王志軍，李　寧，魏建平，馬小童

(1.河南理工大學 河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454003；2.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；3.中原經(jīng)濟區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

0　引言

滲透率低、解吸速度慢是目前制約我國瓦斯抽采的主要因素[1]。為提高瓦斯抽采效率，人們相繼提出水力壓裂[2]、深孔爆破[3]、水力沖孔[4]、水力割縫[5]、高壓脈沖水射流[6]等強化瓦斯抽采的力學方法以及注氣驅替[7]等非力學方法。近年來，又有不少學者開始嘗試通過外加溫度場[8]、地電場[9-10]、低頻電磁場[11]及聲場[12]等物理場來改變煤中瓦斯的吸附、解吸與滲透性，通過研究發(fā)現(xiàn)，盡管上述幾種物理場對煤體產生的效應存在差異，但對煤體的影響基本上是一致的，即在一定程度上具有促進煤中瓦斯解吸、運移的作用。

微波場也是一種物理場，由于微波具有頻率高、波長短、穿透性強等其他電磁波所不具有的特征而被稱為一種特殊的電磁波。微波作為一種高頻電磁波，其作用于煤體將產生電磁場效應及熱效應，根據(jù)有關學者的研究成果，溫度場與低頻電磁場都在一定程度上降低煤的瓦斯吸附量，促進瓦斯解吸[8,11]。由此可以推斷，將微波電磁場作用于煤體極有可能促進瓦斯解吸，但目前此方面的報道還較少。溫志輝[13]與胡國忠[14]曾分別利用微波輻照后的顆粒煤樣進行了瓦斯解吸實驗和等溫吸附實驗，結果表明，煤樣經(jīng)微波輻射后，解吸量總體增大，吸附量降低。上述兩位學者都是利用微波輻射作用一定時間后的煤樣進行吸附或解吸實驗，僅揭示了微波輻射改性對煤樣瓦斯吸附解吸的影響，而沒有研究微波加載條件下煤樣吸附解吸特征。

為揭示煤中瓦斯解吸過程中加載微波作用對解吸特性的影響，進一步探討微波輻射促進煤層瓦斯解吸的基本原理，利用自主設計的實驗裝置，研究了微波作用對煤中瓦斯解吸特性的影響規(guī)律。

1　微波輻射促進煤中瓦斯解吸的基本原理

1.1　微波輻射對煤體的電磁輻射熱效應

煤體是一種典型的電介質，微波在煤體中傳播時被吸收，其中極性分子以每秒24億5千萬次的頻率發(fā)生振蕩并互相摩擦，造成極性分子產生功率損耗，使電磁能轉化為煤體的熱能，這一現(xiàn)象稱為微波熱效應。根據(jù)微波理論，微波場中單位體積煤體的有效功率損耗Pv為[15]：

(1)

式中：f為微波頻率，Hz；ε0為無外電場時煤體的介電常數(shù)，88.54 fF/cm；ε為煤體的介電功耗因子；E為電場強度，V/cm；R為煤體對微波的反射率；Qu和Qd分別為空腔和有載品質因子。

根據(jù)熱力學，物體單位時間內吸收熱量Q與溫升ΔT的關系為Q=ρCpΔT/t。假設微波作用于煤體內的有效功率損耗全部轉為熱能被煤體吸收，且不考慮煤體的散熱損失，由式(1)可得煤體在微波場中的升溫速度為：

(2)

式中：ρ為煤的密度，g/cm3；Cp為煤的定壓比熱，J/(g·K)；T0為煤體初始溫度，℃。

由此可知，處于微波場的煤體將按照式(2)的能量轉換關系將微波電磁能轉為熱能，從而提高自身的溫度。

溫度是影響煤中瓦斯吸附、解吸特性的一個重要因素。大量實驗研究表明，煤的瓦斯吸附量與溫度呈負相關關系，吸附量隨溫度的升高而降低[16]，而瓦斯解吸與溫度呈正相關關系，升溫可促進瓦斯解吸[17]。微波作用下煤體溫度T按式(2)升高后，瓦斯氣體分子的無規(guī)則運動加劇，動能增大，獲得大于吸附勢壘的機會增多，瓦斯分子在煤表面移動過程中脫附的幾率增大，使得煤體吸附瓦斯的能力降低、瓦斯吸附量減少。解吸是一個吸熱過程，微波熱效應引起的溫升為瓦斯氣體脫附提供了能量，增強了煤體中吸附態(tài)甲烷分子發(fā)生解吸的可能性，使得微波作用下煤體中的吸附態(tài)甲烷更易于解吸與擴散，在增大解吸量的同時還將大大提高解吸速率。

