超聲振動在礦山煤巖致裂中的研究進展與展望

王旭鋒 ，牛志軍 ，張 磊 ，李翔宇 ，王紀堯 ，常澤超 ，陳旭陽

（1.中國礦業大學 礦業工程學院, 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 江蘇省礦山地震監測工程實驗室, 江蘇 徐州 221116；3.中國平煤神馬集團煉焦煤資源綠色開發全國重點實驗室, 河南 平頂山 467000）

0 引 言

2022 年我國原煤產量為45.6 億t，煤炭消費量占能源消費總量的56.2%，煤炭依然在我國能源結構中占據主體地位。隨著我國淺部煤炭資源即將殆盡，大多礦井進入了深部開采階段，復雜的地應力環境較大程度阻礙了煤層氣增產和硬巖掘進的效率。

我國煤層氣表現為低壓力、低滲透率、低含氣飽和度與高非均質性的儲層地質條件，當前國內外煤層氣增產主要包含松動爆破、水力壓裂、水力割縫、注氣、水平鉆井、物理場激勵[1]等技術，存在滲透性范圍小、耗水量大、作業場地要求高、地下水污染、適應性差、選井位置困難、氣源及經濟性限制、固–流–波作用機理不明的技術難題，較大程度阻礙了煤層氣安全高效抽采。我國礦山巖石工程施工方法主要包含機械化掘進法和鉆爆法，機械化掘進法存在刀具磨損嚴重、設備故障率高等問題，鉆爆法表現出成孔速度慢、爆破效率低、機具與材料損耗大等難題，不能較好解決礦井采掘接替緊張的局面。

超聲波自19 世紀30 年代被發現以來，因其具有方向性好、穿透能力強、能量集中等諸多優點，近年來迅速在國民經濟各領域得到了廣泛應用。學者們圍繞超聲波的發生與作用機理[2]、功率超聲設備制造與工藝[3]、應用方法與技術[4]等方面開展了大量卓有成效的研究工作，相關成果主要集中體現在檢測超聲與功率超聲的技術領域，其中檢測超聲主要應用在超聲無損檢測、超聲工業測量、超聲診斷等領域；功率超聲主要體現在超聲波脆硬材料鉆孔加工、超聲強化化學反應與化工過程、冶金工程、地外天體的鉆探取樣等領域的應用，特別是大功率超聲波發生器的成功研制，使得超聲波技術在巖土及地下工程當中的應用更為全面和深入[5]。

近年來，超聲技術在提升礦山綜合效益的作用持續加強，幾乎涵蓋了礦山生命周期中的各個環節[6-7]，并展示出了強大的技術活力和廣闊的應用前景?；诔暡夹g的適應性強、操作簡單、成本低、能量高且可控等優勢，近些年超聲波在煤層氣增產與硬巖掘進方面進行了大量的應用與研究，由于井下環境的復雜性，超聲波技術安全高效應用仍然面臨著基礎研究不完善、管線設計不成熟、室內試驗無法滿足井下復雜條件、井下設備應用抗干擾性差等技術難題，導致目前超聲振動致裂煤巖體技術還未成熟應用于現場。為此筆者系統分析了超聲振動在致裂煤巖體的研究現狀，從提高煤層氣解吸增滲率、硬巖破碎效果，結合超聲波(振動)在煤巖體中的傳播與作用機理，對致裂煤巖體方面的應用與研究進展進行了系統闡述，并對其發展趨勢進行了展望，研究成果對促進超聲振動高效致裂煤巖體具有一定的借鑒作用。

1 超聲波特性與發生設備

1.1 超聲波的傳播特性

超聲波是指頻率高于20 kHz 的機械波。超聲波的波長較短，直線傳播能力強，具有方向性良好、束射性及能量集中等特點。在固體介質中，超聲波的縱波、橫波與表面波3 種振態都可以進行傳播。由于氣體和液體只能承受壓應力，不能承受剪應力，因此液體和氣體介質中只能傳播縱波。超聲波在介質中傳播時，會與傳播介質產生諸如機械、電磁、熱能、化學的相關效應[8]。

