论文部分内容阅读
[摘 要]为了解决中梁山南矿煤层瓦斯抽采率低的难题，提出了利用声震法提高煤层渗透率的新方法。声震法是利用超声波产生的促进煤体损伤、促进煤体产生机械振动、热效应、煤与甲烷分子间的相互作用四种机理，提高煤层渗透率。应用该技术后煤层瓦斯流量在加声场比不加声场的情况下有了显著提高，平均提高了约0.02m？/min。离声波震源越近，作用效果越明显，离声波震源越远，由于发生衰减，声波作用效果慢慢降低，为重庆地区的瓦斯灾害治理提供了一种新思路。
[关键词]声震法 低透气性煤层 瓦斯抽采率 增透
中图分类号：TD713.32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0288-02
重庆中梁山南矿属于煤与瓦斯突出矿井，煤层透气性差，瓦斯抽采率低，严重影响着矿井安全高效生产。目前国内外提高煤层气的抽采率，增加煤储层渗透率的激励技术主要有水力压裂、水力割缝、松动爆破、物理场激励等[1～3]。水力压裂、水力割缝技术是通过利用高压水在煤岩体中形成裂隙通道的区域、局部卸压增透技术，一般需要水的压力超过30MPa，对装备及操作人员水平要求很高；松动爆破增加煤层透气性是在工作面前方的煤体中打深50m以上的炮眼，装药爆破，使炮眼周围的煤体在炸药产生的爆压作用下，产生破裂和松动，从而形成裂隙带，爆破产生的裂隙范围大约为钻孔直径的5～15倍，影响范围有限；在物理场激励方面，国内外许多学者围绕外加物理场对煤层气吸附、解吸、渗流特性等方面开展了大量的室内研究工作，但目前未在现场推广应用。为解决中梁山南矿低透气性煤层瓦斯抽采率低的难题，亟需寻找一种新的提高煤层透气性的新技术。
1.声震法提高煤层渗透率机理
1.1 声波促进煤体损伤
声波在传播过程中一是使煤体产生拉伸、压缩、剪切变形，煤体质点产生振动，虽然振动的位移和速度不大，但与超声波振动频度的平方成正比的质点加速却很大，有时超过重力加速度的数万倍，足以造成对介质的强大机械效应，甚至能达到破坏介质的作用，使煤体发生损伤破坏。二是在声波持续的辐射下，其能量转化为热能，使煤体温度升高，这样煤体产生热膨胀，使煤的大分子结构产生变化，从而造成煤体损伤。
1.2 机械振动作用
若向煤体中辐射大功率声波，声波波型为纵波，其波的传播方向将与质点的振动方向一致，就会使煤体介质受到交替变化的拉应力和压应力作用，从而使煤体产生相应交替变化的伸长和压缩弹性形变，质点产生疏密相间的纵向振动（图1所示）。若声波的波型为横波，其波的传播方向与质点的振动方向垂直，将会相应地发生交变的剪切形变，介质质点产生具有波峰和波谷的横向振动（图2所示），就会在界面上产生强烈的剪切力和振动。在声波的强烈振动作用下，煤体质点发生位移和破碎，使煤体中产生新的裂缝网，造成煤的裂隙和孔隙增多，有利于煤层气的扩散和渗流。
1.3 热效应作用
声波辐射是一种能量的辐射，当声波穿过含甲烷煤体时，由于煤体的粘滞性造成质点之间的内摩擦而吸收一定量的声能，这部分声能将转变为热能，使煤体的局部温度升高，从而煤体的平均温度升高，有利于降低煤对甲烷气体的吸附量和提高煤储层的渗透率。加之解吸是一个吸热过程，声波辐射可以为甲烷解吸不断提供能量，使解吸过程得以持续。
1.4 促进煤与甲烷分子间的相互作用
煤对甲烷的吸附主要是通过煤表面极性分子London色散力与非极性甲烷分子间发生吸引作用，总体上可用煤表面的势能分布来描述，如图3所示。当Veg 2.实验地点概况
实验地点位于中梁山南矿-20m水平北西区采区0420-1上工作面。其地表位置对应地表在林桥至水井湾一带山地，属二叠系长兴灰岩；井下位置位于南矿井130-+50m水平北西煤柱石门至二石门之间。
0420-1上工作面0420上工作面平均走向298m，平均斜长87.0m，其预计主要回采煤层为K2煤层，属不突出危险煤层，煤层倾角66°，煤层厚度0.80-1.00m之间，煤质以暗煤、亮煤相间组成，以暗煤为主、半暗型，沉积稳定，煤层结构简单。K2煤层。
3.钻孔布置设计
