Исследование эволюции энергии и конститутивной модели повреждения угля, разрушенного двухчастотным ультразвуковым раскалыванием

Разрушение угля звуком

Подземные угольные пласты часто содержат большие объёмы газа, но порода настолько плотна, что газ почти не перемещается. Инженерам нужны методы, которые позволили бы безопасно и эффективно раскрывать породу — как для предотвращения взрывов в шахтах, так и для добычи метана угольных пластов как более чистого источника энергии. В этом исследовании рассматривается новый вариант старой идеи: использование мощных звуковых волн на двух разных частотах одновременно, чтобы предварительно рассечь уголь, сделать его более уязвимым и позволить газу выходить при значительно меньших затратах энергии.

Почему углю нужна «помощь, чтобы дышать»

Во многих китайских угольных бассейнах и в других местах пласты имеют низкую проницаемость, то есть газ заперт в микропорах и не может течь к скважинам или дренажным отверстиям. Традиционные методы, такие как гидроразрыв под высоким давлением, могут работать, но они дорогостоящи, требуют большого количества воды и не всегда эффективны в глубоких напряжённых породах. Ультразвуковое раскалывание предлагает более чистую альтернативу: звуковые волны создают внутри угля мелкие кавитации, вибрации и нагрев, которые могут перерасти в микротрещины. Однако применение только одного тона ультразвука имеет недостатки: его энергия быстро затухает с расстоянием и затрагивает ограниченный объём породы. Авторы поставили задачу выяснить, может ли сочетание двух ультразвуковых частот более эффективно «раскачать» уголь, чем одиночный тон.

Как двухтональный звук расшатывает уголь

Для проверки команда изготовила однородные цилиндрические брикеты из угольного порошка и разделила их на несколько групп. Некоторые образцы не подвергались воздействию звука, некоторые обрабатывали одним ультразвуковым диапазоном, а другие — одновременно двумя частотами в водной ванне: одна фиксировалась на 20 кГц, а вторая варьировалась. После обработки каждый образец медленно сжимали в пресс-станке до разрушения, при этом сенсоры регистрировали деформацию и слабые акустические «щёлчки», сигнализирующие о внутренних трещинах. Исследователи затем фотографировали разрушенные поверхности и с помощью программ обработки изображений измеряли суммарную длину трещин и сложность их сетей. Это позволило сравнить, как разные комбинации звуков влияют как на внутреннюю структуру, так и на общую прочность угля.

От прямых трещин к паутине разломов

Двухчастотная обработка оказалась значительно более разрушительной, чем отсутствие звука или одиночный тон. При одночастотном ультразвуке уголь, как правило, формировал несколько простых, в основном прямых трещин. При сочетании двух частот, особенно когда вторая частота была в 1,5–2 раза выше первой, рисунок трещин превращался в плотные разветвлённые сети, пронизывающие образец в разных направлениях. В одном из наиболее выраженных случаев суммарная видимая длина трещин увеличивалась примерно на четверть по сравнению с необработанным углём, а сложность рисунка — измеренная с помощью фрактального показателя — неуклонно росла с увеличением разрыва частот. Эти сложные сети действуют как предварительно выполненная решётка в материале, так что при нагрузке уголь имеет множество готовых путей для разрушения.

Делая уголь хрупким при меньших энергозатратах

Механические испытания подтвердили мощность такого предварительного разрушения. По мере удаления частот друг от друга прочность на сжатие резко падала — вплоть до примерно 87 процентов в наиболее экстремальном случае. Одновременно энергия, поглощённая до разрушения, снижалась более чем на 80 процентов. Тем не менее в момент пикового напряжения большая часть введённой энергии всё ещё хранилась упруго, что означает, что уголь вел себя как пружина, внезапно лопающаяся. Авторы описывают это как эффект «предварительного рассеяния энергии»: большая часть внутреннего повреждения уже создана ультразвуком, поэтому внешнему прессу требуется лишь небольшая дополнительная нагрузка, чтобы инициировать резкое хрупкое разрушение. Данные акустической эмиссии подтверждали это: предварительно обработанные образцы давали гораздо больше внутренних акустических событий, хотя разрушались при меньших напряжениях.

Поиск оптимума и прогнозирование поведения

Интересно, что больше звука не всегда равняется большей эффективности. Определив меру того, сколько дополнительного повреждения создаётся на единицу изменения отношения частот, исследователи обнаружили, что эффективность связи достигает пика, когда высшая частота составляет примерно 1,5–2 раза больше нижней. Свыше этого повреждение продолжает расти, но каждый следующий шаг по частоте даёт всё меньший выигрыш. Чтобы сделать результаты пригодными для проектирования, команда создала математическую модель, связывающую эволюцию повреждения в угле с измеренной сложностью трещин и накопленными сигналами акустической эмиссии. Эта модель, основанная на статистической теории повреждения, предсказывала поведение «напряжение—деформация» с погрешностью около 6 процентов относительно лабораторных измерений для разных пар частот.

Что это означает для более безопасного и чистого использования угля

Проще говоря, исследование показывает, что тщательно настроенный двухчастотный ультразвук может заранее «смягчить» уголь, вырезая тонкую сеть трещин, которая делает породу гораздо проще для разрушения и облегчает отвод газа. При оптимальном соотношении между двумя тонами инженеры могли бы снизить давления и энергозатраты на подземную стимуляцию, улучшая добычу метана при одновременном повышении безопасности шахт. Новая модель повреждения также предлагает практический инструмент для прогнозирования реакции угля при разных ультразвуковых параметрах, помогая приблизить этот перспективный метод к реальному применению.

Цитирование: 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

Ключевые слова: метан угольного пласта, ультразвуковое разрушение, двухчастотный ультразвук, механика повреждения горных пород, эволюция энергии