声场作用下煤结构演化机制及煤层气渗流特性的研究

Coal-gas resources in China are geographically complicated: 80% coal layers are of low infiltration; infiltrating rate is quite low , along with high coal-gas content, difficult in gas extraction. The project proffers that sound field is able to boost coal gas desorption, diffusion, seeping to promote gas extraction rate and figure out the working mechanism of intensifying the extraction rate in low seeping coal gas through sound field. Applying 3D analysing on CT and micro-damage examing and imaging on NMR, this project is engaged in doing practical and theoretical study on coal micro-stucturing, coal gas absorption and permeability in sound field.. After analyzing how frequency, viberating amplitude and intensity of sound field influences micro-structue, desorption, diffusion and seeping in coal body, the research creates the solid coal pore models with and without the working of sound field , coal gas absorption model under the working of acoustic field, coal gas seeping mechanism under multi-function of stress, temperature, and sound field. Furthermore, it reveals the micro-mechanism of enhancing coal gas extraction rate in sound field and comes up with the technolgical principle to practice theory.. As a creative coal gas high extraction theory, the fruits of this study is scientifically and practically valuable in enhancing gas extraction and reducing gas accident.

针对我国煤层赋存地质条件极其复杂，煤层80%属于低透气性，渗透率极低，煤层气含量高，压力大，煤层气难抽采等问题，项目提出用声场促进煤层气解吸、扩散、渗流，以提高煤层气抽采率，解决声场强化低渗透煤层气抽采作用机理这一重要科学问题。利用CT机三维空间分析技术及核磁共振微观无损检测成像技术，重点开展声场作用下煤体微观结构、煤层气解吸、扩散、渗流特性的实验与理论研究。. 通过研究，分析声场的频率、振幅、声场强度对煤体微观结构、解吸、扩散、渗流特性的影响，建立声场处理前后煤体孔隙立体模型，声场作用下的煤层气解吸模型，应力场、温度场、声场耦合作用下煤层气渗流理论，揭示声场提高煤层气抽采率的微观机理，提出声场作用下高效抽采煤层气的技术原理。. 研究成果将丰富并创新煤层气高效开采理论，对高效抽采煤层气、减少煤矿瓦斯事故具有重要的科学意义和实用价值。

我国煤层气埋深2000米以浅储量约为36.8万亿立方米，储量丰富，但是煤矿地质条件复杂，80%为低渗透煤层、压力大、煤层气含量高、吸附态90%，煤层气难抽采。项目提出用声场强化煤层气高效开采，开展了声场作用下煤体微观结构、煤层气吸附、解吸、渗流特性、声场高效抽采煤层气技术原理的研究，成果丰富并创新了煤层气高效开采理论，对煤层气抽采、减少煤矿瓦斯事故具有重要的科学意义和实用价值。成果如下：.（1）自主研发了超声波作用下煤吸附、解吸、渗流实验装置（专利号201710742761.8、201710742726.6、201811617811.0、201910023573.9），可以测试不同频率、功率的声场作用下煤层气吸附、解吸、渗流特性，为项目的研究提供了实验条件。.（2）超声波能清洗煤体表面及裂隙通道中的微颗粒，使煤体产生损伤，形成新的裂隙，煤的平均孔径、比表面积、孔体积增大，裂隙连通率增加，有利于煤层气渗流。并建立了声场作用前后煤体孔隙模型。.（3）超声波作用前后煤中甲烷的吸附、解吸、扩散规律相同，超声波激励下煤对甲烷的吸附能力降低，解吸量增大，且解吸量随超声功率的增大而增加；超声波作用下煤的扩散系数增大，扩散能力增强；建立了声场作用下煤层气吸附、解吸模型。.（4）煤的渗透率随平均有效应力的升高呈负指数函数降低，超声波作用下煤的渗透率增大，且渗透率随超声功率、作用时间的增加而增大，在此基础上建立了作用声场作用下煤层气渗流模型。.（5）揭示了超声波空化效应、机械振动效应、热效应强化煤层气高效抽采的微观机理。.（6）现场试验表明，距离超声波震源越近，效果越明显，离震源越远，作用效果逐渐降低；现场试验，距离震源5m瓦斯浓度提高了40%~94.7%，瓦斯抽采甲烷纯量提高了139%~240%，煤层透气性系数提高了2.68倍，瓦斯预抽期缩短65%。