水分侵蚀条件下煤岩自振频率变化规律研究_张苏.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 动力灾害发生的实质是煤岩体原有应力平衡状 态被打破导致，而煤体强度是抵抗灾害启动、发展 的重要因素，是评价煤层突出危险性的主要指标之 一。振动损伤煤体已成为煤岩动力灾害重要的诱发 及加剧因素，尤其是采掘扰动引发煤体共振损伤诱 导灾害不容忽视[1-2]。 体系的自振频率 ω 与干扰力的 频率 θ 接近 （0.75≤θ/ω≤1.25 区段）是产生共振的 条件。采掘扰动产生的地震波能量集中于 15～125 Hz 频段 （占 85以上） [3]， 而煤体自振频率也分布在 该频段[4-5]， 避免或减弱煤体共振损伤是预防煤岩动 力灾害的关键。研究表明，可通过调整激振频率及 加速度减弱共振损伤效应[4-6]， 而该工作可通过选择 合理的采掘方式及参数设置，调整振动扰动波的加 速度及主频分布进行共振调控，避免共振效应放大 煤体损伤而诱发突出。准确掌握煤体自振频率是确 定共振调控转移目标、保证防突效果的关键。岩石 自振频率主要与其质量、 刚度、 阻尼等有关， 岩石自 振频率的变化是其内部结构参数变化的外在表现， 利用岩体自振频率的变化评价边坡稳定性已得到成 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.002 水分侵蚀条件下煤岩自振频率变化规律研究 张苏， 王金贵 （福州大学 环境与资源学院， 福建 福州 350116） 摘要 自主搭建煤体自振频率测试系统， 利用敲击法测试原煤试件干燥前后的加速度响应特 征， 通过其频谱特征分析水分对原煤自振频率的影响规律。研究发现 随着含水量的增加， 煤岩 刚度下降， 质量增加， 阻尼比增加， 自振频率有明显下降的趋势 （从 40.1 Hz 下降至 37.7 Hz） ； 原 煤试件干燥前的主振频域为 29.9～45.4 Hz， 干燥后的主振频域为 31.6～49 Hz； 原煤试件干燥前的 主振频域上、下限值与自振频率的绝对偏差比例分别为 20.8和 20.4，干燥后的比例分别为 21.1和 22.1， 均满足产生共振效应的频域条件。应关注水分对现场煤岩体自振频率的影响， 以保证共振调控措施的效果。 关键词 水分； 侵蚀； 煤岩； 自振频率； 共振； 煤岩动力灾害 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0006-04 Study on Variation Law of Natural Vibration Frequency of Coal Under Water Erosion Condition ZHANG Su, WANG Jingui （College of Environment and Resources, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China） Abstract By establishing a self-vibration frequency test system, the resonance response was used to test the acceleration response characteristics of raw coal specimens before and after drying. Then the influence of moisture on the natural vibration frequency of raw coal was analyzed by its spectral characteristics. The study found that with the increase of water content, the stiffness of coal rock decreased, the mass increased, the damping ratio increased, and the natural vibration frequency decreased significantly from 40.1 Hz to 37.7 Hz. The main vibration frequency domain of the raw coal specimen before drying was 29.9 Hz to 45.4 Hz, and