在超聲場中，介質的質點將做強烈的機械振動，從而引起多種多樣超聲波的特殊效應。實際上超聲場的強弱往往用聲強來表征。在諧和律聲場中，聲強[9]為：

式中，I為超聲波聲強，W/cm2；P為超聲波聲壓，N/m3；ρ為介質密度，kg/m3；c為超聲波在介質中的傳播速度，m/s；V為超聲波振動速度，m/s；ω為超聲波的角速度，rad/s；A為超聲波振幅，m；a為超聲波質點振動加速度，m/s2。

超聲波聲壓P、超聲波振動速度V與超聲波聲強I的平方根成正比，而與超聲波頻率f=2πω無關，超聲波振幅A與超聲波聲強I的平方根成正比，還與超聲波頻率f成反比；超聲波加速度a除了與超聲波聲強I的平方根成正比外，還與超聲波頻率f成正比。

超聲波把能量傳遞給質點引起介質質點振動，使其質點加速度與超聲振動的平方成正比，傳播過程中質點運動造成其分布不均勻，出現疏密不同的區域。在質點分布稀疏區域與致密區域聲波分別形成負聲壓與正聲壓，并形成正負聲壓的交替連續變化。這種變化使得質點獲得一定動能和加速度。超聲波質點振動加速度a大小符合以下公式[10]：

其中：a為超聲波質點振動的加速度，m/s2；ρ為介質密度，kg/m3；c為超聲波在介質中的傳播速度，m/s；f為超聲波頻率，Hz；I為超聲波聲強，W/cm2。

1.2 超聲波發生器與換能器

超聲波發生器的工作原理為整流濾波電路將220 V 或380 V 的工頻交流電處理后產生直流電壓(圖1)，經電路輸送至交流逆變電路和電源變壓器，同時信號控制電路產生一定頻率的控制信號通過驅動電路傳輸至交流逆變電路和保護電路，使得整流濾波電路和交流逆變電路在保護狀態下工作，進而輸出大功率高頻交流電壓，通過匹配電路將正弦或脈沖的超聲波電信號輸送至換能器[11]。

基于超聲波發生器中放大電路組成原理的差別，超聲波發生器可以歸納為電子管型放大器、模擬型晶體管放大器、開關型晶體管放大器的3 個發展階段。超聲波發生器的發展過程及特性見表1[12]。

超聲波換能器在整體結構上屬于超聲波發生器的負載部分，可以將發生器輸出的交流電信號轉換為機械能，通過振頭高頻率的振動發出滿足頻率要求的超聲波。超聲波換能器根據能量轉換機制不同劃分為壓電式超聲波換能器、磁致伸縮式超聲波換能器[13–15]。超聲波換能器工作原理、超聲波換能器發展過程及特性分別如圖2、表2 所示。

表2 超聲波換能器發展過程及特性Table 2 Development process and characteristics of ultrasonic transducer

圖2 超聲波換能器工作原理Fig.2 Working principle of ultrasonic transducer

2 超聲振動煤層氣促解增滲

2.1 超聲煤層氣促解増滲機制

超聲振動提高煤層氣抽采率的機理主要表現為空化效應、機械振動效應、熱效應共同作用。其中，空化效應為超聲振動作用下煤體孔隙水壓強、密度重復起伏變化，促使煤層氣達到臨界解吸壓力；機械振動效應為超聲波作用下煤層氣產生加速度，進而脫附煤體表面；熱效應為超聲振動作用下，煤體產生位能和動能，煤層氣吸收能量解吸。超聲振動提高煤層氣抽采率的機制如圖3 所示。

圖3 超聲振動提高煤層氣抽采率機制Fig.3 Mechanism of improving coalbed methane extraction rate by ultrasonic vibration

2.2 超聲強化煤層氣促解増滲裝置

國內學者近些年對超聲振動作用下煤層氣的促解増滲進行了大量深入的研究，并配套研發了一系列的試驗裝置。相關的試驗裝置主要由SHI Qingmin 研制的超聲波激勵和監測系統、鮮曉東研發的基于超聲波作用的煤層氣吸附／解吸及滲流特征的試驗系統、肖曉春研制的超聲波甲烷促解裝置、姜永東研制的超聲波甲烷解吸擴散裝置組成。

