功率超聲波技術(shù)在低透氣性煤層增透試驗中的應(yīng)用

郭 恒

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤炭在我國充當(dāng)了主體能源的角色，在能源消費(fèi)比重上接近60%，遠(yuǎn)高于世界的平均水平。在煤炭工業(yè)迅速發(fā)展的同時，煤炭在安全生產(chǎn)上面臨著重大的隱患。目前國內(nèi)煤炭開采方式，90%采取的是井工開采，隨著煤層開采深度的增加，煤礦安全事故也隨之增加，尤其是瓦斯災(zāi)害事故，其中瓦斯抽采是瓦斯治理的根本措施[1-5]。高瓦斯壓力、高地應(yīng)力、高瓦斯含量及低滲透率是我國煤層的主要特征，尤其是由于復(fù)雜地質(zhì)運(yùn)動的影響，煤層的透氣性普遍低于世界其他產(chǎn)煤國家，屬于低滲煤層；導(dǎo)致直接施工鉆孔抽采煤層瓦斯效果不佳，需要需要采取一定的外加措施來增加煤層滲透率。除了傳統(tǒng)的保護(hù)層開采技術(shù)以外，經(jīng)過多年的研究，水力壓裂、水力割縫、高壓水射流等水力化措施已經(jīng)基本成熟，同時定向爆破、二氧化碳爆破、高壓空氣爆破等非接觸式高能增透新技術(shù)亦不斷運(yùn)用于現(xiàn)場實踐中[6-9]。而水力化措施由于高壓水的進(jìn)入，容易導(dǎo)致煤層局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力激增，誘導(dǎo)突出煤層發(fā)生煤與瓦斯突出事故，非接觸式高能增透亦存在可能導(dǎo)致二氧化碳突出、部分措施孔失爆/遲爆等一系列安全問題；因此，尋求對煤層無污染、作業(yè)成本低及無其他副作用的高效增透新技術(shù)仍然是低透氣性碎軟煤層瓦斯抽采領(lǐng)域的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

20世紀(jì)90年代，徐龍君等[10]首次提出利用超聲波技術(shù)來提高煤層滲透率的構(gòu)想，并且對電場、聲場對瓦斯氣體的吸附、解吸作用進(jìn)行了深入研究。此后，諸多學(xué)者對超聲波參數(shù)(頻率、聲波強(qiáng)度)對煤層增透的可行性及效果進(jìn)行了研究。如于國卿等[11]研究了超聲波對煤層孔隙結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波主要依靠空化作用實現(xiàn)對煤層的增透，并且認(rèn)為功率是使煤層變化最重要的因素；師慶民[12]利用微觀的方法研究了超聲波作用下，煤體內(nèi)部裂隙的延伸、擴(kuò)展及發(fā)育規(guī)律。超聲波增透煤層的可行性在實驗室得到了充分的驗證，但是在現(xiàn)場卻少有運(yùn)用。本文在實驗室研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合山西某礦區(qū)3煤煤層滲透率低、傳統(tǒng)順層瓦斯抽采技術(shù)效果差的特點(diǎn)，將功率超聲波技術(shù)運(yùn)用于現(xiàn)場，進(jìn)一步驗證了該項技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用的可行性。

1 功率超聲波增滲技術(shù)原理

聲波是一種能夠在彈性介質(zhì)中進(jìn)行傳播的機(jī)械波，其在同一介質(zhì)中傳播的速率相同，主要的區(qū)別在于頻率不同。一般來說，聲波頻率在20～10 000 Hz，頻率低于20 Hz的聲波為次聲波，超過20 000 Hz的聲波稱為超聲波，其中20 000～100 000 Hz的超聲波應(yīng)用又稱為功率超聲。功率超聲波煤層致裂增滲是指用很大的能量儲存在儲能元器件中，然后經(jīng)過開關(guān)將此能量在短時間內(nèi)釋放到負(fù)載上，從而形成很高的功率。

