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发布时间:2026-04-20
为探究脉冲超声波对煤体孔隙结构及瓦斯渗流特性的影响,利用自主研发的声-液耦合超声波激励煤体试验平台,结合煤岩芯气测渗透率测定、核磁共振检测等方法,分析脉冲超声波激励下煤体的孔隙扩容及增渗效应。结果表明:随着脉冲超声波频数激励增加,煤体T2谱面积、有效孔隙率和渗透率均增大,残余孔隙率、T2截止值和渗流孔分形维数均减小,且这些参数变化率与脉冲频数均呈幂函数变化关系;脉冲超声波激励促使煤中闭合孔隙转化为开放孔隙,进而形成更优的渗流通道,有效提升渗透率,脉冲频数从1次增至16次时,煤体渗透率增长率由19% 增至172%。脉冲超声波通过机械效应与空化效应的协同作用,诱发煤体累积疲劳损伤,促使孔隙发育扩展,从而提升煤体孔隙率和渗透率。在相同能耗下,提高脉冲频数可增强煤体增透效果,为脉冲超声波技术在低透煤层增渗改造工程中的应用提供理论依据。
中国煤炭资源丰富,煤炭在一次能源消费中占据主导地位。近年来,随着浅部煤炭资源的日趋枯竭,深部煤层开采占比显著提高。然而,深部煤层渗透率普遍较低,严重制约了煤层瓦斯预抽效果,需通过强化增渗技术提升抽采效率。超声波增渗技术因其无污染、可控性强等优势,在煤体致裂增渗强化抽采瓦斯领域展现出独特潜力。
针对超声波致裂增渗技术,国内外学者已开展大量研究。MULLAKAEV等和ABRAMOV等最早开发了超声波设备,促使超声波技术在能源领域得到初步应用。随后,鲜学福在21世纪初首次提出了利用声波震动技术来促进瓦斯释放,进而增加煤体渗透率的理论,为后续研究提供了方向。SHCHUKIN等分析超声波的空化效应对固体表面的影响,为超声波增透煤体技术的应用提供了理论支持。LIU等研究表明,超声激励可显著改善煤体多尺度孔裂隙结构,促进煤层中瓦斯的解吸和扩散。ZHANG等研究发现,增加超声作用时间能够导致煤孔隙微观结构中的空化气泡发生剧烈振荡,促使孔隙的生长发育,改善气体解吸与运移。姜永东等和宋超等研究了超声波处理对煤微观结构的影响,发现超声波激励能够增大煤的总孔容、比表面积、平均孔径、孔隙率和T2谱峰值,有利于瓦斯的解吸、扩散与渗流。HUANG等和LIU等研究发现,超声波激励煤体时存在临界值,低于该临界值时会产生更多小孔,高于该临界值时小孔会迅速转化为大孔,从而提高煤体渗透性。田洪波等发现,煤体经超声波激励后裂隙数量和渗透率显著增加。汤宗情等和于国卿等通过试验证明,超声波的致裂作用能有效提高煤体的孔隙率和渗透率。李树刚等研究表明,增大超声波功率可显著改善煤体孔隙结构、降低煤体的抗压强度与弹性模量,并促使煤体的损伤机制由弹脆性向延塑性转变。ZHAO等揭示了超声波处理能够通过热效应、空化效应、机械振动及声流的协同作用,提升松散多孔介质的渗透率。
综上可知,现有研究多集中于探究持续超声波对煤的孔隙结构、渗透率及瓦斯解吸的影响。虽然持续超声波能通过空化、机械振动和热效应等作用改善煤体渗透性,但仍存在能量利用率低等问题。研究表明,脉冲超声波不仅能够使煤体产生疲劳损伤效应,还能增强空化效应,因此,其对煤体孔隙改造及瓦斯解吸的促进效果比持续超声波更为显著。文中利用自主研发的声-液耦合超声波激励煤体试验平台,研究不同脉冲频数超声波对煤体孔隙结构变化及渗透率的影响特征,以期为脉冲超声波增渗强化抽采技术参数优化及现场应用提供理论依据。