超聲振動煤層氣促解増滲設備主要由超聲波發生器、超聲波換能器、高壓甲烷氣瓶、減壓閥、吸附/解吸/滲流測量系統構成。該設備的工作步驟為：①超聲波發生器將交流電轉化為超聲波高頻電信號；②換能器將高頻電信號轉化為高頻機械振動；③高壓甲烷氣瓶提供試驗需要的甲烷氣體；④減壓閥將高壓甲烷氣體降低至試驗所需的壓力；⑤吸附/解吸/滲流測量系統用于明確超聲振動作用下甲烷氣體的吸附/解吸/滲流特性。超聲振動設備煤層氣促解増滲的流程如圖4 所示。

圖4 超聲振動設備煤層氣促解增滲流程Fig.4 The process of accelerating decomposition and permeability increase of coalbed methane by ultrasonic vibration equipment

2.3 超聲振動煤層氣增產現狀

20 世紀50—60 年代美國和蘇聯均開始對超聲波處理油層展開了相關的研究，研究結果表明超聲波技術不僅可以增加油井的產量，也能夠有效延長采油設備的使用年限?；诔暡夹g在石油領域的成功應用，20 世紀90 年代后期，鮮學福提出了采用可控聲震法提高煤層氣抽采率的思想。劉?？h等[16]對超聲振動作用下煤中煤層氣吸附和滲流特性進行了研究，由于超聲振動激勵下煤的表面勢能增大和熱效應使煤體溫度增高的作用，煤對煤層氣的吸附量顯著減少，且煤層氣的滲透率得到了明顯提高。易俊[17]研究了超聲振動激勵促進煤層氣的解吸、擴散和滲流特征，指出聲波能促進煤層氣解吸和提高煤層滲透率，揭示了聲波的機械振動效應產生的拉應力與壓應力作用、熱效應使得甲烷分子能量增加和多孔介質煤體損傷的共同作用提高煤層滲透率的原理。

學者對超聲振動作用下煤體的吸附、解吸和滲流特性進行了深入的研究。姜永東等[18-19]采用自主研制的超聲波試驗設備，研究了超聲波頻率、聲強、功率與煤體中甲烷的解吸特征，明確了超聲振動的機械振動效應促使煤顆粒與甲烷產生不同的加速度和振幅而分離、熱效應為甲烷解吸持續提供能量的共同作用促進甲烷解吸和擴散的機制。超聲波作用后甲烷在初始解吸過程中表現出較快的速率，隨之甲烷的解吸速率與超聲波激勵時間呈負相關的關系，最后解吸速率接近于0；超聲波作用下煤體中甲烷的解吸量增加了20%～65.6%，且甲烷的解吸量與超聲波聲強、功率呈正相關的關系。鮮曉東等[20]自主研制了一套超聲波激勵系統，研究了超聲波作用下甲烷的吸附／解吸與滲流特性。研究成果表明，在2 MPa氣壓和超聲波作用下甲烷的解吸量提高了24%；且超聲波作用下煤層中甲烷的滲透率有所增加。肖曉春等[21]自主研發了一套超聲波激勵設備，研究了超聲波作用下解吸與滲流特性。揭示了超聲振動產生的機械及熱效應導致有效應力的逐漸增加是超聲增滲的機制，明確了超聲場強度影響下煤質點的動能及位能增大導致煤表面甚至基質內部吸附的甲烷更容易脫附變成游離態為超聲振動煤層甲烷氣促解的主要原因。研究結果顯示，超聲波作用下煤體中甲烷的解吸量與滲透率得到了明顯增加；有無超聲波作用煤巖氣測滲透率與入口氣體壓力呈負相關的關系，且超聲波作用時氣測滲透率的增長速率與入口氣體壓力也呈負相關的關系。ZHANG 等[22]以四川盆地4 個頁巖試樣為研究對象，研究超聲波作用下頁巖氣吸附、解吸和滲流特征，明確了超聲振動產生的械振動效應和熱效應導致頁巖氣分子的振動增強是頁巖氣解吸及滲透率增加的主要原因。得出了超聲振動對頁巖氣解吸有積極效應，且頁巖氣的滲透率隨超聲功率的增加而增大。李樹剛[23-24]，ZHANG[25]利用超聲波致裂增透試驗系統、聲發射系統和煤巖心滲透率測試儀等裝置，揭示了超聲波致裂作用下原生裂紋擴展和新裂隙發育連通、煤體變形破壞、復雜滲流網絡通道形成為提高煤層滲透率的機理。林海飛等[26-27]利用脈沖超聲波激勵試驗系統與全自動壓汞儀，揭示了脈沖超聲激勵下原生孔隙擴展、孔隙之間相互貫通是增加煤體滲透性的機制。YANG 等[28]采用超聲波激勵設備研究了不同超聲波功率下煤體的破壞特征及能量演化規律。試驗結果表明，超聲波激勵作用下煤體強度和儲能能力均有所降低，可以有效提高煤層的滲透率。

