Research progress and prospects of ultrasonic vibration in coal rock fracturing
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摘要:
为了推动超声振动致裂煤岩体技术的发展，提高矿山煤层气增产及硬岩掘进的效率，回顾了超声波技术的发展历程，综述了超声振动在致裂煤岩体方面的应用现状与研究进展，明确了超声振动在煤岩致裂领域存在的关键阻碍性技术难题及发展趋势。① 总结了传统技术在矿山煤层气增产和硬岩掘进领域存在的技术问题，介绍了超声波技术的独特优势及应用领域，阐述了超声波发生器和超声波换能器的发展阶段及相应性能；② 归结了超声振动煤层气促解増渗装置及流程，分析了超声振动煤层气促解增产现状，阐明了超声空化效应、机械振动效应、热效应作用下煤层气降压、加速、位能及动能增加进而促进其解吸増渗的机制；③ 归纳了超声振动破岩装置及流程，阐述了超声振动破碎硬岩的进展，揭示了超声振动产生的机械振动效应与热效应作用下疲劳损伤、微裂纹亚临界扩展、矿物颗粒不均匀热膨胀或矿物相变、岩石物理力学特性劣化导致硬岩破碎的内在机理；④ 针对超声波发生器、换能器及超声振动在矿山致裂煤岩体中的局限度，对未来超声振动致裂煤岩体在现场高效应用的研究重点提出了4点建议：高性能防爆型超声波发生器和换能器的研发，超声振动促解増渗机理的深入分析及管线技术框架设计，多功能及多场耦合室内超声振动致裂煤岩体设备研制与试验，井下抗干扰超声振动设备的研发应用。
Abstract:In order to promote the technological development of ultrasonic vibration induced cracking of coal and rock masses, improving the efficiency of coalbed methane production and hard rock excavation in mines, it reviews the development history of ultrasonic technology, summarizing the application status and research progress of ultrasonic vibration in fracturing coal and rock mass, and the key obstructive technology problems and development trends of ultrasonic vibration in the field of coal and rock fracturing are clarified. ① The technical problems of traditional technologies in the fields of coal seam methane production and hard rock excavation in mines is summarized, introducing unique advantages and application fields of ultrasonic technology, besides the development stages and corresponding performances of ultrasonic generator and ultrasonic transducer are described; ② The equipment and process of ultrasonic vibration to promote coalbed methane desorption and permeability increase are induced, analyzing the current situation of promoting permeability increase of coalbed methane by ultrasonic vibration, and the mechanism of pressure reduction, acceleration, potential energy and kinetic energy increase of coalbed methane under ultrasonic cavitation effect, mechanical vibration effect and thermal effect to promote its desorption and permeability increase is expounded; ③ The equipment and process of ultrasonic vibration rock fragmentation are generalized, describing the progress of ultrasonic vibration crushing of hard rock, and it reveals the internal mechanism of hard rock breaking caused by mechanical vibration effect and thermal effect of ultrasonic vibration, such as fatigue damage, subcritical propagation of microcracks, uneven thermal expansion or mineral phase transformation of mineral particles, and deterioration of rock physical and mechanical properties; ④ In view of limitations of ultrasonic generator, transducer and ultrasonic vibration in coal and rock mass fracturing in mines, four suggestions are put forward for the research focus on the efficient application of ultrasonic vibration induced fracturing of coal and rock masses in the field in the future: research and development of high-performance explosion-proof ultrasonic generator and transducer, in-depth analysis of the mechanism of increasing permeability by ultrasonic vibration and design of pipeline technology framework, development and test of multi-function and multi-field coupling indoor ultrasonic vibration cracking coal and rock mass equipment, research and application of anti-interference ultrasonic vibration equipment in underground mines.
