空化水射流聲震效應(yīng)促進(jìn)煤層瓦斯解吸滲流機(jī)理研究.pdf

1、隨著煤礦開采深度的越來越大，含瓦斯煤層微孔隙、低滲透性、高吸附的賦存特征越來越顯現(xiàn)出來，在實施“先抽后采”的煤及煤層瓦斯井下雙能源開采過程中，瓦斯難以抽采所導(dǎo)致的煤礦瓦斯事故、環(huán)境污染和能源浪費(fèi)等問題是困擾煤礦生產(chǎn)的主要問題。
　　 國內(nèi)外專家對煤層氣開采激勵技術(shù)進(jìn)行了相當(dāng)廣泛的研究，其強(qiáng)化措施主要包括煤層造穴、水力壓裂、注氣和物理場激勵等。聲震法是一種有效的強(qiáng)化提高煤層氣抽采率的技術(shù)，可控聲震法在現(xiàn)場的應(yīng)用工藝還不夠成熟，難以

2、推廣。但是利用高壓水射流割縫卸壓技術(shù)在現(xiàn)場的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)場應(yīng)用較為廣泛，這種淹沒狀態(tài)下的水射流往往會發(fā)生空化現(xiàn)象，空泡的潰滅會產(chǎn)生巨大的空化噪聲，目前國內(nèi)外對利用此空化效應(yīng)所產(chǎn)生的噪聲波促進(jìn)煤層瓦斯解吸滲流的研究還處于空白。
　　 本文結(jié)合國內(nèi)外在低透氣性煤層強(qiáng)化煤層瓦斯抽采的研究現(xiàn)狀，依托國家自然科學(xué)基金委員會專項創(chuàng)新群體基金項目“高壓水射流破巖理論及其在地下工程中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究”(項目編號：50621403，5092

3、1063)，以西南地區(qū)煤礦為研究對象，運(yùn)用實驗研究、理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了空化水射流空化效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理、空化噪聲頻譜特性、傳播衰減和熱效應(yīng)，并進(jìn)行了空化效應(yīng)促進(jìn)煤層瓦斯解吸滲流的實驗研究，最后研究了空化水射流空化聲震作用下煤層瓦斯解吸滲流機(jī)理和現(xiàn)場應(yīng)用。
　　 本文所研究內(nèi)容及獲得的結(jié)論主要包括以下幾個方面：
　　 ①對空化效應(yīng)產(chǎn)生的可視化實驗和數(shù)值模擬研究表明，空化水射流空泡云的發(fā)育過程都經(jīng)歷了空泡云的膨脹

4、、壓縮、再膨脹、壓縮、潰滅的幾個過程?？s放型噴嘴中空化產(chǎn)生點在喉管和擴(kuò)散段邊界層的位置，在有懸浮物的具有一定速度的淹沒液中，空化則發(fā)生在與速度垂直的懸浮物兩側(cè)。上述兩種方法所獲得的空泡云與泵壓、圍壓的關(guān)系是相吻合的：空泡的產(chǎn)生隨射流泵壓和圍壓而變化，泵壓越大，空化效果越明顯，圍壓對空泡的產(chǎn)生存在最佳值。
　　 ②通過對空泡潰滅的噪聲波的頻譜特性的研究，得到空化噪聲波可以用單指數(shù)模型、雙指數(shù)模型以及脈沖序列模型來表示，但脈沖序列模

5、型能夠更好的表示空化噪聲波的特性。噪聲波在煤層中傳播將會導(dǎo)致煤層溫度升高，從而促進(jìn)煤層瓦斯解吸滲流。
　　 ③對空化水射流的空化振動測試實驗表明，空化現(xiàn)象發(fā)生以后，氣穴潰滅時噪聲振動的頻段很寬，在2000-10000Hz，說明空化腔中空化氣泡半徑在尺度上有很大差異，振動在5400-6800Hz之間出現(xiàn)了一段振動頻率的峰值，說明氣泡在此潰滅半徑范圍內(nèi)的存在更加集中。振動頻率越集中，對煤層瓦斯解吸滲流影響更加顯著。
　　 ④

6、對空化水射流的空化效應(yīng)促進(jìn)煤層瓦斯解吸的實驗研究表明，空化效應(yīng)的產(chǎn)生對煤層瓦斯解吸滲流都有促進(jìn)作用。與未加空化效應(yīng)的煤樣解吸相比，當(dāng)施加空化數(shù)為0.0038的空化聲震時，煤樣解吸時間縮短16.4％，解吸量增加率為22.6％。
　　 ⑤通過對煤層吸附瓦斯的微觀特性和空化聲震促進(jìn)煤層瓦斯解吸滲流的機(jī)理研究表明，吸附勢壘是由煤大分子結(jié)構(gòu)和瓦斯氣體的性質(zhì)決定的，瓦斯分子的吸附勢壘越深，脫附時需要的能量越大，吸附量就越大，而脫附所需要的能

7、量由氣體分子的碰撞或升高溫度來提供，為了能夠離開煤的表面，解吸成為自由氣體，瓦斯氣體分子必須至少獲得吸附時損失的那部分能量才能脫離煤體的作用?？栈曊鹬饕峭ㄟ^機(jī)械振動效應(yīng)、熱效應(yīng)和致裂損傷效應(yīng)來促進(jìn)煤層瓦斯解吸滲流的。空化聲震的施加，機(jī)械振動效應(yīng)降低了煤層骨架應(yīng)力，致裂損傷效應(yīng)提高煤層的孔隙度，煤層系統(tǒng)溫度的升高提供了煤層瓦斯解吸的活化能，它們共同作用強(qiáng)化了煤層瓦斯的解吸滲流。
　　 ⑥現(xiàn)場試驗表明，利用高壓水射流鉆孔割縫及空

8、化聲震強(qiáng)化瓦斯解吸后，單孔最高瓦斯抽采濃度提高27.3倍，最高純瓦斯抽放量提高15倍。與相同賦存條件下的石門揭煤工程相比，其瓦斯預(yù)抽時間降低45.27％。瓦斯預(yù)抽鉆孔數(shù)量減少30.5％，鉆孔進(jìn)尺減少33.7％。
　　 本論文的主要創(chuàng)新之處在于：
　　 ①首次進(jìn)行了高壓水射流空化現(xiàn)象全過程的可視化研究，確定了泵壓、圍壓對空化效應(yīng)的影響規(guī)律，揭示了空泡云的孕育、發(fā)展、潰滅機(jī)理及聚能特征。
　　 ②創(chuàng)新性地提出將高壓水

9、射流空化聲震效應(yīng)用于強(qiáng)化煤層瓦斯解吸滲流進(jìn)而提高煤層瓦斯抽采率的新思路，利用自行研制的空化聲震促進(jìn)煤層瓦斯解吸滲流實驗裝置，建立了空化水射流參數(shù)與煤層瓦斯解吸滲流之間的關(guān)系模型。
　　 ③確立了空化噪聲波頻譜特性優(yōu)化描述模型及傳播衰減規(guī)律，得出了空化噪聲波溫度效應(yīng)的能量方程及機(jī)械振動效應(yīng)的致裂損傷模型，揭示了空化水射流聲震效應(yīng)促進(jìn)煤層瓦斯解吸滲流機(jī)理，為高壓水射流空化效應(yīng)促進(jìn)煤層瓦斯解吸滲流的理論研究及工程應(yīng)用奠定了理論和實驗基