此外，學者在超聲振動激勵條件下煤巖裂隙發育及擴展、內部孔隙孔徑和數量的演化等方面取得了大量有益進展。于國卿等[29]借助核磁共振和超聲波波速檢測裝置研究了不同功率條件下煤體內部孔隙孔徑、數量和滲透率的變化特征。不同功率超聲波作用時產生的微孔、中孔、大孔的數目有差異，在超聲振動致裂煤體時微孔隙和中孔隙逐步連通形成大孔或裂隙，煤體的總體孔隙率和有效孔隙率均會明顯增加，煤體滲透率增大。SHI 等[30]采用模擬系統研究了超聲振動激勵下煤樣無圍壓裂紋擴展過程，揭示了超聲振動產生的機械振動和空化效應帶來的周期性拉應力與壓應力誘發煤體裂紋萌生與擴展的機理。指出裂紋在層理面上產生，并將煤破碎為不平整的兩部分，且在后一階段裂紋擴展主要發生在絲質或沿煤層層理方向接口。TANG 等[31]為了提高煤層氣的采收率與采出量，借助核磁共振、熱成像、數碼相機與巖石中縱波速度測量系統，分析了超聲振動作用下煤體中孔隙數量、孔徑的變化規律、煤巖裂縫的發育特征，明確了超聲振動產生的空化效應帶來的分散微射流破壞煤體孔壁從而促進煤體裂隙發育的機制。試驗結果表明，超聲振動致裂煤體后其裂隙與孔隙數增多、孔隙直徑增大。超聲振動激勵煤樣200 s 后，煤樣孔隙率增加了111.8%，而增長速率基本不變。ZHAI 等[32]利用核磁共振與紅外熱成像技術，分析了不同含水率煤體在超聲振動作用下的煤體破碎、壓裂和熱效應，揭示了超聲振動產生的空化和熱效應加速煤體內部水分的汽化進而促進孔隙和溢流發展的機理。得出含水率對煤體超聲破碎有顯著影響，含水率為8%時煤體孔隙數量顯著增加。SHI 等[33]利用N2與CO2吸附方法，分析了煤體在20、50 kHz 頻率的超聲振動作用下煙煤與無煙煤的孔隙變化特征，明確了超聲機械振動效應促進煤體內部孔隙與裂紋形成的機制。得出在超聲振動處理過程中，煙煤的孔隙明顯增加，而無煙煤的孔隙除了大孔隙外變化不大，且50 kHz 頻率的超聲振動作用下煤體孔隙發育更顯著。

近些年超聲振動煤層氣促解増滲在現場進行了少許應用，取得了較好的增產效果。崔悅震[34]在中梁山礦務局南礦–20 m 水平K2煤層進行了超聲促滲的現場試驗，數據表明超聲場作用下抽采鉆孔瓦斯流量平均提高為0.026 m3/min，且抽采鉆孔離聲場震源越近效果越明顯，得到了聲波作用范圍為60 m 左右。宋超等[35]在雙龍煤礦201 運輸巷進行了超聲瓦斯抽采增效現場試驗。試驗結果顯示：超聲顯著作用范圍為5 m，瓦斯體積分數、瓦斯抽采純量分別提高40%～94.7%,139%～240%，且超聲激勵作用效果與超聲波作業孔距離呈負相關的關系，超聲波作用時間越長較遠距離鉆孔的影響效果越顯著。