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0. 引 言
青藏高原地区高海拔、气温低、广泛分布冻土，冻土的存在使青藏高原气候变化(尤其是气温升高)更加敏感[1]。冻土作为浅部地下水含隔水层的实质载体和支撑地表植被、湿地等生态环境的基础，同时兼具多重生态地质功能作用[2–5]，对高原高寒地区生态系统的稳定和演化起着重要作用[6]。
木里矿区是青海省最大的煤炭矿区，也是西北地区重要的炼焦煤资源产地，大规模的露天开采对生态环境产生显著破坏并引起社会广泛关注，为此，政府开展了大面积矿山环境恢复治理工作。期间，研究以“山水林田湖草”为一个生命共同体的理念，从煤炭生态地质勘查角度，针对矿区生态环境与资源的破坏和扰动，在前人的生态环境修复研究基础上[7–13]，结合高原高寒特点开展生态地质勘查及生态修复关键技术研究。王佟等[14-15]以煤炭生态地质勘查基本构架为基础提出了生态地质层理论，指出矿山生态环境治理的关键是构建和修复生态地质层。根据治理修复对象的不同，生态地质层可划分为土壤层、地形重塑层、煤层顶板岩层、含水层及冻土层，通过基于生态地质层的研究和工程应用，形成了高原高寒区的生态环境修复治理模式和技术方法[16–23]。实现了木里矿区生态系统质量整体修复提升，与周边自然生态环境有机融合，为高原高寒地区煤矿区生态修复提供借鉴。
在多年冻土发育区域，冻土自身虽具有一定的自我恢复能力，但其自然演化、恢复的时间漫长。根据建立的多年冻土地质剖面原理模型思路，在以往传统的露天采坑回填治理工程中按照冻土人工重构设计进行有序的分层回填等系列工程措施，超前性实现冻土隔水层的水文地质功能并提升其工程力学稳定性，能够更显著地提高多年冻土的恢复速率，同时通过抑制沉降巩固露天采坑回填工程的治理效果，并为后期覆土复绿工程奠定良好、稳定的基础，为高原高寒特殊自然环境下生态系统的恢复和稳固提供有力保障。生态修复战略主要包括地质勘探、矿山设计、矿山生产、闭矿4个阶段的生态修复，其中冻土的修复与保护也应包含在矿山的全生命周期中。此外，生态修复是矿山环境保护和综合治理、增加碳储量、提升区域生态系统固碳能力的有效途径[3,5]，这在冻土地区意义更为深远。
1. 木里矿区自然地理
木里矿区地处祁连山脉的中南部地区，大通山以北，托莱山以南的断陷盆地内，呈现为“两山夹一谷”地貌特征，山脊、谷地走向NWW。盆地总体上呈东南低，西北高的趋势，海拔标高+4 000～+4 300 m。本区地处高寒地带，四季不明显，气候寒冷，昼夜温差大，西南部笔架山一带雪线4 500 m以上常年积雪，属典型的高原大陆性气候。6—8月为雨季，11月至来年5月以降雪为主。矿区地表水系较发育，区内主要有常年性流水上哆嗦河、下哆嗦河和次要常年性流水交合根曲(努日寺沟)，都是大通河的发源地之一(图1)，主要由大气降水和冰雪融化补给。
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图 1 木里煤田位置及聚乎更井田分布Figure 1. Muli Coalfield position and Juhugeng Minefield distributions2. 木里矿区冻土分布特征
2.1 平面分布
青藏高原多年冻土是我国冻土分布面积最广的冻土区。祁连山多年冻土面积约7.66×104 km2，约占中西部地区总冻土面积的28.37%。地处祁连山高寒山地多年冻土区中西部的木里矿区是典型的高海拔多年冻土区[24]。木里矿区除了在局部的断层构造、湖泊及矿山采坑活动影响下存在冻土融区或不同程度剥离破坏外，其他地区基本连续有冻土分布。区内分布有亚稳定型多年冻土，冻土年平均地温在–1.5～–3.0 ℃；少量稳定型多年冻土，冻土年平均地温＜–3.0 ℃。其中，聚乎更3、4、7、8号井田主要处于山前缓坡高含冰量冻土区；5号井田中部处于基岩山区低含冰量冻土区，其东西部分处在缓坡高含冰量冻土区；9号井田主要处于基岩山区低含冰量冻土区(图2)。
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2.2 垂向分布
