[發(fā)明專利]超聲波脈沖致裂含瓦斯煤體滲流實驗裝置及方法

在審

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• 申請日: 2021-06-22
• 公開（公告）號: CN113418852A
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李樹剛;林海飛;王瑞哲;秦雷;楊二豪;韓雙澤
• 申請（專利權(quán)）人: 西安科技大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N1/28
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 韓雪

本發(fā)明公開了一種超聲波脈沖致裂含瓦斯煤體滲流實驗裝置及方法，采用超聲波不同脈沖方式致裂煤體，使煤體原生裂隙擴展，新生裂隙發(fā)育，提高煤層滲透性。本發(fā)明在實驗室通過施加三軸壓力，模擬煤體受到的地應力，對煤樣進行超聲波空化誘導壓裂，監(jiān)測不同脈沖方式激勵前后煤樣的滲流特性變化，分析超聲波脈沖致裂含瓦斯煤體滲流特性的影響規(guī)律，為超聲波激勵煤體這項新型增透技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超聲波脈沖致裂含瓦斯煤體滲流實驗裝置及方法，涉及煤礦開采技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

我國是一個煤炭資源大國，也是煤炭消費大國。盡管煤炭在一次能源消費結(jié)構(gòu)占比有所下降(2020年為56.8％)，但在相當長時期內(nèi)煤炭仍將是我國主體能源。近年來，隨著長期大規(guī)模開發(fā)，淺部資源日益枯竭，越來越多礦井進入深部開采階段。深部開采煤層瓦斯含量、瓦斯涌出量急劇增大，已成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的主要因素。我國大部分礦區(qū)煤層瓦斯賦存具有“三高兩低”特征(三高：煤層高瓦斯含量、高可塑性結(jié)構(gòu)、高吸附瓦斯能力；兩低：煤層滲透率低、強化措施下煤層常規(guī)破裂裂隙占比低)，尤其是深部煤層滲透率低，使得采用常規(guī)鉆孔預抽煤層瓦斯效果不理想，因此，如何提高低滲煤層的滲透率成為我國煤層氣抽采和瓦斯災害防治的關(guān)鍵。

目前國內(nèi)外已先后提出了多種煤層致裂增透技術(shù)，如有水力化措施、二氧化碳爆破、高壓空氣爆破、電脈沖沖擊波等增透技術(shù)。水力化措施主要包括水力壓裂、水力割縫、高壓水射流鉆孔技術(shù)等，但水力化措施是把雙刃劍，如水力壓裂技術(shù)在頂板條件較差的情況下容易造成失穩(wěn),消耗水巨大的同時壓裂液還污染地下水源，在增大煤層滲透性的同時,盲目地運用水力化措施還可能會誘發(fā)煤與瓦斯突出,造成不必要的損失；爆破增透技術(shù)由于不易控制易造成二次危害；而電脈沖擊波技術(shù)缺乏一定的理論支撐，其安全性還不可知。因此，從安全性、有效性、可操作性、經(jīng)濟性、環(huán)保性考慮，超聲波激勵等作為無水壓裂技術(shù)裂煤體增透逐漸受到重視。

煤是一種天然地質(zhì)體，具有割理、微裂隙及孔隙等多重缺陷結(jié)構(gòu)。超聲波在介質(zhì)中傳播時，會引發(fā)超聲波的空化效應、機械振動效應和熱效應等多種效應。煤體的破碎主要是基于超聲波機械振動或利用超聲波的空化效應。使液體中的空化核在超聲波的作用下發(fā)生振動，當壓力達到一定值時，氣泡迅速膨脹然后突然閉合，在此過程中產(chǎn)生沖擊波。這種包括膨脹、閉合和振動的動態(tài)過程稱為超聲空化效應?？栈瘹馀荽蠹s存在10^-6s，快速爆發(fā)時，會釋放出巨大的能量并產(chǎn)生微射流，具有110m/s的強沖擊力，碰撞密度高達局部地區(qū)產(chǎn)生高溫(5000K)、高壓(1800atm),冷卻速度為109K/s。但目前有研究發(fā)現(xiàn)，在對煤體通過超聲波激勵進行增透，使煤的孔隙、微裂隙和宏觀裂隙增加，連通性增強，如何在實驗室進行不同方式超聲波激勵致裂煤體的規(guī)律研究，為不同脈沖方式超聲波激勵所產(chǎn)生的空化效應誘導壓裂增透煤層瓦斯抽采應用提供科學依據(jù)和實驗證據(jù)這一問題，目前亟需解決。目前的實驗室現(xiàn)有的實驗裝置主要分為兩種方法，一是用超聲波換能器對煤樣進行直接夾持激勵，二是通過超聲波激勵水浴對煤體進行增透，在研究滲透特性時，通過水浴直接對滲流系統(tǒng)激勵，無法實現(xiàn)超聲波在以水為介質(zhì)直接激勵煤體，通過產(chǎn)生大量的空化氣泡，空化氣泡壓力達到一定值時，氣泡迅速膨脹-閉合-破裂，在此過程中產(chǎn)生沖擊波，從而對煤體孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。