脉冲超声波激励对煤的孔隙全尺度改造效应.pdf

脉冲超声波激励对煤的孔隙全尺度改造效应林海飞1,2，仇悦1，韩双泽1，高海东3，杨二豪1，王瑞哲1，严敏1,2(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；3.陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 黄陵 727307)摘要:为深入研究脉冲超声波激励对煤体孔隙结构的改造效应，利用含瓦斯煤体超声波激励实验系统，开展超声波功率 800 和 1 000 W 持续、交互脉冲下煤的超声波激励实验，综合低压 CO2吸附、低温 N2吸附和高压压汞等实验，研究煤的大孔(50 nm)、介孔(250 nm)、微孔(介孔大孔；与未超声、持续超声激励煤样相比，脉冲超声波激励煤的各孔径段孔容和比表面积均有所提高；随脉冲次数增加，煤的孔容增幅和比表面积增幅呈正线性增大，其中大孔的孔容和比表面积增幅较为显著。脉冲超声波激励煤样形成水锤压力阶段和滞止压力阶段的持续转换，增加了煤的孔隙结构损伤程度。研发脉冲超声波发射器结合水力化技术，可提高煤的孔隙发育程度，增加煤体渗透性，提高瓦斯抽采效率。关键词：脉冲超声波；煤的孔隙结构；改造效应；联孔分布中图分类号：TD712 文献标志码：A 文章编号：1001-1986(2023)08-0139-11Stimulationeffectofpulsedultrasonicexcitationoncoalporeswithfull-scaleporesizesLIN Haifei1,2,QIU Yue1,HAN Shuangze1,GAO Haidong3,YANG Erhao1,WANG Ruizhe1,YAN Min1,2(1.College of Safety Science and Engineering,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China;2.Key Laboratoryof Western Mine Exploitation and Hazard Prevention,Ministry of Education,Xian 710054,China;3.Shaanxi Huangling No.2 Coal Mine Co.,Ltd.,Huangling 727307,China)Abstract:This study aims to further investigate the stimulation effect of pulsed ultrasonic excitation on coal pore struc-tures.Using an ultrasonic excitation test system for gas-containing coals,this study conducted ultrasonic excitation testson coals under continuous and interactive pulses with ultrasonic power of 800 W and 1 000 W.Through low-pressureCO2 adsorption tests,low-temperature nitrogen adsorption tests,and the mercury injection capillary pressure(MICP)tests,this study explored the evolutionary patterns of parameters of various coal pores with full-scale pore sizes,includ-ing macropores(50 nm),mesopores(250 nm),and micropores(mesopores macropores.(2)Compared with those having undergone continuous or no ultrasonic excitation,coal samples that experienced pulsed ultrasonic excitation exhibited increased pore volumes and specific surface areas ofvarious core pores.