多年冻土在受当年季节性气候变化影响下，随着每年5月至9月地表温度上升多年冻土表层开始融化。在多年冻土上部从冰水混合层到冻结层，一般在7～8 m内冻土层的地温呈现急剧变化的趋势。在该地温“急剧变化”区段还可以细分为上部受太阳辐射影响为主的温度剧降的AB段和下部地表环境因素影响逐渐减弱的相对急剧升温的BC段。矿区多年冻土层厚度大。在多年冻土层上部地温“急剧变化”区段和下部地温“稳定变化”区段的屏蔽下，厚大的多年冻土层中部受外界环境的影响基本被消除，相应出现了地温相对“恒定”变化的CD区段。矿区这一相对“恒定”区段厚度约15 m。在多年冻土下部至其底界之下的一定深度段内，其地温呈较稳定的速率逐渐上升的DF区段规律变化，最终趋近于正常地层的温度规律。多年冻土与下部正常地层在充分热交换前提下即相对稳定连续温度平衡下呈现出的稳定变化趋势。一般以0.016 ℃/100 m的地温梯度变化逐渐上升至正常的地温梯度，呈现多年冻土地温稳定变化的规律(图3)。
2.3 多年冻土层顶底界
根据已知的冻土常观孔多年地温测量数据，多年冻土的顶界最深的在木里矿区聚乎更东部1号井为3.2 m，哆嗦公马多年冻土顶界在1.0 m以浅。据木里矿区以往钻孔测温记录，该区多年冻土厚度西部厚度大，中部厚度小，东部厚度又逐渐变大。多年冻土呈连续分布，厚度介于50～136 m，冻土厚度变化主要与区内地形地貌、矿业活动等关系密切。
3. 冻土层的构建修复方法
按照防季节性冻土、多年冻土及其在生态环境功能的思路，通过人工有针对性干预，制定出针对木里矿区开采破坏冻土的具体构建修复方法，主要包括冻土概况调查、剖面模型建立、搭接融合、确定回填时间、设计表层保水、布设截排水沟、地貌重塑共7个环节(图4)。
1)冻土概况调查。通过遥感监测、专项勘查、以往冻土资料搜集或采用钻探、温度监测、测温、地质测量等方法调查认识冻土的基本特征、岩层序列以及原始冻土层破损情况。
木里矿区多年冻土顶界深度一般在3.2 m以浅，局部顶界深度约到7.0 m，个别湖泊及河流等自然因素影响下多年冻土的顶界深度更深。木里矿区三号井、四号井、五号井、七号井、八号井、九号井和哆嗦公马7个井田中，开挖深度最浅的九号井露天采坑深度一般在6～20 m，基本挖穿了多年冻土的活动层。按照几个井田露天采坑的面积统计，多年冻土上部的活动层因露天采坑开挖直接造成的破坏面积累计1 272.86万m2(表1)。木里矿区三号井、四号井、五号井和八号井4个井田的开采最深处的深度在87～200 m，基本揭穿了多年冻土层的底界，形成了多年冻土层洞穿破坏性“天窗”。相比之下，其他几个井开采最深处的深度为32 m，基本只对多年冻土的中上部造成挖损破坏，未造成洞穿或明显改变其地质条件。按照冻土底界的平均深度93 m统计，三号井3951标高多年冻土直接性破坏区位于三号井露天采坑中西部，长957.13 m，宽747.01 m，面积为64.38×104 m2；四号井3893标高多年冻土直接性破坏区位于四号井露天采坑中部及西部(即西采坑)，长2 201.61 m，宽442.58 m，面积为92.45×104 m2；五号井多年冻土直接性破坏区位于五号井露天采坑中部，长1 927.29 m，宽132.18～355.08 m，面积为72.75 m2。
表 1 多年冻土上部的活动层直接破坏统计Table 1. Direct damage statistics of active layer in upper permafrost序号 井田 面积/104 m2 1 三号井 377.05 2 四号井 304.64 3 五号井 171.53 4 七号井 149.40 5 八号井 101.32 6 九号井 116.66 7 哆嗦公马 52.26 合计 1 272.86 2)构建二元结构冻土生态地质层剖面模型。针对季节性冻土和多年冻土，确定冻土的层状结构特征，构建再造层和回填层的二元结构冻土生态地质层剖面模型。回填层以参照临近原始多年冻土剖面通过工程手段分层回填和压实，利用大气降水或注水，形成有利于多年冻土快速恢复的环境，恢复对水、气的封存和隔绝功能。再造层以有利于增加水源涵养为目的，以季节性冻土底界为参照通过分层回填和一次性压实的工程措施形成再造层，以恢复地下水的渗流场和与周围完好土壤层等生态地质层的联系。再造层之上到地表称为冻土的保护层，主要指地表土壤层再造和复绿，土壤层复绿后的植被可调节地表能量(热辐射)、水分、湿度等，可对冻土起到保护作用(图5)。
