CN104989338B - 一种控制煤矿瓦斯渗透的方法及气动声波发生装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种控制煤矿瓦斯渗透的方法，其能够避免大面积破坏煤体强度，使瓦斯分子活性增强加速解吸，从而增加煤层瓦斯抽采的效率，提高煤层瓦斯抽采浓度和抽采量，确保煤矿采掘活动不受瓦斯涌出威胁。其包括步骤：(1)在煤矿未抽采瓦斯区域，钻出若干个钻孔；(2)将声波发生装置放入钻孔下指定深度的位置，声波发生装置发出的声波波长为λ，指定深度为1/4λ～1/2λ；(3)启动声波发生装置，使其产生频率为30～500Hz、声级为大于等于70dB的声波，从而形成大量游离瓦斯。还提供了使用这种控制煤矿瓦斯渗透的方法的气动声波发生装置。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全、煤矿瓦斯抽采、煤层瓦斯开采的技术领域，具体涉及到一种控制煤矿瓦斯渗透的方法，以及使用该方法的气动声波发生装置。
背景技术
煤炭资源是目前我国的主要能源，即使随着科技进步和节能工艺的发展，全国煤炭消费总量仍然呈现增长态势，到2020年国内煤炭消费需求总量将超过25亿吨。然而，随着煤层开采深度的增加和开采速度的加快，煤矿安全事故频发，尤其是煤矿瓦斯灾害严重。煤矿瓦斯灾害给国家和人民的生命财产安全带来巨大威胁，煤矿瓦斯灾害防治成为煤矿安全高效生产的必要措施。
煤矿瓦斯事故的发生与煤田地质条件密切相关。我国大部分煤田构造中原生孔隙和割理系统遭到破坏，后经长期的地应力和地温共同作用下重新压实固结，构造运动活动期产生的大量裂隙闭合，煤层透气性降低，造成瓦斯抽采困难。因此，控制煤矿瓦斯渗透是瓦斯地质灾害防治和煤层气开采的关键。
煤矿瓦斯抽采受到煤层瓦斯赋存特性的制约，抽采效率不一、相差甚大。目前我国煤矿瓦斯抽采的主要方法是对采区卸压增透，如保护层开采、底板岩巷穿层孔抽采、开采层爆破预裂增透、水力冲孔、水力割封等技术措施。但是，这些技术措施都存在工程成本高、对煤体破坏性强、易引发次生灾害和裂缝随地应力增大而闭合等缺点。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种控制煤矿瓦斯渗透的方法，其能够避免大面积破坏煤体强度，使瓦斯分子活性增强加速解吸，从而增加煤层瓦斯抽采的效率，提高煤层瓦斯抽采浓度和抽采量，确保煤矿采掘活动不受瓦斯涌出威胁。
本发明的技术解决方案是：这种控制煤矿瓦斯渗透的方法，其包括以下步骤：
(1)在煤矿未抽采瓦斯区域，钻出若干个钻孔；
(2)将声波发生装置放入钻孔下指定深度的位置，声波发生装置发出的声波波长为λ，指定深度为1/4λ～1/2λ；
(3)启动声波发生装置，使其产生频率为30～500Hz、声级为大于等于70dB的声波，从而形成大量游离瓦斯。
还提供了采用这种控制煤矿瓦斯渗透的方法的气动声波发生装置，其包括进气嘴、铝合金板、进气端盖、密封垫、脉冲气室、拉瓦喷管进气座、拉瓦喷管连接垫、拉瓦喷管出气座、导气管、排污管，其包括进气嘴、钛膜片、进气端盖、密封垫、脉冲气室、拉瓦喷管进气座、拉瓦喷管连接垫、拉瓦喷管出气座、导气管、排污管，钛膜片安装在进气端盖内，密封垫在进气端盖和脉冲气室之间，拉瓦喷管连接垫连接拉瓦喷管进气座和拉瓦喷管出气座，拉瓦喷管出气座的入口小而出口大，排污管的上面连接抽气装置且下面连接排水排渣装置，通过脉冲气室进入的压缩空气使钛膜片反复弯曲回弹，再通过拉瓦喷管进气座产生向前导气管方向振动的声波，该声波通过拉瓦喷管出气座放大后经过导气管进入钻孔，从钻孔解吸的瓦斯的气体部分进入排污管上面的抽气装置，从钻孔解吸的瓦斯的固体部分进入排污管下面的排水排渣装置。