(3)With an increase in the number of pulsed ultrasonic excitation,the increased amplitude of thepore volume and specific surface area of coal pores increased linearly.Most especially,macropores presented signific-antly high increased amplitude.Pulsed ultrasonic excitation caused the continuous transformation between the waterhammer pressure stage and the stagnation pressure stage,which increased the level of damage to coal pore structures.Developing pulsed ultrasonic emitters,combined with hydraulic technology,can improve the developmental degree ofcoal pores,coal permeability,and gas drainage efficiency.收稿日期:2023-01-18；修回日期:2023-07-04基金项目:国家自然科学基金面上项目(52174207)；陕西省杰出青年科学基金项目(2020JC-48)；陕西省自然科学基金项目(2019JLP-02)第一作者:林海飞，1979 年生，男，山西天镇人，博士，教授，博士生导师，从事矿井瓦斯防治研究.E-mail： 第 51 卷 第 8 期煤田地质与勘探Vol.51 No.82023 年 8 月COAL GEOLOGY&EXPLORATIONAug.2023林海飞，仇悦，韩双泽，等.脉冲超声波激励对煤的孔隙全尺度改造效应J.煤田地质与勘探，2023，51(8)：139149.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.01.0033LIN Haifei，QIU Yue，HAN Shuangze，et al.Stimulation effect of pulsed ultrasonic excitation on coal pores with full-scalepore sizesJ.Coal Geology&Exploration，2023，51(8)：139149.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.01.0033Keywords:pulsed ultrasonic wave;coal pore structure;stimulation effect;combination of pores with full-scale poresizes 煤层瓦斯抽采可实现瓦斯灾害防治、大气环境保护及新能源供应等多重效应1-2，但我国大部分矿区煤层渗透性较差，制约了瓦斯抽采效率。为提高煤层瓦斯抽采效果，可采用高效增渗技术3-4，超声激励施加高于 20 kHz 声波改造煤体孔隙结构，增加孔隙连通性，是一种高效的煤层无水增渗技术，应用前景广阔5-6。近年来，国内外学者围绕超声波激励下煤的孔隙裂隙结构变化进行了大量研究。聂百胜等5对超声波激励下煤岩介质孔隙率和渗透率进行探究，发现超声波作用能有效改变煤岩孔隙结构。张春会7、于永江8等探究了超声波穿过煤储层时超声波激励的作用机理，研究得出功率超声波能提高煤层瓦斯解吸率和抽采率。肖晓春等9分析超声波作用下煤样尺度裂隙发展规律，解释了超声波激励煤体可产生裂隙网。李树刚10、Zhang Junwen11等通过测试超声波功率激励前后煤样表面裂隙宽度、微细观损伤和渗透特性的变化，研究得出功率超声波能够扩展煤表面原生裂隙，进而提高煤体渗透率。任伟杰12、Wang Haijun13等通过对煤体进行超声波的激励，得出超声波降低了煤体的弹性模量和抗压强度，使煤岩裂隙状态发生改变。