超声波对煤体孔隙结构影响规律研究
发布时间：2021-11-21 20:05
超声波激励致裂技术应用于煤层气开采,具有能耗低、无污染、能量集中的优点。超声波激励致裂技术是一种新型环保的煤体致裂技术。为了进一步揭示超声波激励致裂煤体的影响规律,以及有效地利用、完善超声波致裂煤体技术,本文以实验室实验和理论分析相互结合的方法,探究超声波激励致裂煤体机制、超声波功率、煤体含水率对超声波激励效果的影响,对比超声波激励前后煤层瓦斯在煤体内部的吸附解吸性能。文章从超声波自身传播特性入手,分析了超声波空化作用、机械振动效应和超声波热效应在超声波激励煤体过程中的作用。此外,分析了超声波在煤体中的衰减系数,研究了超声波激励致裂技术在煤体中的有效范围。为了更好的揭示超声波致裂煤体的规律,搭建了超声波激励致裂煤体的实验室系统。采用核磁共振技术研究了超声波功率到的变化对于致裂煤体效果的影响规律,实验以70W为分界点,分别研究了高档功率和低档功率激励致裂煤体的效果,寻找到不同功率档可以有效致裂的孔隙类型,并以此实验验证了超声波致裂煤体的机制。超声波的空化作用与煤体的含水率密切相关,本文采用核磁共振技术和分形维数方法研究了煤体内部含水率对超声波激励致裂前后煤体内部孔隙变化情况;并应用热成像...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：109 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
煤岩过程中空化核的形成过程
（a）气体在煤岩体裂缝中稳定存在 （b）气体体积膨胀形成空化核图 2-1 煤岩过程中空化核的形成过程[64]Fig.2-1 The formation process of cavitation nucleus in the process of coal and rock.超声波的空化效应可以分为瞬态和稳态空化。空化作用发生离不开液体介声波存在一个正负压强的交变周期，正压时，挤压介质分子，增大介质密压时，分离介质分子，密度减小。超声波振幅足够大时，打破介质分子的临离，介质出现缺陷，产生微泡，声场继续作用下微泡破灭，液体冲入气泡引质周围局部高温高压，同时还会产生激波。气泡大概存在 10-6s，临界崩溃发出巨大能量，形成速度约为 110m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密达 1.5kg/cm2。现象气泡在急剧崩溃的瞬间会在局部产生高达 5000K、1800高温高压，冷却速度可达 109K/s，同时又能够产生大量新的空化核。超声种现象大大提高非均相反应速率，实现非均相反应物间的均匀混合，加速反和产物的扩散，促进固体新相的形成，控制颗粒的尺寸和分布[63, 64]。其中波空化过程如图 2-2 所示。
波激励致裂煤岩体的目的，我们自行设计了煤岩超声波发声系统、煤岩体加持系统等部分构成。变化情况，则主要有岩石声波参数测试系统、核等相关设备仪器进行检测。声系统：采用杭州成功超声波有限公司生产的设备的发声频率为 28kHz（扫频范围为 27.75-2显示当前输出功率、工作时间、工作频率等，最时间持续工作；与之匹配的是电容量为 7.5-8nf，-4Z 黄连钢阶变型换能器，换能器的主要功能是超声波输出。持系统：为了固定试样和换能器，我们自行设从上到下依次为上夹持器、试样夹持器、下夹持和减少超声波的损耗，夹持器全部采用树脂材料组合对接的方式固定换能器。其中，位于下部的超声波发声端。如图 3-1 所示
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于分形盒维数和小波包能量矩的垮落煤岩性状识别[J]. 李一鸣,符世琛,焦亚博,吴淼. 煤炭学报. 2017(03)
[2]裂隙岩样端面的分形维数计算[J]. 王兴宏. 采矿技术. 2017(01)
[3]单轴压缩下粗砂岩临界破坏的多频段声发射耦合判据和前兆识别特征[J]. 曾鹏,刘阳军,纪洪广,李成江. 岩土工程学报. 2017(03)
[4]数值岩石试样破裂过程多重分形特征[J]. 杨宇江,李元辉. 计算力学学报. 2016(05)
[5]级配饱和破碎岩石压缩变形与分形特性试验研究[J]. 郁邦永,陈占清,吴疆宇. 采矿与安全工程学报. 2016(02)
