于　紅，崔學(xué)鋒，張瑞林

(1. 河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191 ；2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

0　引言

煤礦瓦斯是古代植物成煤作用過程中伴生的以甲烷為主的氣體地質(zhì)體[1-2]，以吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)賦存于煤層及圍巖中[3-5]。通過瓦斯抽采降低煤層瓦斯壓力和含量，是減小甚至消除各種瓦斯?jié)撛谕{的有效技術(shù)措施[6-7]，然而據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，我國本煤層平均瓦斯抽采率卻不足10%，其主要原因是原生結(jié)構(gòu)煤在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生變形、流變、變質(zhì)作用，松軟構(gòu)造煤普遍發(fā)育，其透氣性系數(shù)只有10-3～10-4mD[8]，瓦斯抽采效果并不十分理想。微波場作為電磁場的一種，由于其非接觸性，加熱體積性、快速性等優(yōu)點(diǎn)，使其已經(jīng)被應(yīng)用于促進(jìn)煤層瓦斯解吸與滲流等方面，并取得了一定成果。董超等[9]利用工業(yè)微波爐對原煤體試件進(jìn)行了不同時(shí)間段的微波輻照作用：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤樣的孔隙率和滲透容積均隨微波作用時(shí)間的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；晉明月[10]研究指出：煤樣微孔和小孔的數(shù)量和體積隨微波作用時(shí)間的增長而增大，煤的孔隙率呈先減小后增大的變化規(guī)律；胡國忠等[11]研究指出可控源微波在電磁輻射熱效應(yīng)與損傷效應(yīng)的共同作用下煤體吸附瓦斯能力降低，然而煤體的瓦斯解吸與擴(kuò)散能力卻得到提高；溫志輝等[12]研究得出各實(shí)驗(yàn)煤樣在微波作用3 min和5 min時(shí)的瞬間解吸量和累計(jì)解吸量均產(chǎn)生“拐點(diǎn)”，呈現(xiàn)了先增加后減小再增加的變化規(guī)律。綜上所述，研究者探討了煤樣經(jīng)過微波輻照處理后其孔隙率、吸附容積、吸附量以及孔徑分布等變化規(guī)律。作為我國煤礦普遍存在且分布日趨廣泛的構(gòu)造煤，對于微波連續(xù)-間斷加載作用對其瓦斯解吸特性的研究并未提及，微波作用下煤粒瓦斯解吸過程是否存在非熱效應(yīng)，微波熱效應(yīng)在促進(jìn)瓦斯解吸過程中的權(quán)重是多少，非熱效應(yīng)是促進(jìn)還是抑制瓦斯解吸，其作用機(jī)制是什么，都值得進(jìn)一步研究。本文主要通過自主搭建實(shí)驗(yàn)平臺研究連續(xù)-間斷加載微波作用對煤的瓦斯解吸速率及解吸量的影響，并采用水浴熱裝置模擬微波產(chǎn)生的熱效應(yīng)，研究其在促進(jìn)瓦斯解吸中所占權(quán)重，并嘗試說明微波熱效應(yīng)及非熱效應(yīng)促進(jìn)瓦斯解吸機(jī)理。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

自主設(shè)計(jì)并完成安裝的連續(xù)-間斷微波作用對顆粒煤瓦斯解吸特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由微波發(fā)生單元、吸附罐、高壓配氣單元、真空抽氣單元、溫度控制單元組成。主要設(shè)備有高壓甲烷氣體(10.0±0.5 MPa，20℃)及減壓閥、FUJ-PCV真空泵、YBF-100型指針式氣壓表、紅旗Z-100型真空度表、WRN-130的K型-熱電偶及顯示儀表、格蘭仕A7型微波爐。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　微波輻射作用下顆粒煤瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 1　Experimental device of particles coal gas desorption under microwave radiation

實(shí)驗(yàn)所用微波發(fā)生器是由家用Galanz A7-G238N3型微波爐改造而成，其頻率為2 400 MHz，微波輸出功率為700 W。在微波爐頂部中心鉆2個(gè)小孔，分別可使熱電偶和解吸罐玻璃細(xì)管通過即可，孔徑不可過大，以免熱量散失過多影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1.2　煤樣的制備及基礎(chǔ)參數(shù)分析

