步骤(6-3)；

步骤(6-2)、如果最终电压U_e和峰值电流I_{max n}满足条件则执行步骤(6-4)，不满足此条件则执行步骤(6-3)；其中，条件是指U_e≤X*U_d且I_{max n}>Y，参数X是0～20％之间的有理数，参数Y的取值范围为200A～1000A；

步骤(6-3)、煤层未击穿，标记K＝0，重复步骤(2)，开始新一轮的煤层放电；

步骤(6-4)、I_{max n}与第n-1次放电的峰值电流I_{max n-1}进行比较，如果|I_{max n}-I_{max n-1}|<Z，则执行步骤(6-5)，如|I_{max n}-I_{max n-1}|≥Z，则令P＝0并执行步骤(6-6)；其中，参数Z的取值范围为0.01～20A；

步骤(6-5)、令P＝P+1，如果P>W，则煤层击穿成功，结束放电，如P≤W则执行步骤(6-6)；其中，参数W的取值范围为10～30；

步骤(6-6)、煤层击穿成功，标记K＝1，重复步骤(2)，开始后续的煤层放电。

作为本发明所述的一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法进一步优化方案，煤体致裂系统包括正电极钻孔、正电极、负电极钻孔、负电极、罗氏线圈、电容器、保护电阻、高压电源、高压测试棒、示波器和放电开关，其中，

所述高压电源的输出端与保护电阻的输入端相连，所述保护电阻的输出端与电容器的输入端、负电极分别相连，所述电容器的输出端与高压电源的输入端、放电开关的输入端分别相连，所述放电开关的输出端与正电极相连，所述正电极和负电极分别布置在正电极钻孔和负电极钻孔，所述正电极钻孔和负电极钻孔布置在煤层中，所述示波器与罗氏线圈和高压测试棒相连，所述罗氏线圈布置在负电极的输入端连接线，所述高压测试棒布置在正电极的输入端连接线。

作为本发明所述的一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法进一步优化方案，步骤3中采用煤体致裂系统对煤层进行放电的具体过程如下：

打开高压电源对电容器进行充电，电容器两端电压达到预设电压值时，中断充电，放电开关闭合，电路接通，电容器放电，电能通过正电极与负电极对煤层进行释放，放电开关断开，放电过程结束；高压测试棒、罗氏线圈采集放电过程中的电压、电流信号，示波器记录电压、电流波形。

作为本发明所述的一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法进一步优化方案，放电开关闭合的瞬间，电压发生阶跃变化的时刻为电压电流波形的零时刻。

作为本发明所述的一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法进一步优化方案，正电极和负电极与煤层紧密接触。

作为本发明所述的一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法进一步优化方案，I_{max n}是取电流波形中的最大值作为峰值电流。

作为本发明所述的一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法进一步优化方案，预击穿周期的范围为零时刻至电压波形在预设电压值附近的转折时刻。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明通过分析等离子体放电过程中的电压电流波形图，判断出放电区域内的煤层是否被成功击穿，有效避免了现场查验煤层击穿情况的高压电危险，判定过程在实现安全的基础上既准确又便捷；

(2)此外，本发明设定了结束放电的时机，在保障显著的煤层致裂效果的前提下实现了能量的高效化利用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的等离子体致裂煤体示意图；

图3为本发明实施例提供的煤体在不同次数放电过程中的电压波形图；其中，(a)为对煤体放电1至10次的电压波形图，(b)为对煤体放电11至20次的电压波形图；

图4为本发明实施例提供的煤体在不同次数放电过程中的电流波形图；其中，(a)为对煤体放电1至10次的电流波形图，(b)为对煤体放电11至20次的电流波形图；

图5为本发明实施例提供的煤体在不同放电次数时的峰值电流。

附图标记说明：

1-煤层，2-正电极钻孔，3-正电极，4-负电极钻孔，5-负电极，6-罗氏线圈，7-电容器，8-保护电阻，9-高压电源，10-高压测试棒，11-示波器，12-放电开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明提出一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法，包括以下步骤：

步骤(1)、初始化：K＝0；I_{max 0}＝0；P＝0；其中，K为标记参数，I_{max 0}为峰值电流的初始值，P为成功放电的次数；

步骤(2)、如果K＝1，则n＝n+1，开始对煤层进行第n+1次放电，执行步骤(3)；如果K不等于1，则n＝1，开始对煤层进行第1次放电，执行步骤(3)；

步骤(3)、设置预设电压值U_d；

步骤(4)、采用煤体致裂系统对煤层进行放电，采集放电过程中的电压、电流信号，并依据电压、电流信号记录电压波形图、电流波形图；

对煤层1进行放电：打开高压电源9对电容器7进行充电，电容器7两端电压达到预设电压值时，中断充电，放电开关12闭合，电路接通，电容器7放电，电能通过正电极3与负电极5对煤层进行释放，放电开关12断开，放电过程结束；高压测试棒10、罗氏线圈6采集放电过程中的电压、电流信号，示波器11记录电压、电流波形；