Sun Yong 等14采用显微镜和核磁共振法分别探究了不同超声时间激励下的煤体裂隙和孔隙结构变化特征，发现超声波激励会使煤体内部形成一个交织的裂缝网络，气体将更容易解吸和流动。Tang Zongqing 等15通过实验研究比较了超声波激励前后煤体孔隙率和 P波速度的变化，认为超声波激励可显著提高煤体的渗透性。宋超16、马会腾17等探究了超声波功率和频率对煤体孔、裂隙结构的影响特征，研究表明超声波可以有效改善煤体的孔隙结构。综上可知，现有研究成果多集中于超声波功率、频率、声强等对煤的孔隙裂隙结构影响，而脉冲超声波对煤的孔隙结构改造作用显著18，但目前在此方面研究较少，尤其是脉冲超声波激励煤的孔隙全孔径段的精细表征亟需研究。为此，本文利用低压 CO2吸附、低温 N2吸附及高压压汞等方法，研究超声波不同脉冲次数对煤的孔隙结构变化影响规律，以揭示脉冲超声波作用煤的孔隙全尺度改造效应及对瓦斯运移影响，为现场工程应用提供一定理论依据。1实验方案1.1煤样的采集及制备实验煤样取自陕西黄陵二号煤矿 2 号煤层，采集工作面新暴露煤壁处原煤样品，密封带回实验室置于锤式破碎机进行粉碎，利用标准筛筛分出粒径为2.84.0 mm 煤样，对所取煤样进行工业分析，得水分质量分数 2.72%、灰分质量分数 3.17%、挥发分产率31.03%。1.2实验仪器设备(1)采用自主研发的含瓦斯煤体超声波激励增透系统进行实验，该系统主要由超声波发生、瓦斯吸附解吸、换能器冷却、恒温水浴、数据采集等部分组成19，超声波发生系统功率(02)kW，频率(028)kHz，由超声波发生器、换能器和放大器等组成；换能器冷却系统可持续为换能器降温，恒温水浴系统可保证煤样恒定温度，瓦斯吸附解吸系统最大压力 15 MPa，数据采集系统自动采集气体压力、流量等数据。(2)采用 ASAP2020 型比表面积与孔隙率测试仪(温度 273 K，压力低于 3 039.75 Pa，孔径测量范围0.32.0 nm)进行低压 CO2吸附实验，根据 CO2等温吸附曲线得出煤样孔隙参数。(3)采用 ASAP2020 型比表面积与孔隙率测试仪(高纯液氮温度 77 K，孔径测量范围 0.42 225.3 nm)进行低温 N2吸附实验，通过改变相对压力获得 N2等温吸附/脱附曲线，得出煤样孔隙参数。(4)采用 Auto Pore 9510 型压汞仪(压力 0.1419.0 MPa，孔径测量范围 3.1535 126.00 nm)进行高压压汞实验，根据 Washburn 公式测得不同进汞压力下煤样孔隙内汞体积，通过汞压力和注入汞体积的关系曲线分析煤样孔隙参数。1.3实验步骤实验步骤如图 1 所示。(1)将粉碎筛分煤样等分 8 份，1 号煤样为无超声波激励，2 号和 3 号煤样分别为超声波功率 800 和1 000 W 持续激励 1 h；4 号煤样在 030 min 选择功率1 000 W 激励，3060 min 调至 800 W 激励，即脉冲1 次；脉冲 2、3、4、5 次实验类推，超声波激励总时长均为 1 h，分别对应 58 号煤样。(2)煤样放入恒温真空干燥箱(温度 343 K)进行干燥，前后质量变化小于 1%则认为干燥完成。(3)通过低压 CO2吸附、低温 N2吸附和高压压汞等实验对煤样进行孔隙参数测定。(4)将煤样置于超声波激励系统煤样罐中，实验过程中保持恒温 298 K，恒定瓦斯吸附平衡压力 0.7 MPa。(5)进 行 超 声 波 功 率(800、1 000 W)和 800、140 煤田地质与勘探第 51 卷1 000 W 交替脉冲激励下煤样瓦斯解吸实验；由于各个实验煤样、瓦斯吸附平衡压力均相同，瓦斯吸附/解吸对煤的孔隙结构影响相同，因此，该实验可分析不同超声波激励方式对煤的孔隙结构影响，对瓦斯解吸的影响另文撰写。(6)超声波激励完成后，对煤样进行低压 CO2吸附实验、低温 N2吸附实验和高压压汞实验，以测定不同激励方式下煤的孔隙参数。2实验结果采用 IUPAC 孔隙分类法20，将煤的孔隙结构根据孔 径 大 小 分 为 微 孔(50 nm)，分别用 d1、d2、d3表示。2.1低压 CO2吸附实验结果超声波激励前后煤样的低压 CO2等温吸附实验结果如图 2 所示。相对压力较低时，煤样吸附曲线上升速度较快，随着相对压力 p/p0增大，吸附曲线上升速度变慢，吸附曲线整体呈上凸形状。利用 DFT 吸附模型对实验数据进行分析，所得煤的孔隙比表面积 S(CO2)、孔容 V(CO2)与平均孔径关系见表 1。