دراسة تطور الطاقة والنموذج البُنيوي للضرر للفحم المخروم بالموجات فوق الصوتية ثنائية التردد

تحطيم الفحم بالصوت

تحتوي طبقات الفحم العميقة في باطن الأرض غالبًا على كميات كبيرة من الغاز، لكن الصخور ضيقة جدًا لدرجة أن الغاز بالكاد يتحرك. يحتاج المهندسون إلى طرق لفتح تلك الصخور بأمان وكفاءة، سواء لمنع الانفجارات في المناجم أو لاستغلال غاز الميثان المحبوس في الفحم كمصدر طاقة أنظف. تستكشف هذه الدراسة لمسة جديدة على فكرة قديمة: استخدام موجات صوتية قوية، بترددين مختلفين في آن واحد، لتهيئة تشققات في الفحم بحيث يفشل بسهولة أكبر ويسمح للغاز بالخروج بجهد أقل بكثير.

لماذا يحتاج الفحم إلى مساعدة للتنفّس

في كثير من حقول الفحم الصينية وخارجها، تتمتع طبقات الفحم بنفاذية منخفضة، ما يعني أن الغاز محبوس في مسامات دقيقة ولا يمكنه التدفق إلى الآبار أو فتحات التصريف. الطرق التقليدية مثل التكسير بالماء عالي الضغط قد تنجح لكنها مكلفة وتستهلك الكثير من الماء وليست فعالة دائمًا في الصخور العميقة تحت إجهاد. يوفر التكسير بالموجات فوق الصوتية خيارًا أنظف: فالموجات الصوتية تولد فقاعات دقيقة ورجًّا وتسخينًا داخل الفحم، ما يمكن أن يتطور إلى شقوق صغيرة. ومع ذلك، فإن استخدام نغمة فوق صوتية واحدة له عيوب؛ إذ يتلاشى طاقتها بسرعة مع المسافة وتؤثر على حجم محدود من الصخور. سعى الباحثون لمعرفة ما إذا كان دمج ترددين فوق صوتيين يمكن أن يهز الفحم بفعالية أكبر من أي نغمة مفردة.

كيف يهز الصوت ثنائي النغمة الفحم ويفصله

لاختبار ذلك، صنع الفريق أسطوانات متجانسة من فحم مطحون مضغوط وقسّمها إلى عدة مجموعات. لم تتعرض بعض العينات لأي صوت، فيما عولجت عينات أخرى بتردد فوق صوتي واحد، وتعرضت مجموعات أخرى لترددين في آن واحد داخل حوض ماء، أحدهما ثابت عند 20 كيلوهرتز والآخر متغير. بعد المعالجة، ضُغطت كل عينة ببطء في مكبس حتى فشلت، بينما سجّلت أجهزة الاستشعار تشوّهها والطرقات الصوتية الدقيقة التي تُشير إلى التصدّع الداخلي. ثم صوّر الباحثون أسطح القطع واستخدموا برمجيات معالجة صور لقياس طول الشق الإجمالي وتعقيد شبكات الشقوق. أتاح ذلك مقارنة كيف غيّرت تراكيبات الصوت المختلفة البنية الداخلية والقوة الإجمالية للفحم.

من شقوق مستقيمة إلى شبكات كسور

اتضح أن المعالجة ثنائية التردد كانت أكثر تدميرًا بكثير من عدم التعرض لأي صوت أو من النغمة الواحدة. تحت تأثير الموجات فوق الصوتية أحادية التردد، شكّل الفحم عادة عددًا قليلاً من الشقوق البسيطة والمستقيمة إلى حد كبير. عند دمج ترددين، وخصوصًا حين كان التردد الثاني أعلى بنحو 1.5 إلى 2 مرة من الأول، تحولت أنماط الشقوق إلى شبكات متفرعة وكثيفة تشق العينة في اتجاهات متعددة. في إحدى أقوى الحالات، نما الطول الكلي للشقوق المرئية بحوالي رُبع مقارنة بالفحم غير المعالج، وارتفع تعقيد النمط—الذي قيس باستخدام مؤشر كسري—بشكل مستمر مع اتساع الفجوة الترددية. تعمل هذه الشبكات المعقدة مثل مشبك جاهز في المادة، بحيث يكون لدى الفحم عند بداية التحميل العديد من المسارات الجاهزة للفشل.