步骤(5)、根据电压波形图、电流波形图中的电压、电流波形，获取第n次放电时峰值电流I_{max n}和最终电压U_e；

步骤(6)、判断煤层是否为首次放电：如果n＝1，煤层属于首次放电，则执行步骤(6-1)，如果n不等于1，煤层不属于首次放电，则执行步骤(6-2)；

步骤(6-1)、判断电压波形图中是否存在预击穿周期，如果存在预击穿周期，则执行步骤(6-2)，如果不存在预击穿周期，则执行步骤(6-3)；

步骤(6-2)、如果最终电压U_e和峰值电流I_{max n}满足条件则执行步骤(6-4)，不满足此条件则执行步骤(6-3)；其中，条件是指U_e≤X*U_d且I_{max n}>Y，参数X是0～20％之间的有理数，参数Y的取值范围为200A～1000A；

步骤(6-3)、煤层未击穿，标记K＝0，重复步骤(2)，开始新一轮的煤层放电；

步骤(6-4)、I_{max n}与第n-1次放电的峰值电流I_{max n-1}进行比较，如果|I_{max n}-I_{max n-1}|<Z，则执行步骤(6-5)，如|I_{max n}-I_{max n-1}|≥Z，则令P＝0并执行步骤(6-6)；其中，参数Z的取值范围为0.01～20A；

步骤(6-5)、令P＝P+1，如果P>W，则煤层击穿成功，结束放电，如P≤W则执行步骤(6-6)；其中，参数W的取值范围为10～30；

步骤(6-6)、煤层击穿成功，标记K＝1，重复步骤(2)，开始后续的煤层放电。

如图2所示，所述一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法，其实施例布置现场包括正电极钻孔2、正电极3、负电极钻孔4、负电极5、罗氏线圈6、电容器7、保护电阻8、高压电源9、高压测试棒10、示波器11和放电开关12，所述高压电源9的输出端与保护电阻8的输入端相连，所述保护电阻8的输出端分别与电容器7的输入端和负电极5相连，所述电容器7的输出端分别与高压电源9的输入端和放电开关12的输入端相连，所述放电开关12的输出端与正电极3相连，所述正电极3和负电极5分别布置在正电极钻孔2和负电极钻孔4，所述正电极钻孔2和负电极钻孔4布置在煤层1中，所述示波器11与罗氏线圈6和高压测试棒10相连，所述罗氏线圈6布置在负电极5的输入端连接线，所述高压测试棒10布置在正电极3的输入端连接线。

步骤(4)中的放电开关闭合的瞬间，电压发生阶跃变化的时刻为电压电流波形的零时刻。

步骤(4)中正电极3和负电极5与煤层紧密接触。

步骤(5)中确定的峰值电流I_{max n}是取电流波形中的最大值作为峰值电流。

步骤(6-1)中的预击穿周期的范围为零时刻至电压波形在预设电压值附近的转折时刻。

步骤(6-2)中最终电压U_e满足条件：U_e≤X*U_d，参数X是0～20％之间的有理数，则认为最终电压趋近于0kV，峰值电流I_{max n}满足条件：I_{max n}>Y，参数Y的取值范围为200A～1000A，则认为电流波形图存在峰值电流。

步骤(6-4)中的峰值电流满足条件：|I_{max n}-I_{max n-1}|<Z，参数Z的取值范围为0.01～20A，并且步骤(6-5)中的符合上述条件的峰值电流数P满足条件：P>W时，参数W的取值范围为10～30，则认为对煤层进行多次放电后，峰值电流已经稳定。

分析电压电流波形图的方法在等离子体放电技术应用于石油、岩石等领域时同样适用。

以下结合实施例介绍本发明方法的详细内容：

本发明实施例中采用前述的基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法进行处理，首先对高压电源9输入220V、50Hz的工频交流电，由高压电源输出电压对电容为8μF的电容器7充电，电容器7两端电压达到预设电压值时，中断充电，放电开关12闭合，电能通过正电极3与负电极5对煤层进行释放，放电开关12断开，放电过程结束；高压测试棒10、罗氏线圈6采集放电过程中的电压、电流信号，示波器11记录的电压、电流波形。

本实施例中预设电压值为15kV，X的取值为20％，Y的取值为300A，Z的取值为10A，W的取值为10。

如图3所示，图3中的(a)为对煤体放电1至10次的电压波形图，图3中的(b)为对煤体放电11至20次的电压波形图；首次放电的电压波形图中存在预击穿周期，约为1.1ms，最终电压U_e为0.4kV，满足条件：U_e≤20％*15kV。如图4所示，图4中的(a)为对煤体放电1至10次的电流波形图，图4中的(b)为对煤体放电11至20次的电流波形图；首次放电的电流波形图中峰值电流I_{max 1}为412A，满足条件：I_{max n}>300A，判定煤层在首次放电时成功击穿。判断是否结束放电：I_{max 1}-I_{max 0}＝412A，不符合结束放电要求：|I_{max n}-I_{max n-1}|<10，煤层需要进入后续放电。对煤层进行第2次放电时，最终电压U_e为0.08kV，峰值电流I_{max 1}为424A，两项电信号参数均满足条件，判定煤层在第二次放电时成功击穿。与上次放电的峰值电流I_{max n-1}进行比较：I_{max 2}-I_{max 1}＝12A，不符合结束放电的要求，因此需要继续对煤层放电。类似地，对煤层进行了第3、4……20次放电，图3和图4记录了煤层连续成功击穿20次的电压波形图和电流波形图。