功率超聲振動在煤層氣解吸增滲的研究大多集中在基礎研究階段，現場應用技術不成熟，功率超聲振動在不同頻率、振幅作用下煤體內部結構變化特征及煤體瓦斯吸附特性的研究不夠深入，增產機理不明確，井下配套防爆型大功率超聲波發生器和換能器的研制、管線設計等一系列技術難點有待研究。目前存在的上述關鍵技術難題，阻礙了超聲振動技術煤層氣增產的現場高效應用。

3 超聲振動硬巖高效破碎

3.1 超聲振動破巖機理

超聲振動硬巖破碎的機理主要表現為機械振動效應、熱效應的共同作用。具體的超聲振動破巖機理為：①其中機械振動效應主要體現在超聲振動與巖石的共振作用，進而導致巖石產生疲勞損傷與內部微裂隙發生亞臨界擴展；②熱效應主要表現在超聲振動對巖石產生熱損傷作用，導致巖石內部礦物顆粒不均勻、礦物相變、巖石物理力學特性劣化；③機械振動效應和熱效應的共同作用導致巖石內部微裂紋貫通形成宏觀裂紋與巖石中水和氣體的逸出進而產生的熱應力裂紋，從而使得巖石試樣發生破壞。超聲振動破巖的機理如圖5 所示。

圖5 超聲振動破巖機理Fig.5 Mechanism of rock breaking by ultrasonic vibration

3.2 超聲振動設備破巖裝置

國內外學者近些年同樣對超聲振動破巖進行了深入的研究，且研發了一系列相關的超聲振動破巖實驗裝置。該超聲振動實驗裝置主要由M.Wiercigroch 研發的超聲波旋轉鉆進裝置、東北石油大學“高效鉆井破巖技術”研究室自主研發的“巖石振動激勵模擬測試系統”、趙大軍研制的超聲波振動試驗系統、筆者研發的超聲振動激勵破巖實驗平臺構成。

超聲振動破巖設備主要由超聲波發生器、超聲波換能器、超聲波變幅桿、激勵器等構成。該超聲振動破巖設備的工作步驟為：超聲波發生器將工頻交流電轉化為高頻電信號，經壓電陶瓷式超聲波換能器處理轉化為機械能，變幅桿將機械振動增大，通過激勵器作用在巖石試樣上，從而導致巖石破壞。超聲振動設備破巖的流程如圖6 所示。

圖6 超聲振動設備破巖流程Fig.6 Rock breaking process of ultrasonic vibration equipment

3.3 超聲振動破巖進展

隨著堅硬巖層條件施工的不斷增多，傳統鉆進方法鉆進強度小、成孔速度慢效率低、機具及材料損耗大等問題突出，難以滿足硬巖鉆進要求。研究表明，巖石強度及其可鉆性在振動作用下均會降低，巖石會發生疲勞破壞，有利于破巖效率的提高[36]。

20 世紀50、60 年代，前蘇聯A.П.賓斯克爾、Д.E.達嘎姆里克等學者對超聲振動礦山巖石破碎及鉆孔等進行了可行性分析[37]，認為超聲振動對巖石的振動作用及空化作用是破碎巖石的理論基礎，并強調加大超聲振動發生器的功率等是研究的重點方向。WIERCIGROCH M 等[38]利用自行搭建的試驗平臺進行超聲振動硬巖鉆進試驗，揭示了超聲振動產生的高頻振幅為材料去除率增加的主要機制，發現超聲振動高頻沖擊鉆進速度明顯高于傳統的旋轉式鉆進速度。