[6]基于有限元法研究地层参数与声波传播特性的关系[J]. 钮瑞艳,杨秀娟,杨尚谕,赵德敏. 科技传播. 2016(03)
[7]脉动水力压裂过程中煤层应力扰动特征的数值模拟分析[J]. 陆沛青,李根生,黄中伟,田守嶒,沈忠厚,李小江. 振动与冲击. 2015(21)
[8]围压作用下煤岩材料超声致裂规律研究[J]. 肖晓春,丁鑫,潘一山,吴迪,赵鑫,王磊. 材料导报. 2015(16)
[9]煤岩特性对超声波速影响的试验研究[J]. 徐晓炼,张茹,戴峰,于斌,高明忠,张艳飞. 煤炭学报. 2015(04)
[10]煤的分形维数及其对瓦斯吸附的影响[J]. 李子文,郝志勇,庞源,高亚斌. 煤炭学报. 2015(04)
博士论文
[1]基于电破碎效应的脉冲致裂煤体增渗实验研究[D]. 闫发志.中国矿业大学 2017
[2]低温作用下岩石动态力学性能试验研究[D]. 杨阳.中国矿业大学(北京) 2016
[3]脉动压裂过程中瓦斯微观动力学特性及液相滞留机制研究[D]. 倪冠华.中国矿业大学 2015
[4]低阶煤的微观结构特征及其对瓦斯吸附解吸的控制机理研究[D]. 李子文.中国矿业大学 2015
[5]脉动载荷下煤体裂隙演化规律及其在瓦斯抽采中的应用研究[D]. 李全贵.中国矿业大学 2015
[6]煤层气开采中煤储层参数动态演化的物理模拟试验与数值模拟分析研究[D]. 刘东.重庆大学 2014
[7]钻孔封孔段失稳机理分析及加固式动态密封技术研究[D]. 张超.中国矿业大学 2014
[8]声波作用下煤体瓦斯解吸与放散特征研究[D]. 李建楼.安徽理工大学 2010
[9]声震法提高煤层气抽采率的机理及技术原理研究[D]. 易俊.重庆大学 2007
[10]低渗透煤层气开采与注气增产流固耦合理论及其应用[D]. 孙可明.辽宁工程技术大学 2004
硕士论文
[1]煤层气开采远程视频监控系统设计[D]. 杨大勇.大连理工大学 2015
[2]声场作用下煤层气渗流特性的研究[D]. 崔悦震.重庆大学 2015
[3]煤体脉动注水渗流特征及主要影响因素研究[D]. 彭深.中国矿业大学 2015
[4]含瓦斯煤成型条件优化及煤层气开采物理模拟试验研究[D]. 苏小鹏.重庆大学 2014
[5]超声波促进页岩气解吸及改善渗流特性的机理和实验研究[D]. 吴昌军.西南石油大学 2014
[6]低渗透煤层微观孔隙结构研究及应用[D]. 刘正.西安科技大学 2013
[7]煤层气解吸滞后效应研究[D]. 蔺亚兵.西安科技大学 2012
[8]超声波防垢除垢机理及提高效率的方法研究[D]. 佟帅.大连理工大学 2008
[9]采煤工作面深孔煤层注水技术研究[D]. 高海宾.安徽理工大学 2007
[10]坚硬煤层放顶煤注水弱化研究[D]. 李杭州.西安科技大学 2003
本文编号：3510149
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：109 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
煤岩过程中空化核的形成过程
（a）气体在煤岩体裂缝中稳定存在 （b）气体体积膨胀形成空化核图 2-1 煤岩过程中空化核的形成过程[64]Fig.2-1 The formation process of cavitation nucleus in the process of coal and rock.超声波的空化效应可以分为瞬态和稳态空化。空化作用发生离不开液体介声波存在一个正负压强的交变周期，正压时，挤压介质分子，增大介质密压时，分离介质分子，密度减小。超声波振幅足够大时，打破介质分子的临离，介质出现缺陷，产生微泡，声场继续作用下微泡破灭，液体冲入气泡引质周围局部高温高压，同时还会产生激波。气泡大概存在 10-6s，临界崩溃发出巨大能量，形成速度约为 110m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密达 1.5kg/cm2。现象气泡在急剧崩溃的瞬间会在局部产生高达 5000K、1800高温高压，冷却速度可达 109K/s，同时又能够产生大量新的空化核。超声种现象大大提高非均相反应速率，实现非均相反应物间的均匀混合，加速反和产物的扩散，促进固体新相的形成，控制颗粒的尺寸和分布[63, 64]。其中波空化过程如图 2-2 所示。