the main vibration frequency domain after drying was 31.6 Hz to 49 Hz. The absolute deviation ratios of the upper and lower limits of the main vibration frequency domain and the natural vibration frequency before the drying of the original coal specimens were 20.8 and 20.4, respectively, and the ratios after drying were 21.1 and 22.1, respectively, which satisfied the frequency domain conditions for generating resonance effects. We should pay attention to the influence of moisture on the natural vibration frequency of the on-site coal and rock mass to ensure the effect of resonance control measures. The obtained results contribute to improve the resonance and prevention mechanisms of coal and gas outburst. Key words moisture； erosion； coal rock； natural vibration frequency； resonance； coal and rock dynamic disasters 基金项目 福建省教育厅科研资助项目 （JAT170057） ； 国家自然科 学基金资助项目 （51704079， 51604083） ； 福州大学贵重仪器设备开 放测试基金资助项目 （2019T007） 6 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 1煤岩自振频率测试系统图 表 1煤样测试结果 功应用[7-9]。但煤因具有大量孔隙、 裂隙而具有特殊 性，且煤分子结构中含氧官能团丰富，表现出较强 的亲水性[10]， 水分侵蚀作用对煤体的刚度、 阻尼有较 大影响。煤体吸附水分后其表面能降低，出现“变 软” 及刚度变弱现象， 导致煤体阻尼比增大， 另外裂 隙中游离水在煤体自振过程中的“气垫”作用也对 前述频率有较大影响。煤体自振频率将随水分侵蚀 解吸而缓慢变化，即水分对煤体自振频率的“蚀蠕 作用” ，因此对煤体自振频率的研究不可忽视水分 的影响。梳理发现， 以往的研究主要集中于边坡、 岩 石或干燥煤的自振频率及其影响因素[4-5,11-12]， 未针 对性地开展水分对煤自振频率影响规律的研究。综 上，有必要开展含水分煤岩自振频率特征的研究， 自 振频率与试件质量有关， 受试件尺寸影响， 因此侧重 水分对煤体自振频率的影响规律研究。研究成果对 于完善煤岩动力灾害的共振诱发机制具有重要意 义， 为共振调控避免诱发煤岩动力灾害提供依据。 1实验系统 1.1试件制作 测试煤样来自山西大同塔山矿， 为了避免切割、 打磨等过程对煤块的损伤，实验对采自井下的初始 煤样进行测试，试件尺寸约为 7 cm10 cm10 cm， 质量为 0.832 kg。煤样测试结果见表 1。 1.3371.564.530.60 含氮量 / 含碳量 / 含氢量 / 含硫量 / 9.38 含氧量 / 元素分析 空气干燥煤水分 Mad/ 空气干燥煤灰分 Aad/ 空气干燥煤挥发分 Vad/ 干燥无灰基挥发分 Vdaf/ 0.9256.0518.6943.44 工业分析 1.2煤岩自振频率测试系统 测定固体试件自振频率的方法主要有强迫振动 法和自由振动法[13]。采用自由振动法中的敲击法测 定试件自振频率，即利用脉冲锤快速敲击试件， 使 试件受到一个频率谱连续的冲击脉冲，试件将以其 自身固有的低阶自振频率做自由振动。 实验通过测试试件的加速度响应来换算其自振 频率，所用加速度传感器为江苏联能电子技术有限 公司研发的 CA-YD-3193 型拾振器， 尺寸为 12 mm 12 mm12 mm， 灵敏度可达 10 mV/g， 最大加速度量 程为 500g， 频率响应 1～5 kHz。 