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图 5 冻土层二元结构构建修复剖面(据王佟等[15]修改)Figure 5. Construction and restoration profile of permafrost dual structure3)人造冻土层与原始冻土层之间的搭接融合。冻土层与原始地层搭接面的修复，以往治理中未考虑原始地层与新建冻土层连接处的搭接面构建，后期在连接处通常发生冻融或出现热融，搭接面成为水流通道，形成和断层带一样的导通结构。因此冻土层修复时，搭接面的构建是冻土生态地质层修复的关键。为防止冻融，选择泥质细渣土和导水措施、上部碎石散热层等措施实现对考虑剖面上冻土层与原始地层的搭建面处有效衔接。
季节性冻土层(0～3 m)重构，需要通过分层回填、压实、覆土复绿等工程措施实现物质结构、地下含水层结构、水源涵养能力等相似并与原始季节性冻土能搭接融合，如图6所示。多年冻土层重构(3 m至采坑底部)，需要通过选择泥质细渣土导水措施和上部构建碎石散热层等措施实现对已经破坏的原始冻土层与重构冻土层有机搭接融合，如图7所示。
通过上述构建方法，实现重构冻土层物质结构、地下含隔水层结构及水力联系、水源涵养能力相似与原始冻土层及其功能搭接融合的冻土层修复。
4)回填时间。李金平等[25]采用数值模拟方法对高原高寒露天采坑回填后对一定初始温度条件和不同边界条件下露天开挖回填后的冻土恢复速度进行预测分析，认为当填土温度由0 ℃以上降低为0 ℃以下时，冻土的恢复速率明显加快，厚度明显增大；当填土表面温度为正温时，坑底内的冻土恢复速率慢；当填土表面温度为负温时，坑底内的冻土恢复速率更快，冻土厚度更厚；随着天然地表温度的降低，冻土恢复速率逐渐加快，冻土厚度也逐渐增厚。本次木里矿区生态修复时间选定在10—12月，最低气温低于–20 ℃，保证了冻土快速恢复并保持稳定，有利于矿区的生态环境恢复。
5)表层保水设计。以上针对性的冻土层层状结构构建思路中重点体现了强化冻土层储水、蓄水的能力。尤其是基于季节性冻土上部蓄水能力提升和底部水侧流抑制思路设计的再造结构，其次是在土壤基质层重构中对基质层内渣土粒级和土质含量在垂向自下向上的递变等设计，更有利于雨水下渗和保持(图8)。
对基质层进行人工或机械耙犁，干预构建5.0 cm左右“波状”土层顶面，以有效消减大气降水的地表径流流失量、增加壤中流(图8)，提升重构保护层的保水能力。其次，在筛选复绿草籽时，在考虑气候、环境适应性的同时，优选宽叶类植被也可以降低雨水的冲刷作用和地表径流量，增强大气降水下渗转化为壤中流，提升保水能力。
6)截排水沟布设。在相对平整的渣山顶面，尤其是在回填的采坑面，主要设计布设排水沟和蓄水型截水沟，沟壁保持自然裸露、较平顺。蓄水型截水沟基本上沿等高线布设。整个截排水沟的设计不能因造成地表显著积水进而引起冻土局部融化并逐步向热融湖塘演变，同时可以大幅减少大气降水的径流流失。
7)地貌重塑。在矿山恢复治理过程时，一般都要对渣山进行消顶，对采坑进行和填平补齐，在此过程中同步达到对地貌的重塑，使其与周边地形、地貌相协调。地貌重塑时，可以从地形和坡面控制2个方面进行冻土保护。通过地形的干预控制，减小采坑垂深落差、边坡削坡、改变坡面朝向、渣山削顶降高，以提升治理区地表空气流通性，增加地气间的热交换，强化对冻土的保护作用。通过控制渣山顶部、采坑回填面等平面区域场地坡面平整至微斜坡(坡度0.5°～2°)及采取小平距缓坡与大平距平面相结合的坡面设计可以减弱大气降雨坡面流速，减弱地表径流量，增强大气降雨的保水能力，减少水土流失，促进植被生长发育，间接促进冻土的保护。
4. 冻土层修复效果验证与对比
4.1 探坑验证
木里矿区采坑回填于2020年10月至12月完成，2021年5—6月进行了覆土、土壤改良及种草复绿，至2022年6月地表植被草全部返青，复绿成效显著。2022年7月对四号井东采区坑底渣石回填区、五号井东采区坑底渣石回填区和七号井东采区煤层露头封堵区等有代表性的回填地段同步揭露和观测，如图9所示。在探坑中使用SOIL TESTER土壤测温仪(型号DT–001)和高精度玻璃棒红水温度计进行测温，其中四号井探坑深度为210 cm，五号井探坑深度为230 cm，七号井探坑深度为230 cm，见表2。
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图 9 采坑回填区渣土冻结状况探坑观测Figure 9. Freezing observation of dregs in backfill area of mining pit由表2可以看出，随着探坑深度不断加大，渣土温度逐渐降低，其中四号井探坑在210 cm深度处降至0 ℃，五号井探坑在230 cm深度处降至0 ℃，七号井在180 cm深度处降至0 ℃，充分说明通过两年度的回冻，采坑渣土回填区冻土已经开始形成。测温结果表明：裸露地表气温明显高于有植被覆盖的地表气温；随着探坑深度不断加大，回填渣土温度逐渐降低至零度，不仅说明回填区冻土已经开始形成，同时也说明在回暖季节，因热融作用形成了活动层，冻土保护与修复成效显著。