煤层气抽采钻孔参数的确定与煤层赋存条件有关，由于本煤层地质情况良好，故采用顺层钻孔，其布置方式如图4所示。
瓦斯抽采钻孔直径φ75mm，钻孔深度40m，封孔长度16m—18m；声震钻孔直径φ108mm，钻孔深度18m，不需要封孔。每个钻孔连接一个流量计，共4个流量计。配660V变压220V的变压器。
4.试验过程及效果分析
4.1 准备工作
（1）施工钻孔：钻孔为顺层孔，倾角66°，分别为2个孔径为φ108mm的抽采孔和4个孔径φ48mm声震孔，抽采孔孔深40m，声震孔孔深18m，如图5.1所示；
（2）安装超声波换能器探头并密封钻孔：此次实验用换能器为15kHZ，功率为6kW，将换能器前端注入黄油作为耦合剂，然后用安装杆将换能器放入声震孔孔底中，然后用水泥砂浆将孔前端密封5m、；
（3）抽采瓦斯钻孔与瓦斯抽采管路相联，每个钻孔联接一个CJZ70瓦斯抽放综合参数仪测定接头，用于监测瓦斯流量。
4.2 试验过程
（1）在准备工作完成后，将声波发生器运送到指定实验地点，并连通电源；
（2）在未加声场前测量3次瓦斯流量值，取其平均值作为初始值，然后再打开声波发生器，作用一段时间后分别测量各个钻孔的流量值，测量时采用连续测量的方法，以1—4—2—3—3—2—4—1的顺序循环两次，声波作用时长为2h。
4.3 效果分析
试验结果如图5所示。
由图5可知，煤层瓦斯流量在加声场比不加声场的情况下有了显著提高。最终，1#、2#、3#、4#钻孔流量分别提高了0.038m？/min、0.027 m？/min、0.022m？/min和0.017m？/min。结合各钻孔的位置，可以得出，离声波震源越近，作用效果越明显，离声波震源越远，由于发生衰减，声波作用效果慢慢降低。
5.结论
（1）超声波从促进煤体损伤、促进煤体产生机械振动、热效应、煤与甲烷分子间的相互作用四种机理，提高煤层瓦斯抽采率；
（2）煤层瓦斯流量在加声场比不加声场的情况下有了显著提高，平均提高了约0.02m？/min；
（3）离声波震源越近，作用效果越明显，离声波震源越远，由于发生衰减，声波作用效果慢慢降低。
作者简介
孙仕国，出生年月：1974.9，男，专科，工程师，主要从事瓦斯防治及矿井通风技术方面研究。单位名称： 重庆中梁山煤电气有限责任公司矿业分公司。
[关键词]声震法 低透气性煤层 瓦斯抽采率 增透
中图分类号：TD713.32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0288-02
重庆中梁山南矿属于煤与瓦斯突出矿井，煤层透气性差，瓦斯抽采率低，严重影响着矿井安全高效生产。目前国内外提高煤层气的抽采率，增加煤储层渗透率的激励技术主要有水力压裂、水力割缝、松动爆破、物理场激励等[1～3]。水力压裂、水力割缝技术是通过利用高压水在煤岩体中形成裂隙通道的区域、局部卸压增透技术，一般需要水的压力超过30MPa，对装备及操作人员水平要求很高；松动爆破增加煤层透气性是在工作面前方的煤体中打深50m以上的炮眼，装药爆破，使炮眼周围的煤体在炸药产生的爆压作用下，产生破裂和松动，从而形成裂隙带，爆破产生的裂隙范围大约为钻孔直径的5～15倍，影响范围有限；在物理场激励方面，国内外许多学者围绕外加物理场对煤层气吸附、解吸、渗流特性等方面开展了大量的室内研究工作，但目前未在现场推广应用。为解决中梁山南矿低透气性煤层瓦斯抽采率低的难题，亟需寻找一种新的提高煤层透气性的新技术。
1.声震法提高煤层渗透率机理
1.1 声波促进煤体损伤
声波在传播过程中一是使煤体产生拉伸、压缩、剪切变形，煤体质点产生振动，虽然振动的位移和速度不大，但与超声波振动频度的平方成正比的质点加速却很大，有时超过重力加速度的数万倍，足以造成对介质的强大机械效应，甚至能达到破坏介质的作用，使煤体发生损伤破坏。二是在声波持续的辐射下，其能量转化为热能，使煤体温度升高，这样煤体产生热膨胀，使煤的大分子结构产生变化，从而造成煤体损伤。
1.2 机械振动作用