實(shí)驗(yàn)所用煤樣取自義煤集團(tuán)新安礦二1煤層的構(gòu)造軟煤，在井下從新暴露煤壁取樣，除去矸石后立即放入密封袋內(nèi)，以防其被氧化及其水分流失。在實(shí)驗(yàn)室條件下使用球磨機(jī)將原煤樣破碎，篩選出0.5～1 mm煤樣備用。煤樣干燥過程中保持溫度102℃，-0.1 MPa下連續(xù)干燥8 h，然后取出放入干燥器中冷卻至室溫，留待實(shí)驗(yàn)使用。工業(yè)分析依據(jù)《煤的工業(yè)分析方法》GB/T212-2008；真密度的測定依據(jù)《煤的真相對密度測定方法》GB/T217-2008；a、b值得測定依據(jù)《煤的甲烷吸附測定方法》MT/T752-1997；f的測定依據(jù)《煤的堅(jiān)固性系數(shù)測定方法》MT 49-1987，測定結(jié)果見表1。

表1　煤樣基礎(chǔ)參數(shù)

1.3　實(shí)驗(yàn)過程

1)對管路系統(tǒng)抽真空，關(guān)閉閥1，打開閥2、閥3、閥4，當(dāng)真空計(jì)讀數(shù)小于20 Pa且保持2 h，即可關(guān)閉閥3和閥4。脫氣結(jié)束后打開減壓閥及閥2向吸附罐內(nèi)充氣，甲烷壓力保持0.3 MPa，24 h內(nèi)吸附罐氣體壓力下降不超過20 Pa則認(rèn)為達(dá)到吸附平衡狀態(tài)。

2)微波作用時(shí)關(guān)閉閥1、閥2、閥4，打開閥門3的同時(shí)計(jì)時(shí)并記錄量筒內(nèi)液面變化，前5 s氣體擴(kuò)散量單獨(dú)計(jì)數(shù)。此后每隔5 min開啟微波作用10 s，每次微波作用后記錄溫度變化，單個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后更換煤樣。微波作用20,40 s具有相似的實(shí)驗(yàn)條件。

3)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為120 min，每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，比較實(shí)驗(yàn)前后煤樣質(zhì)量變化，如果煤樣質(zhì)量變化超過0.1 g即認(rèn)定為無效實(shí)驗(yàn)。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

分別測定無微波作用、微波連續(xù)作用10 s、微波連續(xù)作用20 s及微波連續(xù)作用40 s 4種實(shí)驗(yàn)條件下煤樣的瓦斯累積解吸量，如圖2所示。

圖2　微波輻照條件下累計(jì)解吸量Fig.2　Cumulative desorption quantity of particles coal gas under microwave radiation

從圖2可以看出，微波作用對于顆粒煤的瓦斯解吸具有明顯促進(jìn)作用，有微波作用和無微波作用解吸曲線均表現(xiàn)為先快速增長而后趨于平緩的變化規(guī)律。前5 min由于沒有加載微波作用，所以各組實(shí)驗(yàn)煤的瓦斯解吸量基本一致。從第5 min開始，由于微波連續(xù)加載時(shí)間不同，各組煤樣的瓦斯解吸量開始出現(xiàn)了明顯差異：其中無微波作用煤樣的瓦斯解吸量最小，其最終解吸量為2.27 mL/g；微波作用10 s煤樣，其最終解吸量為4.15 mL/g，為無微波作用的1.83倍；微波作用20 s煤樣，其最終解吸量為6.23 mL/g，為無微波作用的2.74倍，為微波作用10 s的1.50倍；微波作用40 s煤樣較其他2組微波作用煤樣，其曲線更陡，瓦斯解吸量最多，達(dá)到了8.92 g/mL，是微波作用20 s解吸量的1.43倍，是微波作用10 s解吸量的2.14倍，是無微波作用煤樣的3.93倍。

為了說明微波作用對煤樣瓦斯速率影響，根據(jù)煤樣瓦斯瞬時(shí)解吸量及時(shí)間，求得各實(shí)驗(yàn)條件下煤樣的瓦斯解吸速率，如圖3所示。