4.2 钻探揭露对比
2020年11月在五号井采坑南边帮施工的地温监测孔HF–4，拟稳态测温解释初步判定多年冻土上限深度为9.40 m，原第四系顶界孔深14.90 m，表明该孔处多年冻土上限已抬升至原地表以上5.40 m。
矿区开采过程中堆放形成的渣山，堆放过程未开展任何构建和压实工作，渣堆在降水淋滤并经过多年融冻，渣山浅部逐渐形成新的冻土，2020年在聚乎更四号井南渣山上施工的ZK–5等6个勘察钻孔的岩心观察编录中，在25～32 m孔深后均可直接观察到冰层和冰砾(图10)，证明四号井南渣山重新形成了冻土，其顶界深度在25～32 m。以上钻探揭露的冻土信息表明，木里矿区重新堆填的渣山经过一定时间，渣山中已经开始形成新的冻土，同时渣山的存在并未造成压覆地原冻土顶界下移，在木里高原高寒气候条件下，冻土层具有较好的自然恢复能力。
4.3 钻孔地温监测
以钻探工程为基础手段，一般以控制季节性冻土底界和多年冻土底界不同界面为参照确定常观孔深度，随后通过在常观孔内按0.20～20 m不同点距布设温度传感器和数据采集装置，通过无线信号发送装置定期发送测温数据，实现对冻土地温的实时高频率监测。本次研究在木里矿区部署了2个地温监测孔，其中01号孔监测深度150 m，位于五号井采坑南侧，距采坑50 m；02号孔监测深度30 m，位于四号井采坑北侧，距离采坑20 m，如图11和图12所示。
表 2 探坑揭露采坑回填渣土冻结–热融情况Table 2. Freeze-heat melting of backfill dregs revealed by pit exploration深度/cm 温度/℃ 备 注 四号井坑底回填区
高程：+3 998 m五号井坑底回填区
高程：+4 013 m七号井坑底回填区
高程：+4 105 m四号井坑底回填区
高程：+3 998 m五号井坑底回填区
高程：+4 013 m七号井坑底回填区
高程：+4 105 m0 0 0 19 21 26 裸露地表气温 0 0 0 17 19 13 植被覆盖地表气温 2 2 2 15 18 19 裸露表土温度 2 2 2 14 13 11 植被覆盖表土温度 20 20 10 10 10 9 重构土壤底部温度 25 25 20 10 10 6 — 35 35 45 10 10 4 — 55 55 60 8 8 3 — 80 80 80 7 6 3 — 100 100 100 6 5 2 — 130 130 130 4 2 1 — 170 200 180 3 0 0 — 210 230 230 0 −1 −1 见冰花，挖掘面为白痕 ![]()
图 11 01号地温监测孔测温曲线Figure 11. Temperature measuring curve of No. 01 ground temperature monitoring hole![]()
图 12 02号地温监测孔测温曲线Figure 12. Temperature measuring curve of No. 02 ground temperature monitoring hole经过一年多的监测，通过不同孔一年多后持续地层温度监测对比分析认为： 01号孔多年冻土层顶界为3 m，底界深度为63 m，02号孔多年冻土层顶界为3.5 m，多年冻土的顶界已基本恢复至区域多年冻土的顶界深度，该顶界深度以下，低温基本能稳定维持在零摄氏度以下；但相比矿区及区域上多年冻土的底界深度还略显偏小，仍需一个持续逐步恢复的过程才能逐步趋向于原始多年冻土的厚度。
5. 结 论
1)在冻土层修复关键技术研究中利用了二元结构冻土生态地质层剖面模型，采用模拟原始冻土层结构的方法，通过实践科可以修复出一个与开采破坏前的原始地层成分、结构、功能作用相似的人造冻土层。
2)从冻土概况调查、剖面模型建立、搭接融合、确定回填时间、设计表层保水，布设截排水沟，地貌重塑共7个方面思考总结了冻土构建的具体方法。
3)探坑、钻探等方法揭露观测表明，通过对冻土人工构建和修复，在为治理区内冻土自我恢复能力的塑造和提升奠定坚实基础的同时，冻土的保护将为植被再生能力的提升提供水源涵养、水土保持等更为有利的条件，促进高原高寒生态修复区生态系统快速稳定。