1.2　微波選擇性加熱引起的煤體損傷效應

煤是由多種礦物成分及元素組成的混合物，包括碳、水、硫、石英及黏土等，這些礦物組分的介電常數(shù)、電導率均不相同。微波具有選擇性加熱的特點，這一特性會使得處于微波場中的煤體中不同礦物組分由于吸收微波功率的不同升溫速率也不同，從而在煤體內部產生局部溫差。又因為熱膨脹系數(shù)不同，煤中各組分在升溫過程中膨脹變形會不一致，各組分相互約束而產生熱應力，這種熱應力會促使煤體內部原有孔隙擴展，膨脹變形不一致還會誘導新裂隙的產生[18]，進而改變煤體內部結構，造成煤體損傷，從而形成微波作用對煤的損傷效應。這種損傷效應將使得煤體內瓦斯運移通道更加通暢，促進瓦斯解吸和流動。

2　實驗裝置及實驗方法

2.1　實驗裝置

微波輻射作用下煤樣瓦斯解吸實驗裝置由微波發(fā)生器、吸附解吸罐、氣體供給單元、氣體測量單元、溫度測量單元及抽真空單元組成，如圖1所示。微波發(fā)生器選用改造后的美的MM823LA6-NS型微波爐。吸附解吸罐為石英玻璃專用吸附解吸罐，耐溫不低于800℃，承壓能力不小于2 MPa。氣體供給單元由高壓氣瓶、減壓閥、充氣罐、精密壓力表及管道組成，采用99.99%的高純甲烷氣。氣體測量由質量流量計與解吸儀配合完成。抽真空單元包括真空泵和真空計。溫度測量單元由熱電偶、溫度數(shù)顯調節(jié)儀及濾波電容構成。熱電偶為K型鎧裝熱電偶，型號為WRNK。為防止熱電偶在微波爐腔體內出現(xiàn)“打火”現(xiàn)象，在熱電偶末端加一濾波電容，以消除由熱電偶感應的高頻干擾。溫度數(shù)顯調節(jié)儀兼有防高溫斷電保護功能?，F(xiàn)場應用時加裝溫度測量與控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測微波加載過程中煤體溫度并進行控制，一旦溫度過高，切斷微波發(fā)生器電源，停止微波加載，防治發(fā)生煤炭自燃及其他災害事故。

圖1　微波輻射作用下煤中瓦斯解吸實驗裝置Fig.1　Experimental device of gas desorption in coal under microwave radiation

2.2　實驗煤樣

實驗煤樣為河南煤化集團九里山礦二1煤層的無煙煤，在井下掘進工作面新鮮煤壁取煤樣，密封保存后送實驗室，工業(yè)分析測得自然煤樣水分Mad為2.1%，灰分Aad為12.395%，揮發(fā)分Vad為8. 62%，煤樣密度為1.38 g/cm3。經(jīng)破碎篩選出粒徑為0.5～1 mm的煤樣不少于800 g，煤樣全部經(jīng)恒溫干燥箱干燥至恒重后裝入磨口瓶中密封保存?zhèn)溆谩?/p>

2.3　實驗方案

煤樣解吸過程一般需要數(shù)小時，如果在整個解吸過程中連續(xù)施加微波，煤樣會被加熱到較高溫度。為避免實驗煤樣溫度過高，同時又能反映微波作用對煤樣解吸前、中、后期每個階段的影響，采用間斷加載微波作用的方式進行實驗。經(jīng)多次實驗對比，最終確定采用解吸開始后5 min整數(shù)倍時刻分別加載10 s，20 s，40 s時長的微波的實驗方案，分別簡稱為微波作用10 s、微波作用20 s及微波作用40 s。實驗方案參數(shù)見表1。

表1　煤樣瓦斯解吸實驗方案

2.4　實驗步驟

稱取110 g干燥煤樣裝入吸附解吸罐，連接好裝置后先用N2進行氣密性檢查。確保裝置不漏氣后，進行不少于6 h的真空脫氣。脫氣結束后充入CH4吸附，吸附平衡后測算吸附量。然后進行解吸實驗，先進行無微波作用(微波作用0 s)下甲烷解吸實驗，記錄解吸數(shù)據(jù)，結束后重新脫氣、吸附，吸附平衡后進行微波作用10 s的解吸實驗，記錄解吸數(shù)據(jù)，然后依次進行微波作用20 s及微波作用40 s的解吸實驗。實驗在裝有空調的房間進行，保持室溫恒定。每次實驗結束后，稱取實驗后的煤樣質量，并與實驗前煤樣質量進行比較，煤樣質量變化不超過0.01 g為有效實驗，確保收集氣體為解吸出的甲烷氣，無熱解氣體產生。