從圖3中可以得出：無微波作用條件下煤樣瓦斯解吸速率表現(xiàn)為先快速降低，而后緩慢降低的變化規(guī)律；而在微波連續(xù)-間斷加載條件下，微波連續(xù)作用時(shí)間段內(nèi)，解吸速率均迅速增大，微波作用結(jié)束后又迅速減小，然而隨著微波加載次數(shù)的增多及瞬時(shí)解吸量的減少，煤樣解吸速率峰值逐漸降低。對比分析微波作用10,20,40 s及無微波作用下的煤樣，各煤樣解吸速率與微波作用時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，隨著時(shí)間的延長，煤樣瓦斯解吸速率呈現(xiàn)一定程度的衰減，不同加載時(shí)間微波作用煤樣的峰值的減小即說明了這一點(diǎn)，從圖中還可以得出波峰面積(解吸量)隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行衰減較快，這可以從圖2得到驗(yàn)證。

圖3　不同微波作用時(shí)間對瓦斯解吸速率影響Fig.3　The influence of microwave radiation on gas desorption rate in particles coal

3　水浴模擬微波熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

溫度是影響煤體瓦斯解吸的一個(gè)重要因素，林海飛等[13]對顆粒煤樣瓦斯放散性能多因素敏感性研究指出瓦斯放散初速度與溫度呈線性關(guān)系；王兆豐等[14]研究認(rèn)為低溫環(huán)境抑制了瓦斯解吸，溫度越低，抑制解吸效果越明顯；曾社教等[15]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)溫度增高比壓力降低對解吸作用的影響要敏感得多，然而并未給出具體的經(jīng)驗(yàn)公式。為了明確微波作用產(chǎn)生的熱效應(yīng)對煤樣瓦斯解吸的影響，采用水浴加熱模擬不同微波作用產(chǎn)生的熱效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)過程較微波連續(xù)-間斷加載作用實(shí)驗(yàn)大體相同，主要差別表現(xiàn)在此部分實(shí)驗(yàn)將按照微波作用時(shí)間與其對應(yīng)溫度改變水浴溫度。需要指出的是微波作用40 s煤樣的溫度在51 min后就已超過100℃，因此水浴模擬微波連續(xù)-間斷作用40 s條件下只模擬到51 min。

分別進(jìn)行不同條件下水浴熱模擬微波熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，得到了水浴模擬微波作用10,20,40 s及無微波作用下3種實(shí)驗(yàn)條件下煤樣的瓦斯累積解吸量，同時(shí)將微波作用條件下的解吸量與水浴模擬微波熱效應(yīng)瓦斯解吸量對比分析，得到結(jié)果如圖4所示。

圖4　微波作用與水浴模擬微波熱效應(yīng)解吸量對照Fig.4　Effect of microwave radiation and heating on gas desorption

