一種控制煤礦瓦斯?jié)B透的方法及氣動聲波發(fā)生裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于煤礦安全、煤礦瓦斯抽采、煤層瓦斯開采的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種 控制煤礦瓦斯?jié)B透的方法，以及使用該方法的氣動聲波發(fā)生裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤炭資源是目前我國的主要能源，即使隨著科技進步和節(jié)能工藝的發(fā)展，全國煤 炭消費總量仍然呈現(xiàn)增長態(tài)勢，到2020年國內(nèi)煤炭消費需求總量將超過25億噸。然而，隨 著煤層開采深度的增加和開采速度的加快，煤礦安全事故頻發(fā)，尤其是煤礦瓦斯災(zāi)害嚴重。 煤礦瓦斯災(zāi)害給國家和人民的生命財產(chǎn)安全帶來巨大威脅，煤礦瓦斯災(zāi)害防治成為煤礦安 全尚效生廣的必要措施。
[0003] 煤礦瓦斯事故的發(fā)生與煤田地質(zhì)條件密切相關(guān)。我國大部分煤田構(gòu)造中原生孔隙 和割理系統(tǒng)遭到破壞，后經(jīng)長期的地應(yīng)力和地溫共同作用下重新壓實固結(jié)，構(gòu)造運動活動 期產(chǎn)生的大量裂隙閉合，煤層透氣性降低，造成瓦斯抽采困難。因此，控制煤礦瓦斯?jié)B透是 瓦斯地質(zhì)災(zāi)害防治和煤層氣開采的關(guān)鍵。
[0004] 煤礦瓦斯抽采受到煤層瓦斯賦存特性的制約，抽采效率不一、相差甚大。目前我國 煤礦瓦斯抽采的主要方法是對采區(qū)卸壓增透，如保護層開采、底板巖巷穿層孔抽采、開采層 爆破預(yù)裂增透、水力沖孔、水力割封等技術(shù)措施。但是，這些技術(shù)措施都存在工程成本高、對 煤體破壞性強、易引發(fā)次生災(zāi)害和裂縫隨地應(yīng)力增大而閉合等缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種控制煤礦瓦斯?jié)B透的 方法，其能夠避免大面積破壞煤體強度，使瓦斯分子活性增強加速解吸，從而增加煤層瓦斯 抽采的效率，提高煤層瓦斯抽采濃度和抽采量，確保煤礦采掘活動不受瓦斯涌出威脅。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：這種控制煤礦瓦斯?jié)B透的方法，其包括以下步驟：
[0007] (1)在煤礦未抽采瓦斯區(qū)域，鉆出若干個鉆孔；
[0008] (2)將聲波發(fā)生裝置放入鉆孔下指定深度的位置，聲波發(fā)生裝置發(fā)出的聲波波長 為x，指定深度為1/4 A~1/2入；
[0009] (3)啟動聲波發(fā)生裝置，使其產(chǎn)生頻率為30~500Hz、聲級為大于等于70dB的聲 波，從而形成大量游離瓦斯。
[0010] 還提供了采用這種控制煤礦瓦斯?jié)B透的方法的氣動聲波發(fā)生裝置，其包括進氣 嘴、鋁合金板、進氣端蓋、密封墊、脈沖氣室、拉瓦噴管進氣座、拉瓦噴管連接墊、拉瓦噴管出 氣座、導(dǎo)氣管、排污管，其包括進氣嘴、鈦膜片、進氣端蓋、密封墊、脈沖氣室、拉瓦噴管進氣 座、拉瓦噴管連接墊、拉瓦噴管出氣座、導(dǎo)氣管、排污管，鈦膜片安裝在進氣端蓋內(nèi)，密封墊 在進氣端蓋和脈沖氣室之間，拉瓦噴管連接墊連接拉瓦噴管進氣座和拉瓦噴管出氣座，拉 瓦噴管出氣座的入口小而出口大，排污管的上面連接抽氣裝置且下面連接排水排渣裝置， 通過脈沖氣室進入的壓縮空氣使鈦膜片反復(fù)彎曲回彈，再通過拉瓦噴管進氣座產(chǎn)生向前導(dǎo) 氣管方向振動的聲波，該聲波通過拉瓦噴管出氣座放大后經(jīng)過導(dǎo)氣管進入鉆孔，從鉆孔解 吸的瓦斯的氣體部分進入排污管上面的抽氣裝置，從鉆孔解吸的瓦斯的固體部分進入排污 管下面的排水排渣裝置。