本发明利用压缩空气为动力，通过气动声波发声装置将频率为30～500Hz、声级为大于等于70dB的声波导入瓦斯抽采钻孔的1/4λ～1/2λ位置处；利用声波在钻孔中的直射、反射和绕射等形式叠加形成一个不留死角的强大谐振声场，循环往复地作用在钻孔内表面，声波从钻孔内表面渗透进入煤体形成机械波，通过机械波的传播使煤体吸附瓦斯活性增强，分子间的渗透速度增快而形成游离瓦斯；当游离瓦斯大量增加时形成气体正压，游离瓦斯通过煤分子表面空间沿压力差方向运动。因此能够避免大面积破坏煤体强度，使瓦斯分子活性增强加速解吸，从而增加煤层瓦斯抽采的效率，提高煤层瓦斯抽采浓度和抽采量，确保煤矿采掘活动不受瓦斯涌出威胁。
附图说明
图1为煤样取样钻孔布置示意图；
图2示出了不同干扰频率与自然解吸状态条件下煤样解吸量随时间的变化关系，图2a为30～80Hz干扰频率与自然状态条件下煤样解吸量与时间的关系，图2b为80～130Hz干扰频率与自然状态条件下煤样解吸量与时间的关系，图2c为130～200Hz干扰频率与自然状态条件下煤样解吸量与时间的关系，图2d为200～500Hz干扰频率与自然状态条件下煤样解吸量与时间的关系；
图3为钻孔扰动前后瓦斯抽采浓度、纯量变化图，图3a为干扰前后总孔板平均瓦斯抽采浓度变化图，图3b为干扰前后总孔板最大瓦斯抽采浓度变化图，图3c为干扰前后总孔板平均瓦斯抽采纯量变化图，图3d为干扰前后总孔板最大瓦斯抽采纯量变化图。
图4为不同深度扰动下钻孔瓦斯抽采浓度、纯量变化图，图4a为钻孔内不同深度低频干扰后总孔板瓦斯抽采浓度变化图，图4b为钻孔内不同深度低频干扰后总孔板瓦斯抽采纯量变化图。
图5为根据本发明的气动声波发声装置的结构示意图。
具体实施方式
这种控制煤矿瓦斯渗透的方法，其包括以下步骤：
(1)在煤矿未抽采瓦斯区域，钻出若干个钻孔；
(2)将声波发生装置放入钻孔下指定深度的位置，声波发生装置发出的声波波长为λ，指定深度为1/4λ～1/2λ；
(3)启动声波发生装置，使其产生频率为30～500Hz、声级为大于等于70dB的声波，从而形成大量游离瓦斯。
为了验证声波发生装置的发生频率与瓦斯渗透量的关系，执行了以下试验。
试验一、30～500HZ频率扰动下的煤样瓦斯解吸效果试验
(1)试验地点及取样过程
本次试验地点为余吾煤业N2103胶顺掘进工作面，在验证了低频声波扰动能够有效促进煤体解吸的前提下，进一步试验不同频率扰动与自然状态条件下的煤体瓦斯解吸效果，将气动发声装置频率30～500HZ划分为18个单元，考察不同频率干扰的解吸量变化，在工作面巷帮施工15个深度20m的钻孔进行瓦斯解吸试验，取同等质量的煤样19个，为了避免钻孔串孔，设定钻孔间距为2m，取样地点标高一致，无地质构造，未进行抽采，煤体瓦斯含量可视为定值，如图1所示。
(2)试验数据及效果分析
将所取19组煤样在地面进行解吸试验，1#煤样为自然状态解吸，2#～15#为不同频率干扰下的煤样解吸，如表1所示，各煤样在30分钟内解吸量如表2所示。
