多级脉冲超声波技术在煤矿瓦斯灾害防治中的应用研究

多级脉冲超声波技术在煤矿瓦斯灾害防治中的应用研究

多级脉冲超声波技术在煤矿瓦斯灾害防治领域展现出巨大潜力。研究表明，该技术不仅能有效改善煤体孔隙结构，还能显著促进瓦斯解吸，为低渗透煤层的瓦斯抽采提供了一种新的解决方案。

研究背景

瓦斯抽采是保障煤矿安全生产的重要措施，同时也能为实现“30·60”双碳目标提供清洁能源支持。然而，我国大部分矿区煤层渗透率较低，传统的瓦斯预抽效果并不理想。近年来，超声波增透技术因其能有效改造煤体孔隙结构而受到广泛关注。

目前的研究主要集中在超声波持续或单级脉冲激励对煤体的影响，但关于多级脉冲超声波的作用机制尚不明确。本研究通过自主研发的含瓦斯煤体超声波激励试验系统，系统地分析了不同功率和不同含水率条件下煤体的孔隙结构及瓦斯解吸特征，以期为低渗透煤层的瓦斯抽采提供技术支持。

研究方法与装置

研究采用自主研发的含瓦斯煤体超声波激励试验系统（图1），通过控制超声波功率、脉冲次数和煤体饱水度等参数，分析其对煤体孔隙结构及瓦斯解吸的影响规律。

图 1 多级脉冲超声激励煤体瓦斯解吸试验系统

实验结果与分析

超声波持续激励对煤体的影响

实验发现，随着超声波功率和煤体饱水度的增加，煤体的平均孔径、比表面积和总孔容均呈现增大的趋势。当超声波功率达到1000W时，与干燥煤体相比，煤体在25%饱水度时比表面积和总孔容分别增加了4.369%和3.504%，而在100%饱水度时则分别增加了7.699%和8.992%。

瓦斯解吸量与时间呈Langmuir型关系，且瓦斯解吸量和解吸率均与超声波功率、煤体饱水度呈正相关性。与干燥煤体相比，煤体的瓦斯解吸量和解吸率增幅随煤体饱水度的增加呈线性增大趋势，表明超声波激励对饱水煤体的孔隙改造及瓦斯解吸效果最佳。

多级脉冲超声波激励对煤体的影响

研究发现，随着多级脉冲次数的增加，饱水煤体的比表面积、总孔容以及瓦斯解吸量和解吸率均呈现增大的趋势。与1000W超声波持续激励相比，煤体的比表面积和总孔容增幅与多级脉冲次数呈正幂函数关系。具体而言，煤体的瓦斯解吸量和解吸率增幅由多级脉冲1次时的2.745%和4.598%，分别增加到3次时的27.222%和11.106%，且与多级脉冲次数呈正线性关系。

图 9 超声波激励方式对煤体孔隙及瓦斯解吸参数的影响

机理分析

多级脉冲超声波激励含水煤体时，产生的振动和空化复合效应使煤基质发生疲劳损伤，从而强化了煤体的孔隙改造效果。同时，这种激励方式还能加剧瓦斯分子的动能，进而促进煤体瓦斯的解吸。现场应用时，可通过研发多级脉冲超声波发射器结合水力化技术来实现煤层增透瓦斯抽采。

图 11 超声波激励煤层增透示意

结论

研究揭示了多级脉冲超声波对含水煤体孔隙改造及瓦斯解吸的影响规律，为低渗透煤层的瓦斯抽采提供了一种新的技术方案。现场应用时，可通过研发多级脉冲超声波发射器结合水力化技术来实现煤层增透瓦斯抽采。

本文原文来自《煤炭学报》，作者为西安科技大学安全科学与工程学院林海飞教授团队。