功率超聲波増滲技術(shù)是先將純水預(yù)先注入到目標(biāo)煤體的鉆孔中，對鉆孔周邊煤層進(jìn)行充分的濕潤后，放入專用聲發(fā)射探頭，啟動探頭通過聲波擴(kuò)散傳遞的能量對煤層進(jìn)行激勵改造。由于煤層本身就是非均質(zhì)儲層，存在著諸多天然缺陷、裂縫，當(dāng)足夠能量的超聲波作用于煤體孔隙介質(zhì)后，其增加的應(yīng)變能達(dá)到塑性屈服狀態(tài)，裂縫開始延伸和擴(kuò)展，擴(kuò)大和聯(lián)通了原有氣體孔道，改善了瓦斯?jié)B流通道；另一方面，傳遞了超聲波的介質(zhì)，由于傳播速度的各向異性，在煤層孔隙介質(zhì)不同界面處產(chǎn)生了較強(qiáng)的剪應(yīng)力差，在這種應(yīng)力差的作用下，滲流通道的堵塞物質(zhì)被清除，進(jìn)一步提高了煤層的滲透率。功率超聲波增透技術(shù)具有方向性好、能量大、穿透能力強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)等技術(shù)優(yōu)勢[13-15]，該技術(shù)不需要向煤層內(nèi)注入除純水以外的其他添加物，煤層不會受到污染，同時可以利用換能器電極定向輸出超聲波，實現(xiàn)有選擇性和方向性地改造局部低滲透煤層；通過調(diào)節(jié)超聲波的頻率、作業(yè)強(qiáng)度和次數(shù)，實現(xiàn)不同煤層的可控性和精細(xì)化改造；作業(yè)中伴生的電磁輻射效應(yīng)，可進(jìn)一步促進(jìn)煤層中吸附瓦斯的解吸。

根據(jù)能量平衡、系統(tǒng)穩(wěn)定原理分析煤儲層的運(yùn)動(動力學(xué))特性，煤層有效吸收能量與超聲波能量的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示：

Q=AU2/3

(1)

式中，Q為煤層有效吸收能量；A為相關(guān)參數(shù)；U為超聲波產(chǎn)生的能量。

超聲波能量可以改善液體的流動性能，根據(jù)Darcy定律，孔隙介質(zhì)中流體的速度與孔隙流體壓強(qiáng)的梯度成正比，其方向是與壓強(qiáng)梯度方向相反(固相靜止條件下)。流體滲流方程如(2)式所示：

(2)

式中，η為流體黏滯系數(shù)；k為煤體滲透率；Pf為孔隙壓力。

2 功率超聲波增透煤層現(xiàn)場試驗

2.1 試驗地點(diǎn)概述

試驗地點(diǎn)選在山西某礦，該礦區(qū)走向長1 800 m，傾斜寬平均540 m。礦井原南翼采區(qū)是瓦斯事故的重災(zāi)區(qū)。煤層瓦斯含量高，根據(jù)地質(zhì)資料提供，該區(qū)3煤瓦斯含量平均為14.4 m3/t，7煤瓦斯含量平均為12.8 m3/t，12煤瓦斯含量平均為12.5 m3/t。本次超聲波增透煤層12煤層透氣性系數(shù)0.000 2～0.000 6 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.055 15 d-1，屬于較難抽放類別，存在著煤與瓦斯突出的危險性，且具有煤粉塵爆炸性，自燃傾向性。本次通過對12煤工作面上打多個順層鉆孔利用功率超聲波作業(yè)和普通鉆孔抽采進(jìn)行抽采效果比較，來驗證功率超聲波技術(shù)的可行性和有效性。

2.2 功率超聲波增透裝置及增透工藝

功率超聲波煤層增滲裝備主要由地面儀、電纜、電源切換裝置、磁定位儀、伽馬儀、監(jiān)測模塊及換能器組成，地面儀主要通過電源給高聚能電容器充電，之后將儲存的電能量傳輸給換能器，換能器在充滿水的鉆孔中以液電效應(yīng)將電能瞬間釋放，形成高峰值的爆炸應(yīng)力沖擊波，聲波穿透整個煤儲層，工作頻率為3～6次/min。為了適應(yīng)煤層鉆孔的增滲作業(yè)，將功率超聲波驅(qū)動源設(shè)計成棒狀結(jié)構(gòu)，主要由升壓器、儲能電容、能量轉(zhuǎn)換器等組成。超聲波發(fā)生設(shè)備如圖1所示。

