摘要
深部煤层开采时煤层透气性低、煤层增渗困难是制约煤层瓦斯抽采的关键性难题，随着低渗煤层增渗技术的发展，近年来，提出了振动波激励煤体共振增渗技术构想，这项技术的优势是，振动波的频率接近于煤岩固有频率时，煤岩自身产生激励共振，进而促进煤岩破裂效果和渗透率显著提升。为了实现振动波激励煤体共振增渗技术的应用，必须首先探明煤体振动固有频率响应特征及影响因素。 为了确定煤体振动固有频率的影响因素，首先以振动力学及结构动力学为基础，建立了单自由度和多自由度煤体振动模型，理论分析了煤体的振动响应特性。然后，通过分析比较优选“敲击法”作为煤体振动固有频率测试方法，从传感器的安装、耦合方式的选择、采样频率的设置三个方面考虑并确定煤体振动信号采集方法，同时优选“汉宁窗”对振动信号进行处理以提高振动固有频率测试结果的可靠性，为后续煤体固有频率测试结果的分析奠定基础。 自主搭建固有频率测试平台，设计了4种实验方案，探讨了层理、水分、尺寸及煤阶对煤体振动固有频率的影响规律。通过实验测得煤体振动信号并结合建立的数学模型进行分析，得出平行于层理面所测得的固有频率大于垂直层理面所测得的固有频率；饱水煤样的固有频率低于干燥煤体的固有频率主要原因是，煤样饱水处理后其密度增大，弹性模量、单轴抗压强度均明显降低；棱长分别为30mm、50mm、100mm煤体的固有频率呈递减趋势；不同煤阶煤体的固有频率不同主要是由于其力学参数存在差异。通过比对实验结果及理论分析的结论，验证了理论分析的正确性。 采用数值模拟的方法，以实验测得的煤体物理力学参数及固有频率测试结果为基础，应用ANSYSWorkbench有限元软件的谐响应分析模块，对单一煤体的加速度响应进行了求解。模拟了不同激励力、不同尺寸、不同力学参数单一煤体振动的加速度响应特征，得出加速度响应峰值所对应的频率即为煤体的各阶固有频率，激励力对煤体振动固有频率的大小无影响，但其振动响应的峰值会随着激励力的增大而增大；尺寸越大，煤体振动固有频率及响应峰值越小；固有频率是由其力学参数决定的，弹性模量及刚度越大，固有频率越大，振动响应峰值越小。 在对单一煤体的模拟结果进行分析的基础上，建立了煤岩复合体及煤体与夹持器耦合条件下的复合体的三维数值模型，求解其加速度响应，得出与单一煤体相比，复合体中煤体的固有频率更大。其中，花岗岩的固有频率最大，煤岩复合体的固有频率次之，单一褐煤的固有频率最小；煤体与夹持器耦合后，煤体的刚度增大，固有频率也随之增大。为进一步研究振动波激励煤岩共振增渗技术提供了参考。
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