由表 1 可知，随脉冲超声波激励次数由 1 次(4 号)增加到 5 次(8 号)，与无超声波激励(1 号)煤样相比，煤的平均孔径从 1.064 倍增长至 1.197 倍、孔容从 1.097倍增长至 1.263 倍、孔隙比表面积从 1.087 倍增长至1.193 倍；与 800 W 超声波激励(2 号)煤样对比，煤的 煤样瓦斯吸附实验全自动压汞仪He吸附罐真空泵CH4流量计气体吸附孔隙测试仪煤样制备超声激励解吸实验超声发生器精密流量计解吸罐数据分析孔隙检测脉冲超声激励方式8001 0008001 0008001 0008001 0000153045608001 000脉冲超声 1 次脉冲超声 2 次脉冲超声 3 次脉冲超声 4 次超声功率/W超声时长/min图 1 脉冲超声波激励煤流程Fig.1 Flow chart of pulsed ultrasonic excitation for coals 0.0050.0100.0150.0200.0250.030012345相对压力(p/p0)相对压力(p/p0)(a)14 号煤样(b)58 号煤样吸附量/(cm3g1)吸附量/(cm3g1)1 号煤样 2 号煤样 3 号煤样 4 号煤样0.0050.0100.0150.0200.0250.03001234567 5 号煤样 6 号煤样 7 号煤样 8 号煤样图 2 脉冲超声波激励前后煤样低压 CO2吸附曲线Fig.2 Low-pressure CO2 adsorption curves of coal samplesbefore and after pulsed ultrasonic excitation第 8 期林海飞等：脉冲超声波激励对煤的孔隙全尺度改造效应 141 平均孔径从 1.021 倍增长至 1.149 倍、孔容从 1.033 倍增长至 1.189 倍、孔隙比表面积从 1.032 倍增长至1.132 倍；与 1 000 W 超声波激励(3 号)煤样相比，煤的平均孔径从 1.019 倍增长至 1.147 倍、孔容从 1.017 倍增长至 1.170 倍、孔隙比表面积从 1.030 倍增长至1.130 倍。2.2低温 N2吸附实验结果根据低温 N2吸附实验相对压力和相应吸附量，如图 3 所示绘制不同脉冲超声波次数下 N2等温吸附脱附曲线，由该图可知，不同脉冲超声波激励方式下，煤样 N2吸/脱附曲线总体趋势相似，都有明显的吸附滞后环，主要表现在相对压力 p/p00.5 的区域。对比5 种脉冲超声波次数激励下低温 N2吸/脱附曲线，可以看出随脉冲超声波次数增加，低温 N2吸/脱附量随之增大，孔隙发育特征相似，且发育程度逐渐加大。煤吸/脱附利用 N2在凝聚与蒸发过程中，产生不同相对压力，形成相应的滞后环，从而反映孔隙发育形态。3 个阶段对应的孔隙结构不同：微孔填充阶段曲线和脱附曲线狭窄扁平，对应于单层吸附，具有良好的可逆性，该区域对应直径相对较小的微孔，孔隙类型多为不产生吸附回线、一端封闭的不透气性孔；多分子层吸附阶段对应于初始多层吸附，吸附曲线逐渐分离；毛细凝聚阶段吸/脱附曲线表现出明显滞后回线，该区域对应于开放的中孔和大孔，孔隙结构相对发育19。脱附曲线在 p/p0=0.5 处出现突降现象，说明实验煤样中存在墨水瓶状的孔隙。表 2 为超声波激励前后低温 N2吸附煤样介孔和大孔结构特征(下标 2 表示介孔，下标 3 表示大孔，下同)。随脉冲超声波次数增加，煤样总孔容和比表面积 表1脉冲超声波激励前后煤样 CO2吸附实验结果Table1CO2adsorptiontestresultsofcoalsamplesbeforeandafterpulsedultrasonicexcitation煤样编号 平均孔径/nm 孔容/(102cm3g1)孔隙比表面积/(m2g1)1号0.5013.72864.2162号0.5223.96067.6743号0.5234.02367.8054号0.5334.09069.8075号0.5394.27671.2916号0.5484.33573.2427号0.5574.53275.6298号0.6004.70876.603 0.20.40.60.81.001.53.04.51 号煤样吸附/脱附曲线2 号煤样吸附/脱附曲线3 号煤样吸附/脱附曲线4 号煤样吸附/脱附曲线微孔填充阶段多分子层吸附阶段毛细凝聚阶段0.20.40.60.81.001.53.04.55 号煤样吸附/脱附曲线6 号煤样吸附/脱附曲线7 号煤样吸附/脱附曲线8 