圖1 鉆孔功率超聲波發(fā)生裝置Fig.1 Drilling power ultrasonic generator

由發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)按照設(shè)定的流程工作，通過高功率傳輸電纜，經(jīng)過適配器傳輸?shù)桨l(fā)生裝置中。發(fā)射機(jī)為儲能電容器充電蓄能，當(dāng)存儲能量達(dá)到設(shè)定的閾值后，能量控制器迅速接通儲能電容器和轉(zhuǎn)換器，存儲在電容器中的電能經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生超聲波。

現(xiàn)場實施中，當(dāng)鉆孔打好之后，采用鉆桿將功率超聲波裝置推送到目標(biāo)煤層段中，通過高功率傳輸電纜連接孔內(nèi)裝置和發(fā)射機(jī)，將孔密封并在鉆孔內(nèi)注滿水。將整個鉆孔目標(biāo)層分為幾個作業(yè)段，依次進(jìn)行作業(yè)。此次，從順層孔底開始，在每個作業(yè)段依次進(jìn)行若干次增透，之后將超聲波孔內(nèi)裝置后退移動到下一個作業(yè)段，直到孔口。功率超聲波煤層増滲作業(yè)如圖2所示。

圖2 功率超聲波井下煤層作業(yè)示意Fig.2 Schematic diagram of underground coal seam operation by power ultrasonic wave

2.3 煤層相關(guān)參數(shù)及鉆孔布置

目標(biāo)煤層是由1～6個煤分層結(jié)合而成的復(fù)合煤層，厚度為0.28～4.05 m，平均厚度2.05 m，夾矸2層。煤層頂板巖性為致密的細(xì)砂巖、泥巖；底板巖性為淺灰色的黏土巖、粉砂巖。瓦斯含量平均為12.5 m3/t，有煤與瓦斯突出的危險性，具有煤粉塵爆炸性、自燃傾向性。

為了比較超聲波增透技術(shù)對煤層改造的影響，在工作面鄰近區(qū)域分別進(jìn)行功率超聲波增透抽采及常規(guī)鉆孔抽采。依據(jù)功率超聲波增透煤層技術(shù)原理和現(xiàn)場作業(yè)條件，將試驗鉆孔布置在工作面回風(fēng)巷中，采用順層的鉆孔方式，鉆孔深度為90 m。在現(xiàn)場實施中，利用鉆桿將超聲波產(chǎn)生裝置送至目標(biāo)煤層段，同時將孔口密封且在孔里面住滿水。將一個增透孔分成若干個作業(yè)標(biāo)段，從里到位實施作業(yè)，從孔底開始，在每個作業(yè)段重復(fù)增透若干次，完成后將沖擊發(fā)生裝置后退至下一個作業(yè)標(biāo)段，直到孔口。此次增透作業(yè)頻率50000Hz，增透次數(shù)為0.5m/次，工作面鉆孔布置方式如圖3所示。其中，對回風(fēng)巷道的3個鉆孔實施了超聲波增透作業(yè)，超聲波鉆孔間距20 m，之后在超聲波增透區(qū)域內(nèi)每隔5 m分別施工若干個鉆孔，避免超聲波增透對常規(guī)抽采孔的影響，而在距離超聲波增透100 m的位置施工相同數(shù)量的普通抽采鉆孔，鉆孔間距為5 m，采用水泥砂漿封孔，封孔長度為12 m，施工鉆孔的參數(shù)均一致。

