低透突出煤层超声波增透技术的研究

毕成业

摘要：红阳二矿南翼三采区12煤有突出危险，针对12煤层透气性系数低，钻孔瓦斯流量衰减快，瓦斯抽放效果不理想的现状，在南三-780底板巷采用超声波增透技术。通过向12煤层中施工钻孔，将换能器送入煤层段，换能器将电信号转换成超声机械振动。使煤层受到震动，产生微裂缝提高煤层透气性。

关键词：突出煤层;超声波增透;煤层透气性

一、超声波增透原理及目的

高能超声波煤层处理机理是利用大功率超声波发射机将电功率转化成为高频电信号，通过超声波传输电缆，将电信号传输到煤层相应位置的换能器上转换成大功率超声波，大功率超声波在煤层中（含水）主要起到三方面的作用，震动作用、空化作用和热作用，局部形成高温、高压，促进氧化-还原反应，高分子物质解聚，使胶质的沥青质分子、蜡分子产生断裂等化学效应，通过解除孔隙堵塞、产生微裂缝提高煤层透气性，从而增加煤层瓦斯抽采量，降低煤层中瓦斯含量。

利用超声波振动疏通煤层原有裂缝，并产生新微裂缝，增加煤岩渗透率，以便更大限度地抽采煤层中赋存的瓦斯，降低煤层中瓦斯含量，利于今后的安全开采。

二、超声波增透试验地点简介

本次超声波增透试验地点为南三-780底板巷，该底板巷已施工穿层预抽钻孔1935个，钻孔布孔方式5m×5m，预抽时间已达10年以上，现单孔瓦斯抽采浓度0～5%，主管路平均瓦斯抽采浓度1%，平均瓦斯抽采纯量0.05m3/min。2018年5月矿井对该预抽区域进行了区域防突措施效果检验，共布置24个效果检验测定钻孔，实测煤层残余瓦斯含量2.06～11.25m3/t，煤层残余瓦斯压力0.4～1MPa，个别测点仍存在超标现象，尚未完全实现区域性消突。因此必须采取小范围、小能量、小压力二次增透或多次增透的方式进一步提高抽采效果，实现抽采达标。所以选择引进超声波增透技术。

三、超声波增透方案与设计

超声波增透钻孔在-780底板巷第12组与第4号钻场穿层钻孔之间施工，钻孔要求穿过12煤层进入顶板0.5m，钻孔直径φ153mm，超声波增透钻孔平、剖面布置图如图1、2所示。

利用钻机将超声波增透设备（换能器、电缆）通过钻杆逐根连接送至预增透段（12煤层），煤层平均厚度为4米左右，钻孔穿煤段斜长为7米。采用后退方式，每1米对煤层进行超声波增透1小时。

由于超声波增透期间需要水为介质传播超声波，增透钻孔内事先下Φ16mm水绳，超声波增透期间连接静压水管持续向孔内供水，并保持孔内水压不低于 1MPa。孔口用Φ108mm铁管封孔。孔口外侧Φ108mm铁管内用橡胶圈等材料封堵严密，防止漏水。超声波增透设备连接图如图3所示。

四、超声波增透过程

2019年8月3日乙班，超声波增透相关人员到达作业地点后，施工人员用钻机配合将换能器及电缆送入孔内预定位置、连接电缆及其他设备，测量超声波增透钻孔两侧10m范围内抽采孔的单孔瓦斯抽采浓度和主管路瓦斯抽采参数。准备工作结束后，于13：19开始启动设备运转进行超声波振动增透，每增透1小时后停止设备运转，打钻人员操作钻机退钻1米再次进行增透。共计进行4次超声波增透，于18：00完成增透作业。超声波增透期间，-780底板巷主抽放管路停止抽放，设备及现场一切正常。

五、超声波增透试验效果考察

为了考察分析超声波增透效果，在增透前后，对-780底板巷主管路抽放参数及超声波增透钻孔两侧抽采孔单孔瓦斯抽采浓度进行了测量。

六、结论

1.超声波增透结束后，立即测量增透试验钻孔两侧20米范围内抽采孔的单孔瓦斯抽采浓度。通过测量结果可以确定超声波增透技术对煤层有增透效果。本次超声波设备和技術参数的选择增透影响范围在15米左右（效果最佳范围在6.5米以内）。

2.根据超声波增透前后瓦斯抽采参数测量结果显示，主管路瓦斯抽采浓度由增透前1%提高至7.2%，提高7倍;主管路瓦斯抽采纯量由增透前0.06m3/min提高至0.56m3/min，提高9倍;单孔瓦斯抽采浓度由增透前0～8%，平均0.7%，提高至0.1～36%，平均9.6%，平均提高约14倍。

3.通过增透前后瓦斯抽采效果看，钻孔瓦斯抽采浓度及流量衰减很快，增透12小时后基本恢复到未增透前状态，还需对超声波设备和技术参数进行调整和优化。

参考文献：

[1]曹垚林.水力化技术防治煤与瓦斯突出研究现状及展望[J].煤矿安全，2020，51（10）：7.

[2]高磊.超声波检测技术在水利工程中的应用及优化[J].水电水利，2020，4（1）：2.