如图5所示，煤层在第20次成功放电时，|I_{max 20}-I_{max 19}|＝|768-776|＝8A，满足条件|I_{max n}-I_{max n-1}|<10A，且符合上述条件的峰值电流数P＝11，满足条件P>10，故判定煤层符合结束放电的条件，输出“击穿成功，结束放电”。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、初始化：K＝0；I_{max 0}＝0；P＝0；其中，K为标记参数，I_{max 0}为峰值电流的初始值，P为成功放电的次数；

步骤(2)、如果K＝1，则n＝n+1，开始对煤层进行第n+1次放电，执行步骤(3)；如果K不等于1，则n＝1，开始对煤层进行第1次放电，执行步骤(3)；

步骤(3)、设置预设电压值U_d；

步骤(4)、采用煤体致裂系统对煤层进行放电，采集放电过程中的电压、电流信号，并依据电压、电流信号记录电压波形图、电流波形图；

步骤(5)、根据电压波形图、电流波形图中的电压、电流波形，获取第n次放电时峰值电流I_{max n}和最终电压U_e；

步骤(6)、判断煤层是否为首次放电：如果n＝1，煤层属于首次放电，则执行步骤(6-1)，如果n不等于1，煤层不属于首次放电，则执行步骤(6-2)；

步骤(6-1)、判断电压波形图中是否存在预击穿周期，如果存在预击穿周期，则执行步骤(6-2)，如果不存在预击穿周期，则执行步骤(6-3)；

步骤(6-2)、如果最终电压U_e和峰值电流I_{max n}满足条件则执行步骤(6-4)，不满足此条件则执行步骤(6-3)；其中，条件是指U_e≤X*U_d且I_{max n}>Y，参数X是0～20％之间的有理数，参数Y的取值范围为200A～1000A；

步骤(6-3)、煤层未击穿，标记K＝0，重复步骤(2)，开始新一轮的煤层放电；

步骤(6-4)、I_{max n}与第n-1次放电的峰值电流I_{max n-1}进行比较，如果|I_{max n}-I_{max n-1}|<Z，则执行步骤(6-5)，如|I_{max n}-I_{max n-1}|≥Z，则令P＝0并执行步骤(6-6)；其中，参数Z的取值范围为0.01～20A；

步骤(6-5)、令P＝P+1，如果P>W，则煤层击穿成功，结束放电，如P≤W则执行步骤(6-6)；其中，参数W的取值范围为10～30；

步骤(6-6)、煤层击穿成功，标记K＝1，重复步骤(2)，开始后续的煤层放电。

2.根据权利要求1所述的一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法，其特征在于，煤体致裂系统包括正电极钻孔、正电极、负电极钻孔、负电极、罗氏线圈、电容器、保护电阻、高压电源、高压测试棒、示波器和放电开关，其中，

所述高压电源的输出端与保护电阻的输入端相连，所述保护电阻的输出端与电容器的输入端、负电极分别相连，所述电容器的输出端与高压电源的输入端、放电开关的输入端分别相连，所述放电开关的输出端与正电极相连，所述正电极和负电极分别布置在正电极钻孔和负电极钻孔，所述正电极钻孔和负电极钻孔布置在煤层中，所述示波器与罗氏线圈和高压测试棒相连，所述罗氏线圈布置在负电极的输入端连接线，所述高压测试棒布置在正电极的输入端连接线。

3.根据权利要求2所述的一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法，其特征在于，步骤3中采用煤体致裂系统对煤层进行放电的具体过程如下：

打开高压电源对电容器进行充电，电容器两端电压达到预设电压值时，中断充电，放电开关闭合，电路接通，电容器放电，电能通过正电极与负电极对煤层进行释放，放电开关断开，放电过程结束；高压测试棒、罗氏线圈采集放电过程中的电压、电流信号，示波器记录电压、电流波形。

4.根据权利要求3所述的一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法，其特征在于，放电开关闭合的瞬间，电压发生阶跃变化的时刻为电压电流波形的零时刻。

5.根据权利要求3所述的一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法，其特征在于，正电极和负电极与煤层紧密接触。

6.根据权利要求3所述的一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法，其特征在于，I_{max n}是取电流波形中的最大值作为峰值电流。

7.根据权利要求4所述的一种基于电压电流波形图测定煤体致裂范围的方法，其特征在于，预击穿周期的范围为零时刻至电压波形在预设电压值附近的转折时刻。