圖3 鉆孔布置示意Fig.3 Borehole layout diagram

2.4 抽采效果分析

功率超聲波工作結(jié)束后在增透區(qū)內(nèi)施工抽采鉆孔進(jìn)行效果考察，瓦斯抽采負(fù)壓為40 kPa，在抽放支管進(jìn)入干(主)管連接前安設(shè)孔板流量計進(jìn)行抽放量、混合量的考察及計量。經(jīng)過測定，抽采60 d之后，功率超聲波增透區(qū)域的煤層瓦斯含量降低到7.59 m3/t，達(dá)到了防突規(guī)定的要求，在同等條件下，施工普通鉆孔需要150 d抽采瓦斯才能達(dá)到防突規(guī)定(即<8 m3/t)要求，并且采用了密集鉆孔的方式，即鉆孔間距為3 m。通過對增透前后的數(shù)據(jù)分析及計算，繪制煤層經(jīng)過超聲波增透與普通瓦斯抽采區(qū)域的平均單孔瓦斯抽采純量和濃度的對比曲線，對增透前后瓦斯抽采效果進(jìn)行對比分析。各組鉆孔30 d瓦斯抽采濃度及純量對比曲線如圖4、圖5所示。經(jīng)過功率超聲波增滲與常規(guī)單孔日瓦斯抽采瓦斯純量如圖6所示。由圖4—圖6可以看出，功率超聲波后瓦斯抽采濃度比未增透區(qū)域瓦斯抽采濃度有大幅提高。未增透區(qū)域三組孔平均抽采濃度為26.7%，經(jīng)過功率超聲波增透后瓦斯平均抽采濃度為60.4%，是未區(qū)域瓦斯抽采濃度的2.26倍。與原始未增透區(qū)域相比，功率超聲波增透后抽采鉆孔瓦斯抽采純量有較大的提高。未增透區(qū)域平均單孔瓦斯抽采純量為0.002 8 m3/min，功率超聲波增透區(qū)域平均單孔瓦斯抽采純量為0.010 2 m3/min，經(jīng)過功率超聲波增透后區(qū)域的瓦斯平均單孔純量是未增透區(qū)域的3.67倍。經(jīng)過功率超聲波增滲后，衰減系數(shù)亦同樣變小，單孔日抽瓦斯純量增大明顯。

圖4 各抽采鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛葘Ρ惹€ Fig.4 Comparison curve of gas extraction concentration in each extraction hole

圖5 各抽采鉆孔平均瓦斯抽采純量對比曲線Fig.5 Comparison curve of gas extraction purity of each extraction hole

圖6 不同條件下抽采鉆孔日抽采瓦斯量擬合曲線Fig.6 Fitting curve of daily gas extraction volume in different conditions

由上述分析可知，與煤層未增透區(qū)域相比較，煤層經(jīng)過功率超聲波增透后瓦斯的抽采純量和抽采濃度都有較大程度提高，極大地增加了煤層的滲透率，促進(jìn)了瓦斯流動，能夠顯著地降低煤層瓦斯抽采鉆孔工程量，降低工程成本。

3 結(jié)論

(1)煤層存在著諸多天然缺陷、裂縫，足夠能量的超聲波作用于煤體孔隙介質(zhì)后，其增加的應(yīng)變能達(dá)到塑性屈服狀態(tài)，裂縫開始延伸和擴(kuò)展從而形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，改善了瓦斯?jié)B流通道；同時，由于煤層本身的非均質(zhì)儲層特性，超聲波的傳播速度存在各向異性，在煤層孔隙介質(zhì)不同界面處產(chǎn)生較強(qiáng)的剪應(yīng)力差，滲流通道的堵塞物質(zhì)被清除，進(jìn)一步提高了煤層的滲透率，有利于煤儲層中吸附氣的解吸、擴(kuò)散和滲流。

(2)功率超聲波增透技術(shù)具有方向性好、能量大、穿透能力強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)等技術(shù)優(yōu)勢，該技術(shù)不需要向煤層內(nèi)注入除純水以外的其他添加物，煤層不會受到污染，同時可以利用換能器電極定向輸出超聲波，實現(xiàn)有選擇性和方向性地改造局部低滲透煤層。通過調(diào)節(jié)超聲波的頻率、作業(yè)強(qiáng)度和次數(shù)，實現(xiàn)不同煤層的可控性和精細(xì)化改造；作業(yè)中伴生的電磁輻射效應(yīng)，可以進(jìn)一步促進(jìn)煤層中吸附瓦斯的解吸。

(3)2130煤礦現(xiàn)場試驗表明，功率超聲波增透后區(qū)域的瓦斯平均單孔純量是未增透區(qū)域的3.67倍，抽采瓦斯?jié)舛仁俏磪^(qū)域的2.26倍。功率超聲波增透技術(shù)可以有效提高瓦斯抽采濃度和抽采純量，能夠顯著地降低煤層瓦斯抽采鉆孔工程量，降低工程成本。