波激励致裂煤岩体的目的，我们自行设计了煤岩超声波发声系统、煤岩体加持系统等部分构成。变化情况，则主要有岩石声波参数测试系统、核等相关设备仪器进行检测。声系统：采用杭州成功超声波有限公司生产的设备的发声频率为 28kHz（扫频范围为 27.75-2显示当前输出功率、工作时间、工作频率等，最时间持续工作；与之匹配的是电容量为 7.5-8nf，-4Z 黄连钢阶变型换能器，换能器的主要功能是超声波输出。持系统：为了固定试样和换能器，我们自行设从上到下依次为上夹持器、试样夹持器、下夹持和减少超声波的损耗，夹持器全部采用树脂材料组合对接的方式固定换能器。其中，位于下部的超声波发声端。如图 3-1 所示
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于分形盒维数和小波包能量矩的垮落煤岩性状识别[J]. 李一鸣,符世琛,焦亚博,吴淼. 煤炭学报. 2017(03)
[2]裂隙岩样端面的分形维数计算[J]. 王兴宏. 采矿技术. 2017(01)
[3]单轴压缩下粗砂岩临界破坏的多频段声发射耦合判据和前兆识别特征[J]. 曾鹏,刘阳军,纪洪广,李成江. 岩土工程学报. 2017(03)
[4]数值岩石试样破裂过程多重分形特征[J]. 杨宇江,李元辉. 计算力学学报. 2016(05)
[5]级配饱和破碎岩石压缩变形与分形特性试验研究[J]. 郁邦永,陈占清,吴疆宇. 采矿与安全工程学报. 2016(02)
[6]基于有限元法研究地层参数与声波传播特性的关系[J]. 钮瑞艳,杨秀娟,杨尚谕,赵德敏. 科技传播. 2016(03)
[7]脉动水力压裂过程中煤层应力扰动特征的数值模拟分析[J]. 陆沛青,李根生,黄中伟,田守嶒,沈忠厚,李小江. 振动与冲击. 2015(21)
[8]围压作用下煤岩材料超声致裂规律研究[J]. 肖晓春,丁鑫,潘一山,吴迪,赵鑫,王磊. 材料导报. 2015(16)
[9]煤岩特性对超声波速影响的试验研究[J]. 徐晓炼,张茹,戴峰,于斌,高明忠,张艳飞. 煤炭学报. 2015(04)
[10]煤的分形维数及其对瓦斯吸附的影响[J]. 李子文,郝志勇,庞源,高亚斌. 煤炭学报. 2015(04)
博士论文
[1]基于电破碎效应的脉冲致裂煤体增渗实验研究[D]. 闫发志.中国矿业大学 2017
[2]低温作用下岩石动态力学性能试验研究[D]. 杨阳.中国矿业大学(北京) 2016
[3]脉动压裂过程中瓦斯微观动力学特性及液相滞留机制研究[D]. 倪冠华.中国矿业大学 2015
[4]低阶煤的微观结构特征及其对瓦斯吸附解吸的控制机理研究[D]. 李子文.中国矿业大学 2015
[5]脉动载荷下煤体裂隙演化规律及其在瓦斯抽采中的应用研究[D]. 李全贵.中国矿业大学 2015
[6]煤层气开采中煤储层参数动态演化的物理模拟试验与数值模拟分析研究[D]. 刘东.重庆大学 2014
[7]钻孔封孔段失稳机理分析及加固式动态密封技术研究[D]. 张超.中国矿业大学 2014
[8]声波作用下煤体瓦斯解吸与放散特征研究[D]. 李建楼.安徽理工大学 2010
[9]声震法提高煤层气抽采率的机理及技术原理研究[D]. 易俊.重庆大学 2007
[10]低渗透煤层气开采与注气增产流固耦合理论及其应用[D]. 孙可明.辽宁工程技术大学 2004
硕士论文
[1]煤层气开采远程视频监控系统设计[D]. 杨大勇.大连理工大学 2015
[2]声场作用下煤层气渗流特性的研究[D]. 崔悦震.重庆大学 2015
[3]煤体脉动注水渗流特征及主要影响因素研究[D]. 彭深.中国矿业大学 2015
[4]含瓦斯煤成型条件优化及煤层气开采物理模拟试验研究[D]. 苏小鹏.重庆大学 2014
[5]超声波促进页岩气解吸及改善渗流特性的机理和实验研究[D]. 吴昌军.西南石油大学 2014
[6]低渗透煤层微观孔隙结构研究及应用[D]. 刘正.西安科技大学 2013
[7]煤层气解吸滞后效应研究[D]. 蔺亚兵.西安科技大学 2012
[8]超声波防垢除垢机理及提高效率的方法研究[D]. 佟帅.大连理工大学 2008
[9]采煤工作面深孔煤层注水技术研究[D]. 高海宾.安徽理工大学 2007
[10]坚硬煤层放顶煤注水弱化研究[D]. 李杭州.西安科技大学 2003
本文编号：3510149
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