4)冻土层构建技术作为高原高寒生态地质层修复关键技术之一，在木里生态环境修复治理项目中得到了良好的应用，生态治理恢复成效显著，证明冻土层构建思路和技术方法正确性，具有较大的实践意义，也为高原高寒地区同类地区冻土成重构和大面积生态地质层修供参考和借鉴。
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图 3 超声振动提高煤层气抽采率机制
Figure 3. Mechanism of improving coalbed methane extraction rate by ultrasonic vibration
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图 4 超声振动设备煤层气促解增渗流程
Figure 4. The process of accelerating decomposition and permeability increase of coalbed methane by ultrasonic vibration equipment
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图 7 超声振动激励破岩试验装置示意
Figure 7. Schematic of rock breaking experimental device excited by ultrasonic vibration
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表 1 超声波发生器发展过程及特性
Table 1 Development process and characteristics of ultrasonic generator
年代 超声波发生器 特点 20世纪20年代至20世纪60年代 电子管 体积庞大、寿命短、效
率低20世纪80年代 电力双极型晶体管(GTR)、集成门级换流晶
闸管(IGCT)等模拟型晶体管静态输入阻抗高、驱动功率易达到、
大输出功率功耗高20世纪90年代以后 高速IGBT(WARP–Speed)、低电荷功率
MOSFET等开关型晶体管驱动功率小、饱和压降低、频率
自动跟踪、成本高
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表 2 超声波换能器发展过程及特性
Table 2 Development process and characteristics of ultrasonic transducer
年代 超声波换能器 特点 20世纪初期 夹心压电式 结构简单，易被驱动电路驱动，机电转换效率高，
容易成型，造价低廉，性能稳定20世纪30年代至20世纪40年代 叠片型磁致伸缩式 电阻率较低，磁通密度的饱和性较高，效率低、
性价比低，需要外加直流极化磁场20世纪50年代 电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、
锆钛酸铅压电式辨率高、稳定性好、精度高、速度快、成本低 20世纪60年代至20世纪80年代 可调频夹心压电式、宽频带压电式、
双向辐射压电式超声频率稳定、频带宽度大、电声效率高、转换效率
高、能量消耗少、制造成本低、清洗质量高20世纪90年代以后 光纤超声换能器、高温压电式、高强度聚焦压
电式、纵向、径向、弯曲、扭转、纵扭及纵弯
复合振动压电式、高频压电式尺寸小、发射声压高、发射和探测带宽大、探测灵敏度高、高温检测效果好、扫描速度快且精确度高、辐射效率高、空间分辨率高、检测诊断信息精准
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表 3 红砂岩物理力学参数
Table 3 Physical and mechanical parameters of red sandstone
弹性模量/GPa 泊松比 抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa 内摩擦角/(°) 黏聚力/MPa 60 0.25 53.6 6.01 42.38 18.15
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