[0011] 本發(fā)明利用壓縮空氣為動力，通過氣動聲波發(fā)聲裝置將頻率為30~500Hz、聲級 為大于等于70dB的聲波導(dǎo)入瓦斯抽采鉆孔的1/4 X~1/2 X位置處；利用聲波在鉆孔中的 直射、反射和繞射等形式疊加形成一個不留死角的強大諧振聲場，循環(huán)往復(fù)地作用在鉆孔 內(nèi)表面，聲波從鉆孔內(nèi)表面滲透進入煤體形成機械波，通過機械波的傳播使煤體吸附瓦斯 活性增強，分子間的滲透速度增快而形成游離瓦斯；當(dāng)游離瓦斯大量增加時形成氣體正壓， 游離瓦斯通過煤分子表面空間沿壓力差方向運動。因此能夠避免大面積破壞煤體強度，使 瓦斯分子活性增強加速解吸，從而增加煤層瓦斯抽采的效率，提高煤層瓦斯抽采濃度和抽 采量，確保煤礦采掘活動不受瓦斯涌出威脅。
【附圖說明】
[0012] 圖1為煤樣取樣鉆孔布置示意圖；
[0013] 圖2示出了不同干擾頻率與自然解吸狀態(tài)條件下煤樣解吸量隨時間的變化關(guān)系， 圖2a為30~80Hz干擾頻率與自然狀態(tài)條件下煤樣解吸量與時間的關(guān)系，圖2b為80~ 130Hz干擾頻率與自然狀態(tài)條件下煤樣解吸量與時間的關(guān)系，圖2c為130~200Hz干擾頻 率與自然狀態(tài)條件下煤樣解吸量與時間的關(guān)系，圖2d為200~500Hz干擾頻率與自然狀態(tài) 條件下煤樣解吸量與時間的關(guān)系；
[0014] 圖3為鉆孔擾動前后瓦斯抽采濃度、純量變化圖，圖3a為干擾前后總孔板平均瓦 斯抽采濃度變化圖，圖3b為干擾前后總孔板最大瓦斯抽采濃度變化圖，圖3c為干擾前后總 孔板平均瓦斯抽采純量變化圖，圖3d為干擾前后總孔板最大瓦斯抽采純量變化圖。
[0015] 圖4為不同深度擾動下鉆孔瓦斯抽采濃度、純量變化圖，圖4a為鉆孔內(nèi)不同深度 低頻干擾后總孔板瓦斯抽采濃度變化圖，圖4b為鉆孔內(nèi)不同深度低頻干擾后總孔板瓦斯 抽采純量變化圖。
[0016] 圖5為根據(jù)本發(fā)明的氣動聲波發(fā)聲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 這種控制煤礦瓦斯?jié)B透的方法，其包括以下步驟：
[0018] (1)在煤礦未抽采瓦斯區(qū)域，鉆出若干個鉆孔；
[0019] (2)將聲波發(fā)生裝置放入鉆孔下指定深度的位置，聲波發(fā)生裝置發(fā)出的聲波波長 為X，指定深度為1/4 A~1/2入；
[0020] (3)啟動聲波發(fā)生裝置，使其產(chǎn)生頻率為30~500Hz、聲級為大于等于70dB的聲 波，從而形成大量游離瓦斯。
[0021] 為了驗證聲波發(fā)生裝置的發(fā)生頻率與瓦斯?jié)B透量的關(guān)系，執(zhí)行了以下試驗。
[0022] 試驗一、30~500HZ頻率擾動下的煤樣瓦斯解吸效果試驗
[0023] (1)試驗地點及取樣過程
[0024] 本次試驗地點為余吾煤業(yè)N2103膠順掘進工作面，在驗證了低頻聲波擾動能夠有 效促進煤體解吸的前提下，進一步試驗不同頻率擾動與自然狀態(tài)條件下的煤體瓦斯解吸效 果，將氣動發(fā)聲裝置頻率30~500HZ劃分為18個單元，考察不同頻率干擾的解吸量變化， 在工作面巷幫施工15個深度20m的鉆孔進行瓦斯解吸試驗，取同等質(zhì)量的煤樣19個，為了 避免鉆孔串孔，設(shè)定鉆孔間距為2m，取樣地點標高一致，無地質(zhì)構(gòu)造，未進行抽采，煤體瓦斯 含量可視為定值，如圖1所示。
[0025] (2)試驗數(shù)據(jù)及效果分析
[0026] 將所取19組煤樣在地面進行解吸試驗，1#煤樣為自然狀態(tài)解吸，2#~15#為不同 頻率干擾下的煤樣解吸，如表1所示，各煤樣在30分鐘內(nèi)解吸量如表2所示。
[0027]表 1
[0030] 表 2
[0031]
[0032] 通過表2數(shù)據(jù)，可以得出不同頻率干擾及自然狀態(tài)解吸條件下煤樣的解吸量隨時 間的變化關(guān)系，如圖2所示，從表2可知，自然狀態(tài)下煤樣的解吸量為366ml，而施加干擾頻 率后，干擾頻率在80~130HZ時，煤樣的解吸量最大，為740ml，頻率在400~500HZ時，煤樣 的解吸量僅為372ml，隨著干擾頻率的增大，煤樣的解吸量呈現(xiàn)出先增后降的趨勢，在80~ 130HZ出現(xiàn)最大值，然后隨著干擾頻率的增加，解吸量明顯下降，此外，施加了干擾頻率的煤 樣始終瓦斯解吸量要高于自然狀態(tài)下的煤樣解吸量，這也進一步驗證了煤樣受低頻擾動能 夠有效地促進煤樣中瓦斯的解吸速度，提高煤樣的瓦斯解吸量。
[0033] 圖2a中反映了施加30~80HZ頻率擾動下的煤樣解吸量，隨著頻率的增大解吸量 明顯增加，頻率擾動下的煤樣解吸速率明顯高于自然狀態(tài)下煤樣解吸速率，解吸量最高增 加了 260ml ;圖2b中反映了施加80~130HZ頻率擾動下的煤樣解吸量，最大解吸量740ml， 最低解吸量704ml，施加頻率超過130HZ后，煤樣的瓦斯解吸量隨著頻率的增大發(fā)生下降， 說明煤樣的固有頻率臨界范圍為80~130HZ，超過臨界值后煤體中的部分吸附狀態(tài)瓦斯 解吸速度下降，80~130HZ頻率范圍內(nèi)瓦斯解吸效果明顯；圖2c反映了施加130~200HZ 頻率下的煤樣瓦斯解吸量，此頻段范圍內(nèi)瓦斯解吸量明顯低于50~80HZ頻率范圍內(nèi)的瓦 斯解吸量，隨著頻率的增大煤樣瓦斯解吸量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢；圖2d反映了施加200~ 500HZ頻率下的煤樣瓦斯解吸量，此頻段瓦斯初始解吸速率與自然狀態(tài)解吸速率相同，瓦斯 解吸量最大增加80ml。
[0034] 優(yōu)選地，所述步驟（1)中，每個鉆孔的地點標高相同且無地質(zhì)構(gòu)造，鉆孔的間距為 2米，鉆孔的深度為20米。
[0035] 優(yōu)選地，所述步驟（2)中，X = 5米。
[0036] 優(yōu)選地，所述步驟（2)中，指定深度為1. 5米。
[0037] 為了驗證80~130HZ頻率擾動下的鉆孔瓦斯抽采效果，執(zhí)行了以下試驗。
[0038] 通過不同頻率擾動下的煤體解吸試驗，可知在施加80~130HZ頻率時，煤體瓦斯 解吸效果較好，煤體的瓦斯解吸速度大，大量的吸附狀態(tài)的瓦斯能夠快速轉(zhuǎn)化為游離瓦斯， 在煤體裂隙中運移，通過鉆孔抽采能夠明顯提高瓦斯抽采濃度和抽采純量，基于此，特制了 此頻率段的氣動發(fā)聲裝