جعل الفحم هشًا بجهد أقل

أكدت الاختبارات الميكانيكية مدى فاعلية هذا التهيؤ للتصدّع. كلما تم ضبط الترددين لتباعد أكبر، انهارت مقاومة الفحم للانضغاط بشكل حاد، حتى نحو 87 بالمئة في أقصى الحالات. وفي الوقت نفسه، انخفضت الطاقة الممتصة قبل الفشل بأكثر من 80 بالمئة. ومع ذلك، عند لحظة الإجهاد الأقصى، كان معظم الطاقة الداخلة لا يزال مخزنًا بشكل مرن، مما يعني أن الفحم تصرف كزنبرك ينكسر فجأة. يصف المؤلفون هذا بأنه أثر «تبديد طاقة مسبق»: جزء كبير من الضرر الداخلي قد حدث بالفعل بفعل الموجات فوق الصوتية، لذا يحتاج المكبس الخارجي فقط إلى دفعة صغيرة إضافية لإحداث انهيار هش حاد. دعمت بيانات الانبعاثات الصوتية ذلك، إذ أظهرت أن العينات المعالجة مسبقًا أنتجت عددًا أكبر بكثير من أحداث التشقق الداخلي رغم فشلها عند إجهاد أقل.

إيجاد نقطة التوازن والتنبؤ بالسلوك

من المثير للاهتمام أن المزيد من الصوت ليس دائمًا أفضل من حيث الكفاءة. عبر تعريف مقياس لمقدار التلف الإضافي المنتج لكل تغير وحدي في نسبة الترددات، وجد الباحثون أن كفاءة الاقتران تبلغ ذروتها عندما يكون التردد الأعلى نحو 1.5 إلى 2 مرة من الأدنى. بعد ذلك، يستمر التلف في الازدياد، لكن كل خطوة إضافية في التردد تحقق مكاسب أصغر. لجعل النتائج مفيدة في التصميم، بنى الفريق نموذجًا رياضيًا يربط التطور في تلف الفحم لكل من تعقيد الشقوق المقاس وإجمالي إشارات الانبعاث الصوتي التراكمي. تنبأ هذا النموذج، المستند إلى نظرية التلف الإحصائي، بمنحنى الإجهاد–الانفعال بدقة تقارب 6 بالمئة مقارنة بقياسات المختبر عبر أزواج ترددية مختلفة.

ماذا يعني هذا لاستخدام الفحم بشكل أكثر أمانًا ونظافة

بعبارات مبسطة، تُظهر الدراسة أن الموجات فوق الصوتية ثنائية التردد المضبوطة بعناية يمكن أن «تطرّي» الفحم مسبقًا، منقوشة شبكة شقوق دقيقة تجعل الصخور أسهل بكثير في التفتيت ويسهل تصريف غازها. مع نسبة مثلى بين النغمات الصوتية، يمكن للمهندسين خفض الضغوط والطاقة المطلوبة للتحفيز تحت الأرض، مما يحسن استرداد الميثان ويعزز سلامة المناجم. كما يقدم نموذج التلف الجديد أداة عملية لتوقع كيفية استجابة الفحم تحت إعدادات فوق صوتية مختلفة، ما يساعد على تقريب هذه التقنية الواعدة من التطبيق العملي.

الاستشهاد: Bao, R., Zhang, Y. & Cheng, R. Study on energy evolution and damage constitutive model of coal fractured by dual-frequency ultrasonic cracking. Sci Rep 16, 9128 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38893-x

الكلمات المفتاحية: الميثان في أحزمة الفحم, تكسير بالموجات فوق الصوتية, الموجات فوق الصوتية ثنائية التردد, ميكانيكا تلف الصخور, تطور الطاقة