号煤样吸附/脱附曲线微孔填充阶段毛细凝聚阶段多分子层吸附阶段相对压力(p/p0)相对压力(p/p0)(a)14 号煤样(b)58 号煤样吸/脱附量/(cm3g1)吸/脱附量/(cm3g1)图 3 脉冲超声波激励前后煤样低温 N2吸附脱附曲线Fig.3 Low-temperature N2 adsorption and desorption curves ofcoal samples before and after pulsed ultrasonic excitation 表2超声波激励下低温 N2吸附实验结果Table2Resultsoflow-temperatureN2adsorptiontestsunderultrasonicexcitation激励方式煤样编号平均孔径/nm孔容/(102 cm3g1)孔隙比表面积/(m2g1)总计V2V3总计S2S3无脉冲1号(无超声激励)6.8060.2380.1330.1050.6670.6140.0532号(200 W激励)7.7390.3410.1990.1421.2311.1630.0683号(800 W激励)7.8660.3750.2230.1531.2771.2020.075脉冲4号(脉冲1次)7.9330.4440.2740.1701.3831.3020.0815号(脉冲2次)8.1340.4600.2770.1831.5141.4290.0856号(脉冲3次)8.4100.4810.2950.1861.8191.7310.0887号(脉冲4次)8.6380.5250.3260.1992.0351.9440.0908号(脉冲5次)9.5850.5290.3400.1892.1632.0650.098 142 煤田地质与勘探第 51 卷呈增大趋势，同时各阶段孔容、比表面积也有所增加。与原始煤样相比，脉冲超声波 5 次煤样(8 号)平均孔径、总孔容与比表面积分别增大 40.831%、122.269%和224.288%。脉冲超声波激励相较于恒定功率超声波激励下煤样(2 号，3 号)平均孔径、孔容与比表面积都有不同程度的增大，且随着脉冲次数增加，孔隙发育程度增大，也就是说明脉冲超声波激励对煤样介孔和大孔均有较好扩孔效应，更易于煤体瓦斯扩散、运移。2.3高压压汞测试结果根据煤样的压汞实验数据，绘制超声波激励下煤样进退汞曲线(图 4)，由该图可知，进汞曲线与退汞曲线之间的椭圆反映滞后回线的大小，未超声波激励(1 号)煤样的进汞曲线与退汞曲线之间的滞后回线较小，反映孔隙连通性差，主要为半开放孔隙21。超声波激励后的煤样在整个压力阶段都具有孔隙滞后环，煤体连通性较好。即脉冲超声波激励促使孔隙由半开放孔向开放孔转化，对孔隙具有明显改造效果。表 3 为不同超声波激励下煤样介孔和大孔的变化特征，随着超声波脉冲次数增加，孔径从 17.2 nm 增大至 25.5 nm，总孔容从 0.757102 cm3/g 增大至 1.084102 cm3/g，比表面积从 0.227 m2/g 增大至 0.321 m2/g，平均孔径、总孔容和比表面积分别增大了 48.255%、43.197%和 41.410%。与超声波激励方式为恒定功率800、1 000 W 相比，超声波脉冲激励 5 次的煤样平均孔径分别增大了 46.552%、39.344%，孔容增大了29.356%、24.741%，比表面积增大了37.179%、33.750%。表明随着超声波脉冲次数的增加，煤体孔隙发育程度越高。3实验结果分析3.1脉冲超声波激励煤的孔隙全孔径段分析由于测试手段、测量仪器等因素影响，测试结果会有一定差异。低压 CO2吸附实验可有效表征煤样2 nm 以下微孔孔径结构特征；低温 N2吸附实验主要通过物理吸附和毛细管凝聚，对 250 nm 的介孔测试精度较高；高压压汞法测得孔隙范围广，但由于高压阶段使煤基质造成压缩效应，使得微孔和介孔测量有所偏差22。