双频超声破裂下煤体能量演化与损伤本构模型研究

用声音劈裂煤体

深埋地层中的煤层常含有大量气体，但岩体致密，气体几乎不流动。工程师需要安全、高效的方式来疏通这些岩体，既为防止矿井爆炸，也为开采作为更清洁能源的煤层气。本文研究在传统思路上的一个新变体：同时使用两种不同频率的强声波，对煤体进行预裂，使其更容易破坏并以更小代价释放气体。

为什么煤需要“呼吸”帮助

在中国许多煤田及其他地区，煤层渗透率低，气体被困于微小孔隙，无法流向井口或排采孔。高压水力压裂等传统方法虽能奏效，但成本高、耗水大，并且在深部高应力岩体中并不总是有效。超声破裂提供了更清洁的选择：声波在煤体内产生微小气泡、振动和加热，这些效应可促使微裂纹萌生并扩展。然而，单一频率超声有局限；其能量随距离迅速衰减，只影响有限体积的岩石。作者因此探究，组合两种超声频率能否比单一频率更有效地激发煤体破坏。

双音如何更强烈地振裂煤体

为验证这一点，研究团队用煤粉制成均质圆柱形煤饼并分组。部分样品不施加声波，部分样品施加单一频率超声，其余样品在水槽中同时暴露于两种频率的超声，其中一个固定为20千赫，另一个作不同设置。处理后，将每个样品在压机中缓慢加压直至破坏，同时传感器记录变形和表明内部开裂的微弱声发射信号。研究者随后拍摄断口并用图像处理软件测量总裂缝长度及裂缝网络的复杂度，从而比较不同声波组合对内部结构和整体强度的影响。

从直裂缝到分支裂网

结果显示，双频处理比无声或单频处理对煤体破坏更为显著。单频超声下，煤体倾向形成少量简单且大致笔直的裂缝；而双频组合，尤其当第二频率为第一频率的1.5到2倍时，裂缝形态转为密集分支的网络，沿多个方向交织穿行。在一个显著案例中，可见裂缝总长比未处理的煤体增加约四分之一，且以分形指数衡量的图形复杂度随频率间隔扩大而稳步上升。这些复杂网络像材料中的预切格栅，使得在外加载荷作用下，煤体沿许多现成路径发生破坏。

以更少能量使煤体变脆

力学试验证实了这种预裂的强效性。随着双频间隔的增大，煤体抗压强度显著下降，在最极端情况下降幅达约87%。同时，破坏前吸收的能量下降了超过80%。尽管如此，在峰值应力时，大部分输入能仍以弹性形式储存，说明煤体表现为一根突然断裂的弹簧。作者将此描述为“能量预消散”效应：超声已在内部消耗了大量破坏能量，因此外加压仅需提供很小的额外推动即可触发剧烈、脆性的崩塌。声发射数据也支持这一结论，预处理样品在较低应力下仍产生更多的内部裂纹事件。

寻找最佳点并预测行为

有趣的是，更多声能并不总意味着更高效率。通过定义单位频率比变化所产生的额外损伤量，研究者发现耦合效率在高频约为低频1.5到2倍时达到峰值。超过该范围，损伤仍继续增加，但每进一步提高频率带来的增益递减。为使结果便于工程应用，团队建立了一个数学模型，将煤体随时间演化的损伤与测得的裂缝复杂度及累计声发射信号联系起来。基于统计损伤理论的该模型在不同频率组合下，对应力—应变行为的预测与实验测量的误差约为6%以内。

对更安全、更清洁煤利用的意义

简而言之，该研究表明，经精确调谐的双频超声可以预先“软化”煤体，刻画出细密的裂缝网络，使岩石更易破坏、气体更易排采。通过选择两个声频之间的最佳比率，工程师可以降低地下激励所需的压力和能耗，提高甲烷回收率并增强矿井安全。新提出的损伤模型也为预测煤体在不同超声设置下的响应提供了实用工具，有助于将这一有前景的技术更快地推向实际应用。

引用: 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

关键词: 煤层气, 超声破裂, 双频超声, 岩石损伤力学, 能量演化