表1
表2
通过表2数据，可以得出不同频率干扰及自然状态解吸条件下煤样的解吸量随时间的变化关系，如图2所示，从表2可知，自然状态下煤样的解吸量为366ml，而施加干扰频率后，干扰频率在80～130HZ时，煤样的解吸量最大，为740ml，频率在400～500HZ时，煤样的解吸量仅为372ml，随着干扰频率的增大，煤样的解吸量呈现出先增后降的趋势，在80～130HZ出现最大值，然后随着干扰频率的增加，解吸量明显下降，此外，施加了干扰频率的煤样始终瓦斯解吸量要高于自然状态下的煤样解吸量，这也进一步验证了煤样受低频扰动能够有效地促进煤样中瓦斯的解吸速度，提高煤样的瓦斯解吸量。
图2a中反映了施加30～80HZ频率扰动下的煤样解吸量，随着频率的增大解吸量明显增加，频率扰动下的煤样解吸速率明显高于自然状态下煤样解吸速率，解吸量最高增加了260ml；图2b中反映了施加80～130HZ频率扰动下的煤样解吸量，最大解吸量740ml，最低解吸量704ml，施加频率超过130HZ后，煤样的瓦斯解吸量随着频率的增大发生下降，说明煤样的固有频率临界范围为80～130HZ，超过临界值后煤体中的部分吸附状态瓦斯解吸速度下降，80～130HZ频率范围内瓦斯解吸效果明显；图2c反映了施加130～200HZ频率下的煤样瓦斯解吸量，此频段范围内瓦斯解吸量明显低于50～80HZ频率范围内的瓦斯解吸量，随着频率的增大煤样瓦斯解吸量呈现明显的下降趋势；图2d反映了施加200～500HZ频率下的煤样瓦斯解吸量，此频段瓦斯初始解吸速率与自然状态解吸速率相同，瓦斯解吸量最大增加80ml。
优选地，所述步骤(1)中，每个钻孔的地点标高相同且无地质构造，钻孔的间距为2米，钻孔的深度为20米。
优选地，所述步骤(2)中，λ＝5米。
优选地，所述步骤(2)中，指定深度为1.5米。
为了验证80～130HZ频率扰动下的钻孔瓦斯抽采效果，执行了以下试验。
通过不同频率扰动下的煤体解吸试验，可知在施加80～130HZ频率时，煤体瓦斯解吸效果较好，煤体的瓦斯解吸速度大，大量的吸附状态的瓦斯能够快速转化为游离瓦斯，在煤体裂隙中运移，通过钻孔抽采能够明显提高瓦斯抽采浓度和抽采纯量，基于此，特制了此频率段的气动发声装置，选取迎头实施预抽的掘进工作面进行现场试验。
(1)试验地点概况
该掘进工作面迎头共施工预抽钻孔24个，孔径113mm，孔深120m，封孔深度8m，每6个钻孔并为一组，共4组钻孔，设置一个总孔板流量计，能够对迎头预抽钻孔的瓦斯抽采浓度、纯量进行测定，实施低频扰动前后的瓦斯抽采浓度及抽采纯量如表3所示。
表3
(2)实验效果分析
通过对迎头预抽钻孔进行低频扰动，4组钻孔的瓦斯抽采浓度、抽采纯量均有了明显的提升，扰动前总孔板抽采浓度最大为50％，平均为36％，最大纯量0.09m3/min，平均为0.04m3/min，实施扰动后，总孔板实测瓦斯抽采浓度最大为94％，平均为56％，最大抽采纯量0.5m3/min，平均为0.22m3/min，瓦斯抽采效果显著提升，迎头抽采20天，累计瓦斯抽采量6336m3，有效降低了掘进前方煤体的瓦斯含量。
优选地，从图2-3中可以看出，所述步骤(3)中，声波发生装置产生频率为80～130Hz时瓦斯解吸效果明显。此时，声级可以为70～120dB。
另外，为了验证不同深度下声波发声装置与钻孔瓦斯抽采效果的关系，进行了以下试验。