若向煤体中辐射大功率声波，声波波型为纵波，其波的传播方向将与质点的振动方向一致，就会使煤体介质受到交替变化的拉应力和压应力作用，从而使煤体产生相应交替变化的伸长和压缩弹性形变，质点产生疏密相间的纵向振动（图1所示）。若声波的波型为横波，其波的传播方向与质点的振动方向垂直，将会相应地发生交变的剪切形变，介质质点产生具有波峰和波谷的横向振动（图2所示），就会在界面上产生强烈的剪切力和振动。在声波的强烈振动作用下，煤体质点发生位移和破碎，使煤体中产生新的裂缝网，造成煤的裂隙和孔隙增多，有利于煤层气的扩散和渗流。
1.3 热效应作用
声波辐射是一种能量的辐射，当声波穿过含甲烷煤体时，由于煤体的粘滞性造成质点之间的内摩擦而吸收一定量的声能，这部分声能将转变为热能，使煤体的局部温度升高，从而煤体的平均温度升高，有利于降低煤对甲烷气体的吸附量和提高煤储层的渗透率。加之解吸是一个吸热过程，声波辐射可以为甲烷解吸不断提供能量，使解吸过程得以持续。
1.4 促进煤与甲烷分子间的相互作用
煤对甲烷的吸附主要是通过煤表面极性分子London色散力与非极性甲烷分子间发生吸引作用，总体上可用煤表面的势能分布来描述，如图3所示。当Veg
实验地点位于中梁山南矿-20m水平北西区采区0420-1上工作面。其地表位置对应地表在林桥至水井湾一带山地，属二叠系长兴灰岩；井下位置位于南矿井130-+50m水平北西煤柱石门至二石门之间。
0420-1上工作面0420上工作面平均走向298m，平均斜长87.0m，其预计主要回采煤层为K2煤层，属不突出危险煤层，煤层倾角66°，煤层厚度0.80-1.00m之间，煤质以暗煤、亮煤相间组成，以暗煤为主、半暗型，沉积稳定，煤层结构简单。K2煤层。
3.钻孔布置设计
煤层气抽采钻孔参数的确定与煤层赋存条件有关，由于本煤层地质情况良好，故采用顺层钻孔，其布置方式如图4所示。
瓦斯抽采钻孔直径φ75mm，钻孔深度40m，封孔长度16m—18m；声震钻孔直径φ108mm，钻孔深度18m，不需要封孔。每个钻孔连接一个流量计，共4个流量计。配660V变压220V的变压器。
4.试验过程及效果分析
4.1 准备工作
（1）施工钻孔：钻孔为顺层孔，倾角66°，分别为2个孔径为φ108mm的抽采孔和4个孔径φ48mm声震孔，抽采孔孔深40m，声震孔孔深18m，如图5.1所示；
（2）安装超声波换能器探头并密封钻孔：此次实验用换能器为15kHZ，功率为6kW，将换能器前端注入黄油作为耦合剂，然后用安装杆将换能器放入声震孔孔底中，然后用水泥砂浆将孔前端密封5m、；
（3）抽采瓦斯钻孔与瓦斯抽采管路相联，每个钻孔联接一个CJZ70瓦斯抽放综合参数仪测定接头，用于监测瓦斯流量。
4.2 试验过程
（1）在准备工作完成后，将声波发生器运送到指定实验地点，并连通电源；
（2）在未加声场前测量3次瓦斯流量值，取其平均值作为初始值，然后再打开声波发生器，作用一段时间后分别测量各个钻孔的流量值，测量时采用连续测量的方法，以1—4—2—3—3—2—4—1的顺序循环两次，声波作用时长为2h。
4.3 效果分析
试验结果如图5所示。
由图5可知，煤层瓦斯流量在加声场比不加声场的情况下有了显著提高。最终，1#、2#、3#、4#钻孔流量分别提高了0.038m？/min、0.027 m？/min、0.022m？/min和0.017m？/min。结合各钻孔的位置，可以得出，离声波震源越近，作用效果越明显，离声波震源越远，由于发生衰减，声波作用效果慢慢降低。
5.结论
（1）超声波从促进煤体损伤、促进煤体产生机械振动、热效应、煤与甲烷分子间的相互作用四种机理，提高煤层瓦斯抽采率；
（2）煤层瓦斯流量在加声场比不加声场的情况下有了显著提高，平均提高了约0.02m？/min；
（3）离声波震源越近，作用效果越明显，离声波震源越远，由于发生衰减，声波作用效果慢慢降低。
作者简介
孙仕国，出生年月：1974.9，男，专科，工程师，主要从事瓦斯防治及矿井通风技术方面研究。单位名称： 重庆中梁山煤电气有限责任公司矿业分公司。