松软强吸附煤层超声场激励瓦斯促抽机制及工程应用

摘要

针对松软强吸附煤层瓦斯抽采难题，本文采用大功率超声场“机械振动-空化-热”协同效应增渗促解瓦斯的创新思路，开展了超声场激励下煤体微观孔隙演化、宏观解吸扩散行为研究，研制了超声场增渗系统装置和井下长钻孔增渗实施工艺，进行了井下顺层/穿层钻孔超声场激励促抽工程试验.结果表明：超声场激励后余吾煤和新田煤的最大氮气吸附量由2.314 0和1.661 6 cm³/g分别提升至3.542 4和3.694 4 cm³/g,增幅分别为53.09%和122.34%;比表面积分别提升155.86%和659.90%,孔容分别增长66.67%和100.00%;微孔与中孔数量明显增加且孔隙结构有效连通，显著改善了煤基质内部的气体输运通道.瓦斯吸附/解吸试验结果表明：超声场激励后2种煤样的扩散系数分别由1.76×10^-8,8.95×10^-8 m²/s提升至1.99×10^-8,1.05×10^-7 m²/s,增幅达13.00%和17.32%;超声场激励对于孔隙气压具有敏感性，在低孔隙压力阶段强化解吸效果更为显著.为适应井下松软强吸附煤层增渗需求，研制了18 kW大功率超声场增渗系统，开发了小直径长钻孔内水压协同超声分段增渗技术工艺.井下松软强吸附煤层超声增渗工程试验结果表明：余吾煤矿顺层钻孔经超声场激励后，30 d内瓦斯浓度提升101.82%～119.90%,流量增长29.37%～136.72%,促抽影响半径达14 m;在余吾矿水力造穴煤层进行超声场增渗后瓦斯浓度提升5.14%～55.91%;新田煤矿穿层钻孔经超声增渗后，瓦斯浓度与流量分别提高58.35%～96.36%和49.80%～54.57%,有效促抽半径超过12 m,有效促抽时间超过60 d.本研究结合了微观、宏观及工程多尺度研究，阐明了超声场改性微观孔隙增渗促解瓦斯机制，揭示了孔隙水对超声扩孔增渗的强化效应，证实了超声场在松软强吸附煤层强化抽采中的良好效果，为松软强吸附煤层瓦斯促抽提供了重要支撑.

关键词

超声 / 煤 / 瓦斯 / 增渗 / 解吸扩散