在验证钻孔瓦斯抽采效果的基础上，进一步考察气动发声装置在钻孔不同深度条件下的抽采效果，各测定深度下的抽采浓度、纯量如表4所示。
表4
从图4和表4能够直观看出，气动发声装置在1.5m处对媒体进行扰动时，预抽钻孔的抽采浓度、纯量最高，瓦斯抽采效果最好，通过理论计算，气动发声装置的波长约为5m，而声波的高强度影响范围为1/4～1/2λ，此范围内的扰动强度最大，而现场也证明了气动发声装置在1.5m处扰动下的抽采效果最好，进一步验证了气动发声装置的高强度影响范围。
通过以上试验，可以得出以下几个方面的结论：
(1)对煤样施加30～500Hz频率扰动后，煤样的瓦斯解吸量明显高于自然状态条件下的解吸量，进一步验证了对煤体施加低频扰动能够明显促进煤体的瓦斯解吸速度，促进煤体的吸附瓦斯向游离瓦斯转化，提高煤体的瓦斯解吸量。
(2)验证了不同频率干扰下煤样的解吸量存在明显的变化，对煤体施加80～130Hz低频扰动，煤样瓦斯解吸效果最好，最大瓦斯解吸量可达740ml，比煤样自然解吸量提高了374ml，且30～80Hz频段范围内的煤样解吸量高于130～500Hz频段的瓦斯解吸量，说明对煤体施加低频扰动能更有效的提高煤体瓦斯解吸量。
(3)通过施加不同频率扰动，可以初步得出煤体瓦斯的固有频率临界范围为80～130Hz，临界值附近的低频扰动瓦斯解吸效果最好。
(4)在迎头钻孔施加了80～130Hz低频扰动后，钻孔瓦斯抽采效果明显提升，最大抽采纯量0.5m3/min，比扰动前最大纯量提高了5倍，钻孔平均瓦斯浓度56％，且施加低频扰动后钻孔浓度长期稳定在50％以上，能够显著降低掘进前方煤体的瓦斯含量。
(5)通过在钻孔不同深度放置气动发声装置，可知在钻孔内1.5m处时，瓦斯抽采效果最好，抽采浓度、纯量均达到了峰值，进一步验证了气动发声装置的最强影响范围为1/4～1/2λ。
优选地，所述步骤(3)中，声波发生装置为气动声波发生装置，该气动声波发生装置配置来利用压缩空气为动力，将产生的声波导入钻孔中；声波从钻孔内表面渗透进入煤体形成机械波，通过机械波的传播使煤体吸附瓦斯活性增强，分子间的渗透速度增快而形成游离瓦斯；当游离瓦斯大量增加时形成气体正压，游离瓦斯通过煤分子表面空间沿压力差方向运动。
如图5所示，还提供了采用这种控制煤矿瓦斯渗透的方法的气动声波发生装置，其包括进气嘴、铝合金板、进气端盖、密封垫、脉冲气室、拉瓦喷管进气座、拉瓦喷管连接垫、拉瓦喷管出气座、导气管、排污管，其包括进气嘴1、钛膜片2、进气端盖3、密封垫4、脉冲气室5、拉瓦喷管进气座6、拉瓦喷管连接垫7、拉瓦喷管出气座8、导气管9、排污管10，钛膜片安装在进气端盖内，密封垫在进气端盖和脉冲气室之间，拉瓦喷管连接垫连接拉瓦喷管进气座和拉瓦喷管出气座，拉瓦喷管出气座的入口(靠近拉瓦喷管进气座端)小而出口(靠近导气管端)大，排污管的上面连接抽气装置且下面连接排水排渣装置，通过脉冲气室进入的压缩空气使钛膜片反复弯曲回弹，再通过拉瓦喷管进气座产生向前导气管方向振动的声波，该声波通过拉瓦喷管出气座放大后经过导气管进入钻孔，从钻孔解吸的瓦斯的气体部分进入排污管上面的抽气装置，从钻孔解吸的瓦斯的固体部分进入排污管下面的排水排渣装置。