因此，为更精细研究不同脉冲超声波激励下煤的孔隙变化，通过对低压 CO2吸附法、低温 N2吸附法和 1021011001011021030.030.040.050.060.070.080.09 1 号煤样进/退汞曲线 2 号煤样进/退汞曲线 3 号煤样进/退汞曲线 4 号煤样进/退汞曲线累计进汞量/(mLg1)累计进汞量/(mLg1)压力/MPa102101100101102103压力/MPa(a)14 号煤样(b)58 号煤样0.030.040.050.060.070.080.095 号煤样进/退汞曲线6 号煤样进/退汞曲线7 号煤样进/退汞曲线8 号煤样进/退汞曲线图 4 脉冲超声波激励前后煤样进退汞曲线Fig.4 Mercury injection and withdrawal curves of coal samplesbefore and after pulsed ultrasonic excitation 表3超声波激励下高压压汞实验结果Table3Resultsofmercuryinjectioncapillarypressuretestsunderultrasonicexcitation激励方式煤样编号平均孔径/nm孔容/(102 cm3g1)孔隙比表面积/(m2g1)总计V2V3总计S2S3无脉冲1号(无超声波)17.20.7570.2300.5270.2270.1850.0422号(800 W)17.40.8380.2300.6080.2340.1860.0483号(1 000 W)18.30.8690.2240.6450.2400.1880.052脉冲4号(脉冲1次)18.80.8810.2240.6570.2460.1900.0565号(脉冲2次)19.80.9140.2310.6830.2480.1900.0586号(脉冲3次)21.50.9700.2480.7220.2640.2000.0647号(脉冲4次)25.51.0330.2890.7440.2910.2230.0688号(脉冲5次)25.51.0840.3310.7530.3210.2490.072第 8 期林海飞等：脉冲超声波激励对煤的孔隙全尺度改造效应 143 压汞法联合使用来表征脉冲超声波激励下煤的孔隙分布特征。联孔方法为：低压 CO2吸附法表征 2 nm 以下微孔，低温 N2吸附法表征 250 nm 孔隙，高压压汞法表征 50 nm 以上孔隙，将上述测试方法的数据分别在 2 nm 和 50 nm 处进行衔接，由此获得脉冲超声波激励下煤的全孔径孔隙结构参数，并分析其对煤样孔隙变化的影响特征。将不同脉冲超声波次数下煤的低压 CO2吸附实验、低温 N2吸附实验、压汞实验的数据分别在 2 nm和 50 nm 处进行衔接，绘制微孔(d1)、介孔(d2)和大孔(d3)孔容、比表面积分布(图 5)，得到煤的全孔径孔容增量、比表面积增量及阶段比表面积占比和孔容占比(表 4，下标 1 表示微孔)。10110010110110210210310310410410510510110210310410500.030.060.090.120.15阶段孔容/(cm3g1)阶段孔容/(cm3g1)阶段孔容/(cm3g1)阶段孔容/(cm3g1)孔径/nm101100101102103104105孔径/nm101100101102103104105孔径/nm101100101102103104105孔径/nm(a)14 号煤样孔容(b)58 号煤样孔容(c)14 号煤样比表面积(d)58 号煤样比表面积孔径/nm101102103104105孔径/nm101102103104105孔径/nm孔径/nm 1 号煤样 2 号煤样 3 号煤样 4 号煤样00.000 40.000 80.001 200.030.060.090.120.15 5 号煤样 6 号煤样 7 号煤样 8 号煤样00.000 50.001 00.001 50130260390520阶段孔隙表面积/(cm2g1)阶段孔隙表面积/(cm2g1)阶段孔隙表面积/(cm2g1)阶段孔隙表面积/(cm2g1)1 号煤样 2 号煤样 3 号煤样 4 号煤样 00.050.100.150130260390520 5 号煤样 6 号煤样 7 号煤样 8 号煤样00.050.100.15图 5 脉冲超声波激励前后煤样全孔径孔隙特征Fig.5 Characteristics of pores with full-scale pore sizes in coal samples before and after pulsed ultrasonic excitation 144 煤田地质与勘探第 51 卷由表 4 可知，煤的孔容增量体现在微孔和大孔阶段，微孔占比 80.900%84.959%，介孔孔容占比最少，占比 3.031%5.861%。各孔径段比表面积占比：微孔介孔大孔，其中微孔占全孔径段比表面积的 98.989%97.286%，平均占比 97.971%，大孔占比仅 0.065%0.091%。