我国煤层气资源丰富,埋深2000m以浅的面积为4.15×10⁵km²,资源储量达3.68×10¹³m³,相当于4.2×10¹⁰t标准煤,排名世界第三仅次于俄罗斯和美国。煤层气是煤矿灾害事故的灾害源、是一种温室气体,但也是一种绿色、清洁能源,因此安全高效开发煤层气势在必行。鉴于声场这一新方法能高效开采煤层气,基于该理论与技术,论文通过SEM、BET、NMR三种无损测试技术,分析测试了声场处理前后煤的孔裂隙结构。利用自制的超声波作用下煤吸附、解吸、渗流实验装置,实验研究了声场作用下煤中甲烷的吸附、解吸与渗流特性,研究取得的主要成果有:(1)SEM、BET、NMR测试结果表明:超声波能清洗干净含水煤体表面及裂隙通道中的微颗粒,破碎松软煤体,产生新的裂隙;超声波处理后,煤的总孔容、比表面积、孔径、孔隙率增大,分形维数D₁减小、D₂增大,T₂谱峰值增大、使煤体的连通性增加,有利于煤层气的解吸、扩散和渗流;超声波处理后,煤的孔隙度与超声波功率呈线性递增关系,在此基础上建立了声场、温度场、渗流场和应力场耦合下的孔隙率经验模型。(2)不加声场与加声场条件下煤吸附甲烷规律相同,可以用Langmuir方程和D-R模型来描述,声场作用后甲烷吸附量随超声波功率的增加而降低,吸附模型参数比随超声波功率增加呈线性递减关系。声场作用前后煤中甲烷的解吸规律相同,通过拟合得出扩散模型拟合效果最好,解吸模型参数比随声强增加呈线性递增关系;声场作用后扩散系数D_F增大、传质毕欧准数B_i’减小;建立了声场作用下甲烷吸附、解吸模型。(3)声场作用前后,煤中甲烷渗透率随有效应力的增加呈负指数关系减小,声场作用下煤的渗透率增大;相同应力条件下,随着声场作用时间的增加,渗透率增大,后趋于稳定;渗透率随超声波功率呈线性增大,通过实验得到了声场作用下甲烷渗透率经验公式。(4)基于超声波的空化效应、机械振动效应、热效应,分析了三个效应对煤层孔裂隙结构、煤层气解吸与渗流特性的影响,揭示了声场强化煤层气高效抽采的机理。