3　實驗結果及分析

3.1　微波間斷作用下煤樣瓦斯解吸過程中溫度變化

由熱電偶測量得到微波作用下煤樣瓦斯解吸過程溫度過程線如圖2所示，可以看出，微波對煤樣的熱效應總體呈現(xiàn)出前期劇烈、中后期逐漸變緩的趨勢，說明前期煤樣對微波的吸收較為顯著，升溫較快，中后期溫度升高煤樣的相對介電常數(shù)變小，微波吸收率變小，同時由于煤樣與室內環(huán)境溫差的增大，煤樣散熱量增大，2種效應的綜合結果使得煤樣升溫速度變緩。

圖2　微波作用下煤樣解吸過程溫度變化Fig.2　Temperature change of coal sample under microwave radiation

3.2　微波間斷加載對煤樣瓦斯累計解吸量的影響

無微波作用及3種微波間斷加載作用下煤樣瓦斯累計解吸量見圖3，可以看出，3種微波作用下煤中甲烷解吸量均大大超過了無微波作用下煤中甲烷解吸量，120 min解吸時間內，微波作用10 s、微波作用20 s、微波作用40 s條件下煤中甲烷解吸量分別為無微波作用下煤中甲烷解吸量的1.9倍、2.8倍及3.9倍，增加率分別為90%、180%及290%，表明微波作用能夠促進煤中甲烷解吸。每個微波加載周期內，微波加載時段解吸量增長迅速，剩余時間內解吸量增長速度逐漸降低，單個微波加載周期內的總解吸增量也遵循逐漸減小的趨勢，微波作用條件下甲烷累積解吸量隨時間總體呈跳躍式增長趨勢。

圖3　累計解吸量對比Fig.3　Comparison of cumulative desorption quantity of gas in coal

3.3　微波間斷加載對煤樣瓦斯解吸率的影響

為進一步說明微波作用對煤中甲烷解吸的促進作用，引入描述煤樣甲烷解吸效果的物理量—解吸率η，為從解吸開始到解吸過程中某一時刻t的累計解吸率，計算公式為：

(3)

式中：Q(T,p,t)為環(huán)境溫度T、吸附平衡壓力p條件下t時刻的瓦斯累計解吸量， ml/g；Q∞(T,p)為環(huán)境溫度T條件下，吸附平衡壓力p時的極限解吸量，也為環(huán)境溫度T、吸附平衡壓力p條件下的吸附量， ml/g。302 K、0.9 MPa吸附平衡壓力下無微波作用、微波作用10 s、微波作用20 s及微波作用40 s 4種條件下煤樣甲烷極限解吸量Q∞，即吸附量分別為9.97 ml/g、10.09 ml/g、10.03 ml/g及10.16 ml/g，由公式(3)計算得到4種條件下解吸過程中15 min時,50 min時,85 min時以及120 min時的解吸率，如圖4所示。

由圖4可知，在解吸初期的15 min時間內，解吸率總體較低，但增長速度較快，隨著時間推移，無微波作用下解吸率變化放緩，微波作用下的解吸率增長速度加快，解吸50 min、85 min以及120 min時4種條件下的解吸率分布規(guī)律大致相同，即無微波作用解吸率最小，依次為微波作用10 s、微波作用20 s，最大為微波作用40 s。解吸120 min時，微波作用10 s,20 s,40 s條件下的解吸率分別為無微波作用下解吸率的1.9倍,2.8倍及3.8倍，尤其是微波作用40 s條件下的解吸率已達87%，表明微波作用對提高煤中甲烷解吸率、縮短解吸時間、促進煤中甲烷解吸具有顯著作用。

