空化声震及温度效应促进煤层瓦斯解吸的实验研究

【摘要】：随着煤矿开采深度不断增加,含瓦斯煤层微孔隙、低渗透性、高吸附的赋存特征越来越明显。煤层瓦斯的高吸附性使得在煤矿生产过程中事故频发、瓦斯资源得不到有效的利用。根据高压脉冲水射流在煤体中钻孔割缝促进瓦斯抽采的技术成果,结合空化过程中产生的空化声震及温度效应,提出了利用空化声震及温度效应强化煤层瓦斯解吸的新思路。 本文依托国家自然科学基金创新群体基金项目“高压水射流破岩理论及其在地下工程中的应用基础研究(50621403)”,通过对空化声震及温度效应促进煤层瓦斯解吸的理论进行分析,得到空化声震及温度效应促进煤层瓦斯解吸的作用机理;通过对相关实验参数的确定,设计并加工了空化声震强化瓦斯解吸试验台;通过实验研究,得到在空化声震及温度效应作用下瓦斯解吸量与时间、泵压围压与瓦斯解吸的规律。本文主要研究内容和成果如下: ①通过对空化声震及温度效应促进瓦斯解吸的理论进行分析,得出:空化声震产生的脉冲振动即相当于不同的应力场作用于煤体,煤体所受应力改变使得煤体内瓦斯压力发生改变,瓦斯压力的改变使得瓦斯容易从煤体中解吸出来;空化过程中产生的温度效应使得瓦斯分子获得脱附所需要的能量,空化过程中产生的温度越高,获得的能量越多,瓦斯从煤体中脱附解吸出来就更容易; ②分析了空化噪声在煤体中的能量传播过程,得到空化噪声在煤体中传播的能量方程;考虑煤体对声能量的吸收以及煤体的热传导系数,得出声波在煤体中传播时,煤体温度变化方程; ③设计出用于空化声震及温度效应促进瓦斯解吸的试验台;通过泵压与空化云长度的关系,设计出空化腔的高度h = 160mm;采用最大主应力理论建立强度条件,设计出空化腔的壁厚δ=15mm; ④空化声震及温度效应作用下煤体瓦斯解吸实验结果表明:空化声震及温度效应能够促进煤体瓦斯的解吸;不同空化数条件下瓦斯解吸量和解吸时间不同,存在最佳的空化数使得瓦斯解吸量达到最大,解吸时间最短;当空化数0.0200时,解吸量增加了39.6%,解吸时间缩短了16.7%;泵压与瓦斯解吸量之间满足二次关系曲线,存在最佳泵压使得瓦斯解吸量达到最大,解吸时间最短;随着围压的增加,泵压对瓦斯解吸的影响有所减弱;围压与瓦斯解吸量呈线性关系,随围压的增大,瓦斯解吸量减少;随着温度的增加,瓦斯解吸量也增加,空化过程中的温度效应能够促进瓦斯解吸;空化声震与温度效应双重作用下瓦斯解吸量比单一因素作用下要多。