本发明利用压缩空气为动力，通过气动声波发声装置将频率为30～500Hz、声级为大于等于70dB的声波导入瓦斯抽采钻孔的1/4λ～1/2λ位置处；利用声波在钻孔中的直射、反射和绕射等形式叠加形成一个不留死角的强大谐振声场，循环往复地作用在钻孔内表面，声波从钻孔内表面渗透进入煤体形成机械波，通过机械波的传播使煤体吸附瓦斯活性增强，分子间的渗透速度增快而形成游离瓦斯；当游离瓦斯大量增加时形成气体正压，游离瓦斯通过煤分子表面空间沿压力差方向运动。因此能够避免大面积破坏煤体强度，使瓦斯分子活性增强加速解吸，从而增加煤层瓦斯抽采的效率，提高煤层瓦斯抽采浓度和抽采量，确保煤矿采掘活动不受瓦斯涌出威胁。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.一种控制煤矿瓦斯渗透的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)在煤矿未抽采瓦斯区域，钻出若干个钻孔；
(2)将声波发生装置放入钻孔下指定深度的位置，声波发生装置发出的声波波长为λ，指定深度为1/4λ～1/2λ；
(3)启动声波发生装置，使其产生频率为80～500Hz、声级为大于等于70dB的声波，从而形成大量游离瓦斯；
所述步骤(3)中，声波发生装置为气动声波发生装置，该气动声波发生装置配置来利用压缩空气为动力，将产生的声波导入钻孔中；声波从钻孔内表面渗透进入煤体形成机械波，通过机械波的传播使煤体吸附瓦斯活性增强，分子间的渗透速度增快而形成游离瓦斯；当游离瓦斯大量增加时形成气体正压，游离瓦斯通过煤分子表面空间沿压力差方向运动。
2.根据权利要求1所述的控制煤矿瓦斯渗透的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，每个钻孔的地点标高相同且无地质构造，钻孔的间距为2米，钻孔的深度为20米。
3.根据权利要求2所述的控制煤矿瓦斯渗透的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，λ＝5米。
4.根据权利要求3所述的控制煤矿瓦斯渗透的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，指定深度为1.5米。
5.根据权利要求4所述的控制煤矿瓦斯渗透的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，声波发生装置产生频率为80～130Hz。
6.一种根据权利要求5所述的控制煤矿瓦斯渗透的方法的气动声波发生装置，其特征在于，其包括进气嘴(1)、钛膜片(2)、进气端盖(3)、密封垫(4)、脉冲气室(5)、拉瓦喷管进气座(6)、拉瓦喷管连接垫(7)、拉瓦喷管出气座(8)、导气管(9)、排污管(10)，钛膜片安装在进气端盖内，密封垫在进气端盖和脉冲气室之间，拉瓦喷管连接垫连接拉瓦喷管进气座和拉瓦喷管出气座，拉瓦喷管出气座的入口小而出口大，排污管的上面连接抽气装置且下面连接排水排渣装置，通过脉冲气室进入的压缩空气使钛膜片反复弯曲回弹，再通过拉瓦喷管进气座产生向前导气管方向振动的声波，该声波通过拉瓦喷管出气座放大后经过导气管进入钻孔，从钻孔解吸的瓦斯的气体部分进入排污管上面的抽气装置，从钻孔解吸的瓦斯的固体部分进入排污管下面的排水排渣装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |