[发明专利]超声波脉冲致裂含瓦斯煤体渗流实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种超声波脉冲致裂含瓦斯煤体渗流实验装置及方法，采用超声波不同脉冲方式致裂煤体，使煤体原生裂隙扩展，新生裂隙发育，提高煤层渗透性。本发明在实验室通过施加三轴压力，模拟煤体受到的地应力，对煤样进行超声波空化诱导压裂，监测不同脉冲方式激励前后煤样的渗流特性变化，分析超声波脉冲致裂含瓦斯煤体渗流特性的影响规律，为超声波激励煤体这项新型增透技术提供理论依据和技术支撑。

技术领域

本发明涉及一种超声波脉冲致裂含瓦斯煤体渗流实验装置及方法，涉及煤矿开采技术领域。

背景技术

我国是一个煤炭资源大国，也是煤炭消费大国。尽管煤炭在一次能源消费结构占比有所下降(2020年为56.8％)，但在相当长时期内煤炭仍将是我国主体能源。近年来，随着长期大规模开发，浅部资源日益枯竭，越来越多矿井进入深部开采阶段。深部开采煤层瓦斯含量、瓦斯涌出量急剧增大，已成为制约矿井安全高效生产的主要因素。我国大部分矿区煤层瓦斯赋存具有“三高两低”特征(三高：煤层高瓦斯含量、高可塑性结构、高吸附瓦斯能力；两低：煤层渗透率低、强化措施下煤层常规破裂裂隙占比低)，尤其是深部煤层渗透率低，使得采用常规钻孔预抽煤层瓦斯效果不理想，因此，如何提高低渗煤层的渗透率成为我国煤层气抽采和瓦斯灾害防治的关键。

目前国内外已先后提出了多种煤层致裂增透技术，如有水力化措施、二氧化碳爆破、高压空气爆破、电脉冲冲击波等增透技术。水力化措施主要包括水力压裂、水力割缝、高压水射流钻孔技术等，但水力化措施是把双刃剑，如水力压裂技术在顶板条件较差的情况下容易造成失稳,消耗水巨大的同时压裂液还污染地下水源，在增大煤层渗透性的同时,盲目地运用水力化措施还可能会诱发煤与瓦斯突出,造成不必要的损失；爆破增透技术由于不易控制易造成二次危害；而电脉冲击波技术缺乏一定的理论支撑，其安全性还不可知。因此，从安全性、有效性、可操作性、经济性、环保性考虑，超声波激励等作为无水压裂技术裂煤体增透逐渐受到重视。

煤是一种天然地质体，具有割理、微裂隙及孔隙等多重缺陷结构。超声波在介质中传播时，会引发超声波的空化效应、机械振动效应和热效应等多种效应。煤体的破碎主要是基于超声波机械振动或利用超声波的空化效应。使液体中的空化核在超声波的作用下发生振动，当压力达到一定值时，气泡迅速膨胀然后突然闭合，在此过程中产生冲击波。这种包括膨胀、闭合和振动的动态过程称为超声空化效应。空化气泡大约存在10^-6s，快速爆发时，会释放出巨大的能量并产生微射流，具有110m/s的强冲击力，碰撞密度高达局部地区产生高温(5000K)、高压(1800atm),冷却速度为109K/s。但目前有研究发现，在对煤体通过超声波激励进行增透，使煤的孔隙、微裂隙和宏观裂隙增加，连通性增强，如何在实验室进行不同方式超声波激励致裂煤体的规律研究，为不同脉冲方式超声波激励所产生的空化效应诱导压裂增透煤层瓦斯抽采应用提供科学依据和实验证据这一问题，目前亟需解决。目前的实验室现有的实验装置主要分为两种方法，一是用超声波换能器对煤样进行直接夹持激励，二是通过超声波激励水浴对煤体进行增透，在研究渗透特性时，通过水浴直接对渗流系统激励，无法实现超声波在以水为介质直接激励煤体，通过产生大量的空化气泡，空化气泡压力达到一定值时，气泡迅速膨胀-闭合-破裂，在此过程中产生冲击波，从而对煤体孔隙结构产生破坏。