3.2脉冲超声波激励煤的孔隙结构参数演化特征由脉冲超声波前后煤的全孔径段的孔隙参数变化(图 6)可知，不同脉冲次数下煤的孔容和比表面积均高于无脉冲激励(1 号、2 号、3 号)煤样。脉冲超声波激励次数由 1 次(4 号煤样)增加到 5 次(8 号煤样)，与无超声波激励(1 号)煤样对比，煤的孔容增幅由 14.426%提高到 32.201%，煤的孔隙比表面积增幅由 9.701%增加到 21.377%；与 800 W 超声波激励(2 号)煤样相比，煤的孔容增幅由 5.328%提高到 21.691%，煤的孔隙比表面积增幅由 3.310%增加到 14.306%；与 1 000 W 超声波激励(3 号)煤样对比，煤的孔容增幅由 2.658%提高到 18.606%，煤的孔隙比表面积增幅由 3.050%增加到 14.018%。随脉冲超声波次数增加，煤的孔容增幅、比表面积增幅均呈线性增大，其线性拟合度均高于0.98。因此，脉冲超声波可通过改变煤体各孔径段孔容和比表面积，对煤样孔隙产生较强的扩容作用。图 7 绘制了不同脉冲超声波次数下煤样各孔径段孔容、比表面积相对无脉冲(1 号2 号3 号)煤样的增长幅度，由该图可知，随脉冲超声波次数的增加，煤样各孔径段孔容和比表面积增幅均呈线性增大(表 5)，线性拟合度均高于 0.97；脉冲超声波激励 5 次(8 号煤样)相比无脉冲激励(1 号、2 号、3 号煤样)，煤体微孔孔容增大了 26.288%、18.889%、17.027%，微孔比表面积增加了 19.290%、13.194%、12.975%；介孔孔容增大了155.639%、70.854%、52.466%，介孔比表面积增加了236.319%、77.558%、71.797%；大 孔 孔 容 增 大 了41.176%、23.849%、16.744%，大孔比表面积增加了 表4煤样全孔径段孔隙结构特征Table4Structuralcharacteristicsofporeswithfull-scaleporesizesincoalsamples煤样编号 V/(102m3g1)阶段孔容/(102 m3g1)阶段孔容占比/%S/(m2g1)阶段比表面积/(m2g1)阶段比表面积占比/%V1V2V3V1V2V3S1S2S3S1S2S31号4.3883.7280.1330.52784.959 3.031 12.01064.87264.2160.6140.04298.9890.9460.0652号4.7673.9600.1990.60883.071 4.175 12.75468.88567.6741.1630.04898.2421.6880.0703号4.8914.0230.2230.64582.253 4.559 13.18769.05967.8051.2020.05298.1841.7410.0754号5.0214.0900.2740.65781.458 5.457 13.08571.16569.8071.3020.05698.0921.8300.0795号5.2364.2760.2770.68381.665 5.290 13.04472.77871.2911.4290.05897.9571.9640.0806号5.3524.3350.2950.72280.998 5.512 13.49075.03773.2421.7310.06497.6082.3070.0857号5.6024.5320.3260.74480.900 5.819 13.28177.64175.6291.9440.06897.4092.5040.0888号5.8014.7080.3400.75381.158 5.861 12.98178.74076.6032.0650.07297.2862.6230.091 1 号2 号3 号4 号5 号6 号7 号8 号02468孔容比表面积煤样编号孔容/(102 cm3g1)无脉冲超声脉冲超声020406080100孔隙比表面积/(cm2g1)(a)煤的孔容及比表面积123450122436孔容增幅/%脉冲超声次数y=4.474 x+9.785R2=0.989y=4.118 x+1.057R2=0.989y=4.014 x1.505R2=0.989相对超声 0 W相对超声 800 W相对超声 1 000 W(b)煤的孔容增幅y=2.961 x0.116R2=0.990y=3.152 x+6.331R2=0.990y=2.968 x+0.136R2=0.99012345821624相对超声 0 W相对超声 800 W相对超声 1 000 W比表面积增幅/%脉冲超声次数(c)煤的比表面积增幅图 6 脉冲超声波前后煤的孔隙参数变化Fig.6 Variations in pore parameters of coals before and afterpulsed ultrasonic excitation第 8 期林海飞等：脉冲超声波激励对煤的孔隙全尺度改造效应 145 71.429%、50.000%、38.462%，其中大孔的孔容和比表面积增幅较为显著。