石油鉆井過程中會常常遇到堅硬巖層難鉆探的問題，國內學者采用超聲振動技術對其進行了高頻鉆進研究。閆鐵團隊[39-40]建立高頻諧波振動沖擊破巖模型，揭示了超聲振動產生的機械效應帶來的機械鉆速大與巖石產生的共振作用是高效破碎巖石的機理。并結合高頻諧波振動沖擊破巖試驗，指出簡諧振動下鉆速比常規條件下提高13.2%，機械鉆速與振動沖擊激勵頻率呈正相關的關系，巖石的剛度、阻尼、臨界力與鉆速成反比。振動激勵頻率與巖石固有頻率越接近，機械鉆速越大；田家林等[41]通過建立高頻微幅沖擊振動模型，明確了超聲的機械振動效應在鉆頭上產生的受迫振動和作用導致巖石破碎的機制。指出當沖擊頻率增大時，巖石破碎速率與深度增加，且高沖擊頻率、低幅值能夠增加破巖體積、減小破巖功比、增加巖石裂紋長度等。趙大軍團隊從地質鉆井角度對超聲振動促進巖石破碎進行了系統研究[42–49]，重點圍繞超聲振動破巖的影響因素(如附加壓力、激勵時間等)及溫度對不同巖性巖石的損傷、裂隙擴展及破碎效果開展了大量的研究工作，發現巖石的破碎效果與附加壓力、激勵時間、巖石溫度呈正相關的關系，揭示了超聲波激勵產生的熱損傷與巖石微裂紋的亞臨界擴展的共同作用導致巖石破碎的機理。

礦山開采過程中也經常遇到堅硬巖層難掘進的現象，傳統的鉆爆法存在材料消耗大、破巖效率低等問題，近年來筆者采用超聲振動技術對其進行了較深入的共振破碎研究。研究成果主要集中在以下幾個方面：

1）超聲振動激勵破巖試驗平臺。筆者自主研發了一套利用超聲振動激勵破碎巖石的試驗裝置，該實驗系統主要由試驗平臺與供壓裝置組成[50]。其中超聲波發生器、變幅桿、換能器、激勵器、壓力缸、底座等構成了試驗平臺，壓力伺服裝置組成了供壓裝置。該設備的超聲波頻率、功率、振幅、最大靜載分別為20 kHz，1 500 W，70 μm，1 MPa。試驗裝置如圖7 所示。

圖7 超聲振動激勵破巖試驗裝置示意Fig.7 Schematic of rock breaking experimental device excited by ultrasonic vibration

超聲振動參數對巖石破碎影響的反饋：該超聲振動試驗設備能夠研究不同超聲功率、靜載力、面積、時間等參數對巖石的破碎效果，試驗結束后可以通過游標卡尺、3D–XRM 及SEM、核磁共振的方法分別測量不同超聲振動參數試驗中試樣裂隙的發育長度、裂紋擴展特征、孔隙率和孔隙含量，從而反映不同超聲振動參數對巖石破碎的影響情況。

2）明確了影響超聲振動破巖的關鍵因素為超聲振動頻率、功率、振幅、時間、作用面積與加載壓力，僅超聲振動頻率存在一個最佳臨界值，其余影響因素數值越大巖石的破碎效果越好[51–57]；未受超聲振動激勵紅砂巖的力學參數見表3，超聲振動激勵后試樣的破壞特征如圖8 所示，即試樣上部、前部、右部的裂隙分別多于下部、后部、左部。

表3 紅砂巖物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters of red sandstone

圖8 巖石裂隙發育特征[57]Fig.8 Development characteristics of rock fissures[57]

3）獲得了超聲振動激勵下不同巖性、圍壓、形狀尺寸條件時巖石的破碎特性[58]，揭示了超聲振動激勵下紅砂巖的力學特性與孔隙演化特征[59]。①超聲振動激勵下紅砂巖、花崗巖、大理巖與灰巖的微觀裂隙分別主要為“張拉型、壓縮型和剪切型裂隙”“張拉型和壓縮型裂隙”“張拉型和剪切型裂隙”；②隨著圍壓、尺寸增大，超聲振動激勵下巖石試樣的內部損傷量越小，破碎效果越差。③明確了微孔結構的改變是巖石孔隙率變化的內在原因，獲得了巖樣內部的裂隙由最初的微裂隙少、分散轉化為大孔隙、孔隙連通性增強的特征。巖樣孔隙率和孔隙含量變化特征如圖9 所示，圖中S1、S2、S3代表3 組紅砂巖試樣?？讖椒诸悈⒄語HANG Pengfei[60]，即微孔(r≤0.1 μm)，中孔(0.1 μm＜r＜1 μm)和大孔(r≥1 μm)。

