随着煤层开采深度的加大,高地应力、高瓦斯与低渗的耦合作用更加剧了煤岩动力灾害风险。对于低透突出煤层存在瓦斯抽采效率低、达标周期长导致采掘接替紧张的核心问题,提出基于水力压裂—超声波协同致裂增透的方法,综合运用理论计算、数值模拟及实验室测试等多种研究手段,提出了一种针对低透气性突出煤层的超声波增透致裂强化增透促抽技术,揭示了超声波频率—功率参数对煤体孔隙演化及瓦斯吸附特性的影响规律,建立了水力压裂—超声波协同增透技术体系,研制了一套超声波增透装置,实现了低透气性煤层瓦斯高效抽采的工程化应用。主要研究成果如下: (1)揭示了煤体超声致裂增透的物理机理。系统探究了超声波作用下物质微粒受强烈物理震动,影响其在不同介质中的传播特性与应用效果;深入剖析了超声波发生器将直流电转换为超声波电能信号并传递给换能器生成超声波的过程;全面分析了干燥煤体和含水煤体超声波的空化效应和振动效应,证实其对瓦斯解吸运移及煤岩破碎的促进作用;探讨了从能量角度研究超声波致裂增透规律,表明其可改变介质结构性质实现增透;超声波通过机械振动与空化效应协同提升煤体渗透率并促进瓦斯解吸,其作用机理包括改变孔隙结构、增加瓦斯扩散路径,以及加速吸附态瓦斯向自由态的转变。 (2)验证了超声波致裂增透效应,阐明了其微观演化机制。真三轴压裂实验表明,水力压裂在煤体内形成主裂隙网络,显著提升初始渗透率(最高达原始煤体的2倍),但受限于单一主裂隙扩展模式,未产生次级衍生裂隙。在预实验过程中,直接对煤体进行超声波增透试验时,由于煤体本身裂隙较少,超声激励后的裂纹扩展效果并不显著。煤体经水力压裂后,采用20 k Hz、28 k Hz、40 k Hz三种不同超声波激励,试验得出在28 k Hz超声波功率下,显示出最佳的效果和能耗比,最大裂隙长度37.6 mm,渗透率增幅达136.84%-255.26%,BET比表面积(89.37 m²/g)与孔隙体积(0.89 cm³/g)较原煤提升95倍以上。煤体受到水力压裂的影响,煤体内部演化出了新的主裂隙,但并未产生衍生裂隙。新产生的主裂隙使煤体产生了分割,煤体自身的频率得到提高,更容易与超声波产生相互作用。水力压裂为煤体和超声波达到共振状态提供了有利条件,促进了主裂隙对应的衍生裂隙和微小初始裂隙在煤体中的产生和发展,从而使煤体裂隙增多,达到增透的效果。 (3)构建了水力压裂、超声波激励、“水力压裂—超声波激励协同增透”三种增透模型,利用COMSOL软件的多场耦合功能对该过程进行了模拟,定量解析了煤层超声波损伤增透和瓦斯抽采效果的演化规律。采用超声二次激励显示的围岩损伤的范围有一定增加,对应的煤体渗透率也较其他两种方式增大,提高了瓦斯抽采效果。 (4)基于前述研究成果的基础上,综合考虑低透突出煤层现场瓦斯地质情况,开发了一套利用饱和水力压裂的超声波致裂增透设备。该设备首次将多周期循环超声波与饱和水力压裂技术深度耦合,通过水介质能量传递、多周期循环增透致裂机制,实现了低透突出煤体孔隙结构改造与瓦斯解吸动力提升的双重突破。其功率为5~30 k W、换能器频率为18~40 k Hz,对目标位置可采用不同频率超声波对其进行增透。该设备可进一步提升煤层的渗透性,增强煤体的瓦斯解吸和促流效果,以实现水力压裂与多周期循环超声波的协同作用,从而高效抽采瓦斯。 (5)验证并考察了红阳二矿的超声波增透致裂的效果。通过单周期和多周期循环超声波致裂增透煤体,得出适当地增加增透时间,能够提高瓦斯抽采效果。现场实测多周期致裂后透气性系数最大增大至0.143 m²/(MPa².d),是原始煤体透气性系数的7.15倍,是单次超声波致裂煤体透气性系数的3.4倍。分别对原始煤体、超声波致裂增透与高压水射流分级造穴增透效果进行了对比分析,多周期超声波致裂增透呈现出了明显的优势,增透后瓦斯浓度已增加至1.1~2倍,增透后的瓦斯抽采纯量增加至1.7~5倍。 图[109]表[19]参[172]