因此，脉冲超声波诱导煤孔隙结构发生改变的过程中，脉冲超声波对煤样中各孔径段孔容的改造效果为：介孔大孔微孔，且介孔作为主要影响单元，使煤样比表面积发生改变。0123450246微孔孔容/(cm3g1)大孔孔容/(cm3g1)微孔比表面积/(m2g1)介孔比表面积/(m2g1)大孔比表面积/(m2g1)介孔孔容/(cm3g1)脉冲次数 n 0 W 800 W 1 000 W脉冲0102030孔容增幅/%相对 0 W的 增幅相对 800 W 的增幅相对 1 000 W 的增幅01234500.120.240.36脉冲次数 n012345脉冲次数 n012345脉冲次数 n012345脉冲次数 n012345脉冲次数 n(a)微孔孔容(b)介孔孔容(c)大孔孔容(d)微孔比表面积(e)介孔比表面积(f)大孔比表面积 0 W 800 W 1 000 W脉冲0102030孔容增幅/%相对 0 W 的增幅相对 800 W 的增幅相对 1 000 W 的增幅00.30.60.9 0 W 800 W 1 000 W脉冲0153045孔容增幅/%相对 0 W 的增幅相对 800 W 的增幅相对 1 000 W 的增幅00.030.060.09 0 W 800 W 1 000 W脉冲0306090比表面积增幅/%相对 0 W 的增幅相对 800 W 的增幅相对 1 000 W 的增幅00.10.20.3比表面积增幅/%0 W 800 W 1 000 W脉冲0102030相对 0 W 的增幅相对 800 W 的增幅相对 1 000 W 的增幅0306090比表面积增幅/%0 W 800 W 1 000 W脉冲0102030相对 0 W 的增幅相对 800 W 的增幅相对 1 000 W 的增幅图 7 脉冲超声波激励对孔隙参数的影响Fig.7 Effects of pulsed ultrasonic excitation on pore parameters 3.3脉冲超声波对煤的孔隙改造机理及启示为更直观地反映脉冲超声波对煤孔隙的改造效果和演化特征，如图 8 所示绘制了脉冲超声波对煤孔隙结构演化机理。超声波激励煤的过程主要分为两个阶段，前期的水锤压力阶段以及后续的滞止压力阶段18。前期的水锤压力阶段，超声波能量以水作为煤体的压 146 煤田地质与勘探第 51 卷裂介质，促使原始煤体产生裂隙，致裂后形成的裂隙会相互进行连通，因此大孔及以上孔径的孔隙孔容会明显增大，从而增加了煤层透气性。在后续的滞止压力阶段，超声波对煤体造成稳定冲击，煤体所受到的应力从压缩应力变成拉伸应力，当拉伸应力超过煤体的抗拉强度时，会促使煤体发生拉伸破裂，煤体裂隙进一步扩展损伤延伸至孔隙，使得半开放孔转变为开放孔，产生扩孔效应。本文采用脉冲超声波激励煤的方式，通过超声波功率的规律性变化，形成水锤压力阶段和滞止压力阶段的持续转换，使得超声波能量以水为介质对煤体进行循环冲击，瞬间转换的能量使煤体孔隙充分发育，如此循环往复，煤体孔隙结构的损伤程度不断加大，孔隙发育持续向煤层深部转移，随着煤体内部孔隙的扩展和延伸，煤体内形成相互交叉贯通的孔隙结构。脉冲超声波激励煤体后，煤基质发生周期性收缩和膨胀，使其疲劳损伤程度增加，煤体损伤范围扩大，煤的孔隙结构和孔隙连通性得到改善，更大幅度增加了瓦斯运移通道，从而提高煤层瓦斯抽采效果。使用低成本、高能效的脉冲式超声波激励是一种发展潜力极大的煤层增透方法。脉冲超声波激励煤体后，超声波会对煤基质表面造成能量冲击，煤基质、水、气交界面密度的变化引起了超声波速度改变，加之脉冲超声过程中超声波功率的连续性转换，使煤基质表面产生较大的波阻抗，煤基质表面及内部随即产生应力作用，致使煤基质破裂，沟通煤体内部孔隙23。因此，煤基质破裂改造的程度与超声波脉冲次数有极大的关联性。不同超声波脉冲次数对煤的微孔、介孔和大