從圖4可以明顯看出，微波在線作用與水浴模擬微波熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件下煤的瓦斯解吸量均超過了無微波作用條件下原煤樣的瓦斯解吸量。在開始前10 min內(nèi)，水浴模擬微波連續(xù)-間斷作用10,20,40 s及無微波作用下解吸量曲線基本重合，原因是前10 min內(nèi)各實(shí)驗(yàn)條件下所達(dá)到的溫度基本一致。10 min后，煤樣瓦斯解吸量由于各自實(shí)驗(yàn)條件的不同而產(chǎn)生較大差異，其中水浴模擬微波作用40 s條件下雖然實(shí)驗(yàn)僅僅進(jìn)行到第51 min，然而其瓦斯解吸量卻達(dá)到了5.74 mL/g；水浴模擬微波作用20 s其煤樣最終瓦斯解吸量為5.15 mL/g；水浴模擬微波作用10 s其最終解吸量為3.54 mL/g。其解吸量分別為相應(yīng)微波連續(xù)-間斷加載條件下解吸量的87.9%,82.7%,85.3%。對比水浴模擬微波熱效應(yīng)、微波連續(xù)-間斷輻照曲線走勢可以發(fā)現(xiàn)，其煤樣瓦斯解吸量曲線具有相似的規(guī)律，瓦斯解吸初期階段快速增加而后趨于緩慢增長的變化規(guī)律；這是因?yàn)椋和咚菇馕且粋€(gè)吸熱過程，而溫度的升高使瓦斯氣體熱運(yùn)動加劇、解吸能力提高，致使其在煤?？紫侗砻嫱Ａ魰r(shí)間縮短，隨著解吸實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行瓦斯總量減少、瓦斯壓力梯度降級，瓦斯解吸量逐漸減少，最終瓦斯解吸累計(jì)量趨于一定值。然而其解吸規(guī)律又有所不同，水浴裝置模擬微波熱效應(yīng)中瓦斯解吸速率變化平緩，而微波輻射作用下瓦斯解吸速率波動劇烈，究其原因是微波場作用于煤體不僅產(chǎn)生電磁熱效應(yīng)而且也存在非熱效應(yīng)。熱效應(yīng)主要表現(xiàn)在以下方面：當(dāng)煤體中熱應(yīng)力大于平均有效應(yīng)力時(shí)，煤體原有的孔隙裂隙張開，導(dǎo)致吸附容積比降低；同時(shí)，隨著煤體溫度升高，煤體骨架發(fā)生收縮變形，微孔及中孔的孔容有所降低；其次，隨著煤體溫度升高，煤體內(nèi)小分子物質(zhì)，如水分、小分子有機(jī)質(zhì)等礦物成分揮發(fā)出，進(jìn)而導(dǎo)致煤樣的比表面積和總孔體積有所回升，其熱效應(yīng)主要為這幾個(gè)方面相互作用的結(jié)果；微波非熱效應(yīng)來描述除微波熱效應(yīng)以外的其他系統(tǒng)響應(yīng)，非熱效應(yīng)非等同于和溫度有相關(guān)性的特殊效應(yīng)，非熱效應(yīng)方面：甲烷分子在微波場的作用下，可能會由于共價(jià)鍵振動或轉(zhuǎn)動甚至斷裂，造成分子間的碰撞頻率和有效碰撞頻率大大增加，從而加速了瓦斯解吸過程；同時(shí)也有可能微波輻射作用下沿電場強(qiáng)度方向瓦斯分子的定向移動從而增加了擴(kuò)散速率。微波場作用中熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)相互影響，致使其作用下瓦斯解吸速率高于同等條件下的水浴加熱作用。在微波連續(xù)加載時(shí)間段內(nèi)，由于熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)疊加作用，瓦斯解吸速率迅速升高。在間斷時(shí)間內(nèi)，無微波作用，其熱效應(yīng)等同于水浴模擬條件下熱效應(yīng)，因此微波連續(xù)-間斷輻射作用下瓦斯解吸速率波動較為劇烈，而在水浴模擬微波作用下由于連續(xù)時(shí)間段內(nèi)溫度變化不大，其解吸速率曲線較為平緩。上述分析表明，微波作用和純升溫作用都能促進(jìn)甲烷解吸，在相同升溫過程條件下，微波對甲烷解吸的促進(jìn)作用要優(yōu)于純升溫作用。

4　結(jié)論

1)通過自主搭建實(shí)驗(yàn)平臺研究了不同時(shí)間微波連續(xù)-間斷作用下瓦斯解吸規(guī)律，利用水浴裝置研究了微波輻照作用下產(chǎn)生的熱效應(yīng)對瓦斯解吸的影響。

2)瓦斯解吸初期，對于每個(gè)微波連續(xù)加載時(shí)間內(nèi)，瓦斯解吸量及解吸速率均迅速增加，然而衰減很快，最終瓦斯解吸總量趨于一常數(shù)；120 min內(nèi)，微波連續(xù)-間斷輻照作用下瓦斯解吸量是無微波作用下的瓦斯解吸量的1.83～3.93倍。

3)微波輻照作用條件對瓦斯解吸的促進(jìn)作用要優(yōu)于水浴模擬微波熱效應(yīng)升溫作用，微波熱效應(yīng)對瓦斯解吸影響較為顯著，權(quán)重占82%以上，然而微波非熱效應(yīng)的影響也不可忽視。

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