圖9 超聲振動激勵下3 組紅砂巖樣孔隙率和孔隙含量變化特征[59]Fig.9 Variation characteristics of porosity and pore content of three groups of red sandstone samples under ultrasonic vibration excitation[59]

功率超聲振動破碎巖石目前僅為室內試驗研究，室內功率超聲振動設備無法對頻率、振幅、圍壓等參數進行調節，不能系統研究相關參數對巖石破碎特性的影響，試驗過程中無法動態監測巖石試樣的應力、應變特征，無法實現不同溫度、濕度、應力等復雜井下環境超聲振動試驗。井下功率超聲振動設備自身的行走裝置特點與液壓鑿巖機、鑿巖臺車、綜掘機組合形式及產生的機械、噪音、發熱等復雜技術難題有待研究。上述相關技術問題的存在，無法對超聲振動現場應用提供理論及數據支持，阻礙了超聲振動技術復雜井下環境高效破巖的現場應用。

4 超聲振動致裂煤巖體發展趨勢

超聲振動在致裂煤巖體方面有了一定的研究進展，但仍然面臨著研究成果不系統、井下超聲振動系統管線設計不明確、室內超聲振動試驗無法滿足井下復雜環境、超聲振動設備現場應用抗干擾技術不成熟等難題，該難題的存在較大程度阻礙了超聲振動技術的現場高效應用。鑒于筆者對超聲振動致裂煤巖體基礎研究系統的梳理、石油領域超聲振動系統成熟的管線設計、力學多場耦合試驗設備的批量生產、其他井下設備移動裝置及穩定性工作的可靠技術，超聲振動技術可以借鑒以上技術克服目前存在的關鍵阻礙性技術難題，從而實現超聲振動在致裂煤巖體現場中的高效應用。針對超聲振動技術目前存在的技術難題，筆者認為未來超聲波技術應在超聲波發生器和換能器優化、超聲振動煤層氣促解増滲內在機理及管線設計、室內多場耦合及應力應變動態監測設備研制、井下具備抗干擾能力的超聲振動設備研發等方面進行深入的研究。

1）結合礦山圍巖特性和工作空間特點，加強小體積、大功率、高效能、系列化防爆型超聲波發生器和換能器的研發，提高換能器及配套設備的適應性與可靠性，是進一步提升超聲波應用技術水平和范圍的基礎和關鍵。

2）深入研究功率超聲振動頻率、振幅、聲強與不同變質煤體內部結構變化特征及煤體瓦斯吸附特性的關系，揭示在圍壓狀態下功率超聲振動作用對煤層氣解吸增滲的內在機理。同時提出井下功率超聲振動開采煤層氣管線及框架的研究方向，并進一步推動研發及現場應用。

3）進一步研發具備頻率、振幅、圍壓調節功能且能夠動態監測試驗過程中巖石試樣應力應變特征及

“溫度–濕度–應力”多場耦合的功率超聲振動激勵設備，并開展相關的功率超聲振動激勵研究，明確多場耦合條件下不同超聲振動參數對巖石的破碎效果，為功率超聲振動技術井下高效破碎硬巖提供理論與數據支持。

4）基于多場耦合的超聲振動研究成果、井下其他設備的系統及尺寸特征，著手研發適應井下復雜環境的功率超聲振動設備，掌握超聲振動設備自身的行走裝置特點或與液壓鑿巖機、鑿巖臺車、綜掘機等設備組合形式，為功率超聲振動設備克服井下其他設備對其移動及穩定性的干擾影響提供發展方向與技術指導，保障功率超聲振動設備井下安全高效應用。