利用江苏联能电子技 术有限公司 YE3826A 型信号调理器 （恒流源） ； 数据 采集系统为福建利利普光电有限公司的 DS4074 示 波器， 该仪器 AD 精度为 8 位， 最大采样频率为 70 MHz。煤岩自振频率测试系统图如图 1， 使用软海绵 支撑试件，利用力锤快速敲击试件侧面中心点， 使 试件产生振动，加速度信号被黏贴于侧面的加速度 传感器获取， 利用示波器对其进行采集。 2实验结果与分析 2.1煤岩体初始自振频率的测定 为了测试水分对煤岩自振频率的影响，分别测 试了常态和干燥 2 种状态下的煤岩试件自振频率， 常态试件为未经任何处理的原始煤岩，利用真空干 燥箱 （上海慧泰仪器制造有限公司 DZF-6020 型） 在 50 ℃干燥试件 24 h， 常态试件质量 832 g， 经干燥后 质量为 825 g。信号采样频率设置为 2 500 Hz， 加速 度传感器采集的信号经快速傅里叶变换 FFT 后可 得其频谱曲线，从中可辨识出的信号主频即为试件 自振频率。每种状态下煤样分别进行了 10 次测试， 限于篇幅， 仅列举噪声、 干燥前后信号及频谱曲线， 振动响应及其频谱图如图 2。图 2 （a） 为随机截取的 一段噪声信号，分析发现噪声具有连续分布的频谱 特征 （图 2 （b） ） ， 无明显主振峰值。频谱图中的峰值 频率即为原煤试件的自振频率， 从图 2 可知， 干燥前 后自振频率分别为 40.1、 37.6 Hz。20 组煤岩自振频 率测试结果见表 2。 2.2水分侵蚀下煤岩自振频率的变化特征 从表 2 可知， 原煤试件干燥前的自振频率在 38 Hz 上下， 平均值为 37.7 Hz； 经过 50 ℃真空环境下 干燥 24 h 后，自振频率在 40 Hz 左右，平均值为 40.1 Hz，经过干燥后的原煤试件自振频率有明显 变大的趋势。进一步分析主振频域发现，干燥前试 件的主振频域平均值在 29.945.4 Hz 区间，频域 7 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 表 2煤岩自振频率测试结果 图 2振动响应及其频谱图 上、 下限值与峰值频率 （即自振频率）绝对偏差比 例分别为 20.8和 20.4；干燥后试件的主振频域 平均值在 31.649 Hz 区间， 频域上、 下限值与峰值 频率（即自振频率） 绝对偏差比例分别为 21.1和 22.1。总体而言， 干燥前后原煤试件振动响应的 主振频域上、下限均在自振频率的 21左右上下 波动。 2.3水分对煤岩体自振频率影响原理 当振动系统为有阻尼（欠阻尼）单自由度体系 时， 其自振频率 f 为[13] f ω01-ζ2■ 2π 1 2π k m■ 1-ζ2■（1 ） 式中 ω0为振动系统的固有角频率； ζ 为振动系 统的阻尼比； k 为振动系统的刚度； m 为振动系统的 质量。 从式 （1 ） 可知， 煤岩自振频率主要与其质量、 刚 度和阻尼等有关，而水分对煤体质量、刚度和阻尼 均有重要影响。煤体吸附水分后其表面能降低， 出 现 “变软” 即刚度变弱现象， 导致煤体阻尼比增大； 游离水的“气垫”作用也对煤体自振频率有较大影 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 均值 37.6 38.5 38.1 37.2 38.3 37.6 37.1 37.7 37.5 37.8 37.7 29.545.8 30.146.3 30.344.9 29.345.5 31.144.7 30.745.3 28.844.3 29.846.1 29.145.8 30.145.6 29.945.4 21.521.8 21.820.3 20.517.8 21.222.3 18.816.7 18.420.5 22.419.4 21.022.3 22.422.1 20.420.6 20.820.4 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 均值 40.1 40.3 39.6 39.3 41.3 40.6 39.7 39.9 40.9 39.4 40.1 31.249.3 30.649.7 32.148.2 32.348.1 31.549.5 30.849.6 31.848.9 32.548.8 31.349.2 32.248.3 31.649.0 22.222.9 24.123.3 18.921.7 17.822.4 23.719.9 24.122.2 19.923.2 18.522.3 23.520.3 18.322.6 21.122.1 测试编号测试编号自振频率/Hz主振频域/Hz频域比例/自振频率/Hz主振频域/Hz频域比例/ 注 110 为干燥前； 1120 为干燥后。 