高压空化水射流促进低透气性煤层瓦斯解吸渗流机理研究

煤层瓦斯预抽既能有效的减排温室气体，又能很好的解决瓦斯灾害事故。但我国煤层透气性低，且80-90%以上的瓦斯以吸附状态赋存于煤层中，导致瓦斯抽采率低。增加煤层透气性和促使吸附瓦斯解吸是提高煤层瓦斯抽采率的关键途径。高压空化水射流具有优越的切割性能和高频噪声声震效应，本项目主要研究空化水射流空泡溃灭时产生的声震效应对煤层吸附瓦斯的影响，提出采用高压空化水射流强化低透气性煤层瓦斯解吸的新思路，拟研究高压空化水射流相态变化与声震效应产生机理；建立空化水射流噪声波在固液气多相介质中的波动方程和衰减关系式；研究空化射流声震效应强化瓦斯解吸机理及声震效应与低透气性煤层瓦斯渗透率的关系；确立高压空化水射流在低透气性煤层中钻孔、切缝增透及声震效应强化低透气性煤层瓦斯解吸一体化的新理论，提出一种既提高煤层透气性又促使煤层瓦斯解吸新型技术原理，为高瓦斯低透气性难抽煤层的瓦斯抽采及灾害防治开辟了一条新的途径。

针对高瓦斯低透气性难抽煤层的瓦斯抽采及灾害防治问题，先后开展了高压空化水射流产生声震效应机理、高压空化水射流强化低透气性煤层瓦斯解吸机理和高压空化水射流煤层增透及强化瓦斯解吸技术原理等三方面的研究工作。共发表学术论文17篇，录用4篇，其中SCI收录1篇，EI收录12篇，CSCD收录2篇，获得省部级科技进步奖2项，培养硕士研究生4名，顺利完成了项目的研究内容，达到了预期的研究目标。.1) 高压空化水射流产生声震效应机理研究.自行设计并研制了空化水射流实验装置和空泡可视化实验测试仪器系统，进行了高压空化水射流空化效应的可视化实验研究，对缩放喷嘴和普通收缩型喷嘴的差别、空化噪声特性、空泡云变化特性以及空化参数对空化射流冲蚀性能的影响规律进行了分析。基于雷利方程建立了理想球形空泡的运动模型，采用单一介质可变密度混合流模型，利用FLUENT软件对缩放型空化喷嘴的流场、压力场、流速、喷嘴出口附近空泡体积分布特征进行了数值模拟分析。从声波的特征量和空化噪声谱特性对空化噪声特性进行了分析，在对空化噪声在固体和气体中传播规律分析的基础上，揭示了空化噪声的声震效应，并对煤岩体中声波的传播规律及热效应进行了分析。采用DASP工程版的声震测试平台，对空化震动波谱特性及不同泵压和淹没围压下的空化声震效果进行了测试。.2) 高压空化水射流强化低透气性煤层瓦斯解吸机理.选取南桐煤矿低透气性煤层的煤样进行了高压吸附/解吸实验，测试了不同温度条件下，煤中瓦斯的解吸动力学特征，分别建立了空化声震机械振动效应和热效应促进煤层瓦斯解吸模型，得出了空化射流参数对煤层瓦斯解吸的影响规律，揭示了空化声震效应对煤层瓦斯解吸的促进机理，选取南桐煤矿煤样进行了空化声震效应促进煤层瓦斯解吸渗流实验，得出了不同空化数下瓦斯解吸量与时间变化关系及空化声震效应对瓦斯渗流的影响规律。.3) 高压空化水射流煤层增透及强化瓦斯解吸技术原理.建立了空化声震机械振动效应、热效应和致裂损伤效应促进煤层瓦斯渗流模型，并就空化射流参数对煤层瓦斯渗流的影响进行了分析，揭示了空化声震促进煤层瓦斯渗流的机理。设计研发了高压空化水射流钻孔割缝强化瓦斯抽采技术装备，并进行了现场工业性试验，有效提高了单孔最高瓦斯抽采浓度和最高纯瓦斯抽放量，瓦斯预抽时间、预抽钻孔数量和钻孔进尺明显减少，取得了显著的技术经济效果。