由煤颗粒减振引起的弹性波频散和衰减的实验与数值研究

地下震动为何重要

当工程师勘探石油、天然气或建设隧道时，他们依赖地震波——通过地层传播的小幅振动——来揭示地下情况。但这些波并非原封不动地传播：当它们穿过不同岩石时会变慢并损失能量。本研究探讨了干燥煤岩，尤其是构成其骨架的细小颗粒，如何重塑这些波。通过将精确的实验测量与数值模拟相结合，作者展示了颗粒碰撞、摩擦以及颗粒尺寸组合如何控制地震波的速度和衰减，为改善地下成像和更安全的资源开采提供线索。

振动小样本以探究重大问题

研究者从中国两个煤系获取真实煤样：一种成熟致密的高阶煤，和一种较年轻疏松的低阶煤。他们将这些煤切成小圆柱体，并用两种3D打印材料制作匹配的圆柱体：一种类似橡胶的感光树脂和一种更硬的PLA塑料。所有样品都经过精心干燥、密封并装贴应变片，然后安装在一台定制的低频试验装置中，在约1到250赫兹的频率范围内进行柔性往复压缩——这与地震勘测使用的频段大致相同。通过比较样品的伸缩响应，研究团队能够计算出各样品中纵波（P波）的传播速度及其衰减强度。

显微下的煤是什么样子

煤的微观结构图像揭示了不同煤样为何对波的响应不同。高阶煤颗粒尺寸相近、紧密有序地堆积，主要留下很小且孤立的孔隙，这反映了长期的强烈压实和化学演化。相比之下，低阶煤显示出宽广的颗粒尺寸分布、松散堆积以及许多较大且连通的孔隙。这种无序排列使颗粒在波通过时更容易移动、碰撞和滑动，因而有更多途径从波中耗散能量。这些显微差异有助解释为何低阶煤在频率依赖的波速变化和衰减方面表现得更强烈。

逐颗粒模拟碰撞过程

为揭示内部过程，作者构建了一个将煤视为由数千个微小球形颗粒粘结在一起的计算模型。在这个离散元模型中，每个颗粒可以对邻近颗粒施加推力、拉力和滑动力，且用特殊的阻尼项来表示法向冲击和切向（滑动）运动中的能量损失。通过在不同频率上进行虚拟压缩测试，他们发现增大这些阻尼项并使颗粒尺寸分布更不均匀，都会降低P波速度并显著增加衰减。与摩擦滑动相关的切向阻尼尤其重要，其导致的能量损失大约是法向阻尼的三到四倍。当所有阻尼设为零时，波传播最快且几乎不出现频散或衰减。

可控试验平台：打印岩样

3D打印模型作为简化且可控的岩石替代物。树脂打印件表现得像高度粘滞的橡胶固体：具有致密结构、高泊松比和较强的内部摩擦，从而导致明显的频率相关波速变化和高衰减。由熔融沉积成型的PLA打印件更刚性，更像典型的弹性固体，内部摩擦较小且阻尼较弱。因此，它对频率的波速变化较小，衰减也较低。将这些合成材料与天然煤对比证实，颗粒尺度的阻尼和颗粒尺寸均匀性在塑造地震响应方面起着核心作用。尽管在衰减的细节上精确匹配仍有挑战，粘结颗粒模型的数值模拟重现了实验中的总体趋势。

对解读地震信号的意义

对非专业读者而言，关键结论是：在干燥煤中，正是坚固颗粒的颤动与滑移——而不仅仅是孔隙中的流体——能在特定频率范围内显著减慢并削弱地震波。颗粒尺寸分布广、堆积松散的低阶煤比致密堆积的高阶煤更像“减震器”。理解切向摩擦、法向碰撞和颗粒尺寸分布如何控制波动行为，有助于地球物理学家在解释含煤区的地震数据时选择更合适的模型，从而改善对岩石性质的估算并减少地下勘探的不确定性。

引用: Chen, H., Zou, G., Feng, X. et al. Experimental and numerical investigation of elastic wave dispersion and attenuation induced by coal particle damping. Sci Rep 16, 6033 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36113-0

关键词: 煤微观结构, 地震波衰减, 颗粒减振, 离散元建模, 3D打印岩样