8 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 响； 试件吸附水分后其质量也将增加。综上， 随着含 水量的增加， 煤岩刚度 k 下降， 质量 m 增加， 阻尼系 数 ζ 增加； 根据上式煤岩自振频率将下降。 体系的自 振频率 ω 与干扰力的频率 θ 接近 （0.75≤θ/ω≤1.25 区段） 是产生共振的条件[3]， 干燥前后原煤试件的主 振频域的上、 下限均在自振频率的 21左右上下波 动， 位于产生共振的频域条件范围内。 3工程应用 振动损伤煤体已成为煤岩动力灾害重要的诱发 及加剧因素，体系的自振频率 ω 与干扰力的频率 θ 接近 （0.75≤θ/ω≤1.25 区段） 是产生共振的条件。采 掘扰动产生的地震波能量集中于 15125 Hz 频段 （占 85以上） [3]，经研究煤体自振频率也分布在该 频段，避免或减弱煤体共振损伤是预防煤岩动力灾 害的关键。研究表明，可通过调整激振频率及加速 度减弱共振损伤效应[4]， 而该工作可通过选择合理 的采掘方式及参数设置，调整振动扰动波的加速度 及主频分布进行共振调控，避免共振效应放大煤体 损伤而诱发突出。准确掌握煤体自振频率是确定共 振调控转移目标、保证防突效果的关键。经研究发 现， 水分对煤岩自振频率有明显的影响， 现场测试、 评估煤岩自振频率时，应关注煤岩含水情况对岩体 自振频率的影响， 以防前述共振调控措施失效。 4结论 1） 随着含水量的增加， 煤岩刚度下降， 质量增 加，阻尼比增加，自振频率有明显下降的趋势（从 40.1 Hz 下降至 37.7 Hz） 。 2 ） 原煤试件干燥前的主振频域为 29.945.4 Hz， 干燥后的主振频域为 31.649 Hz。 3 ） 原煤试件干燥前的主振频域上、 下限值与自 振频率的绝对偏差比例分别为 20.8和 20.4， 干 燥后的比例分别为 21.1和 22.1，均满足产生共 振效应的频域条件。 4） 应关注水分对现场煤岩体自振频率的影响， 以保证共振调控措施的效果，研究成果有利于完善 煤岩动力灾害振动诱发机理及调控机制。 5 ） 需要说明的是， 仅对比分析了含水分煤与干 燥煤的自振频率差异，后续仍需进一步研究水分含 量多寡对自振频率的影响规律，探究水分对煤体自 振频率影响的可逆性特征、水分赋存形式对煤体自 振频率的影响规律等，以完善动力灾害的共振诱发 机理。 参考文献 ［1］ 蔡成功， 王佑安．煤与瓦斯突出一般规律定性定量分 析研究 ［J］ ．中国安全科学学报， 2004， 14 （6） 109. ［2］ 张铁岗．矿井瓦斯综合治理技术 ［M］ ．北京 煤炭工业 出版社， 2003 110－130． ［3］ 谢雄刚， 冯涛， 杨军伟， 等．爆破地震效应激发煤与瓦 斯突出的监测分析 ［J］ ．煤炭学报， 2010， 35 （2） 255. ［4］ 高天宝．煤体受迫振动响应及破坏特征试验研究 ［D］ ． 北京 中国矿业大学 （北京） ， 2013． ［5］ 孙晓元．受载煤体振动破坏特征及致灾机理研究 ［D］ ． 北京 中国矿业大学 （北京） ， 2016． ［6］ 任伟杰， 潘一山， 宋绍楼．振动频率对煤体裂隙发育影 响的试验研究 ［J］ ．辽宁工程技术大学学报， 1998， 17 （6） 565． ［7］ 宋全杰， 李海波， 李俊如， 等．外部激励对类岩石材料 阻尼比的影响 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2013， 32 （增 2） 3258－3265． ［8］ 杜岩， 谢谟文， 蒋宇静， 等．基于自振频率的监测预警 指标确定方法 ［J］ ．岩土力学， 2015， 36 （8） 2284. ［9］ 刘建锋， 徐进， 李青松， 等．循环荷载下岩石阻尼参数 测试的试验研究 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2010， 29 （5） 1036－1041． ［10］ 贺永德．现代煤化工技术手册 ［M］ ．北京 化学工业出 版社， 2011 39－40． ［11］ 杨巨文， 白润才， 于永江， 等．含弱层岩质边坡自振周 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