圖4　解吸率對比Fig.4　Comparison of desorption efficiency

3.4　微波間斷輻射對煤樣瓦斯解吸速度的影響

根據(jù)甲烷解吸量過程線(圖3)，得到解吸速度對比圖(圖5)。從圖5可以看到，微波作用下煤中瓦斯解吸速度高于無微波作用解吸速度，且微波作用下瓦斯解吸速度在每個微波加載周期均出現(xiàn)了較高的峰值。3種微波作用下解吸速度的最大峰值均出現(xiàn)在第一次加載微波時段，微波作用10 s條件下解吸速度最大峰值為60 mL/min，為未加載微波前的8倍，微波作用20 s條件下解吸速度最大峰值為75 mL/min，為未加載微波前的10倍，微波作用40 s條件下解吸速度最大峰值為84 mL/min，為未加載微波前的11.2倍，提高率為1 020%，說明微波作用對煤中瓦斯解吸的瞬間提速作用效果十分顯著。微波加載結束后解吸速度衰減迅速，但微波加載時間越長，衰減相對較慢。以上分析表明，微波作用對煤中甲烷解吸速度的激勵作用明顯，隨著時間推移，這種激勵作用會有所減弱。

圖5　解吸速度對比Fig.5　Comparison of desorption rate

4　結論

1)微波熱效應及選擇性加熱引起的煤體損傷效應是微波輻射促進煤中瓦斯解吸的主要作用。

2)微波間斷加載作用對煤中瓦斯解吸均有明顯的促進作用，與未加載微波作用相比，煤樣瓦斯解吸量及解吸率均有明顯增大，且微波作用時間越長，解吸量越大，解吸率越高。微波作用40 s條件下煤樣瓦斯解吸量增加率為290%，解吸率高達87%。

3)微波輻射對煤中瓦斯解吸的瞬間提速作用效果顯著，微波作用40 s條件下解吸速度最大值為84 mL/min，為未加載微波前的11.2倍，解吸速度最大提高率為1 020%。

[1]王兆豐, 劉軍. 我國煤礦瓦斯抽放存在的問題及對策探討[J]. 煤礦安全, 2005, 36(3): 29-32, 44.

WANG Zhaofeng, LIU Jun. Problems and countermeasures for gas drainage in China’s coal mines[J]. Safety in Coal Mines, 2005, 36(3): 29-32, 44.

[2]王志軍, 張瑞林, 張森, 等. 含瓦斯煤體定向水力壓裂裂隙導控的數(shù)值分析[J]. 河南理工大學學報(自然科學版), 2013, 32(4): 373-379.

WANG Zhijun, ZHANG Ruilin, ZHANG Sen, et al. Numerical analysis of fracture guide & control of directional hydraulic fracturing in coal body containing gas[J]. Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science), 2013, 32(4): 373-379.

[3]蔡峰, 劉澤功. 水不耦合裝藥對深孔預裂爆破應力波能量的影響[J]. 中國安全生產科學技術, 2014, 10(8): 17-21.

CAI Feng, LIU Zegong. Impact of water decoupling charging on the energy of stress waves generated by blast in the process of deep-hole presplit blast in coal-bed[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2014, 10(8): 17-21.

[4]王凱, 李波, 魏建平, 等. 水力沖孔鉆孔周圍煤層透氣性變化規(guī)律[J]. 采礦與安全工程學報, 2013, 30(5): 778-794.

WANG Kai, LI Bo, WEI Jianping, et al. Change regulation of coal seam permeability around hydraulic flushing borehole[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2013, 30(5): 778-794.

[5]韓穎, 宋德尚. 低滲煤層高壓水射流割縫增透技術試驗研究[J]. 中國安全生產科學技術, 2014, 10(12): 36-39.

HAN Ying, SONG Deshang. Experimental study on permeability improvement technology by cutting seam using high pressure water jet in coal seam with low permeability[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2014, 10(12): 36-39.

[6]盧義玉, 尤祎, 劉勇, 等. 脈沖水射流割縫后石門揭煤突出預測指標優(yōu)選[J]. 重慶大學學報, 2013, 36(6): 66-69.

LU Yiyu, YOU Yi, LIU Yong, et al. Indexes optimization of outburst forecast while a rock cross-cut coal is uncovered by pulsed water jet[J]. Journal of Chongqing University, 2013, 36(6): 66-69.

[7]楊宏民，許東亮，陳立偉, 等. 注CO2置換 /驅替煤中甲烷定量化研究[J]. 中國安全生產科學技術, 2016, 12(5): 39-42.

YANG Hongmin, XU Dongliang, CHEN Liwei, et al. Quantitative study on displacement-replacement of methane in coal through CO2injection[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016, 12(5): 39-42.

[8]楊新樂. 低滲透煤層煤層氣注熱增產機理的研究[D]. 阜新: 遼寧工程技術大學, 2009.

[9]王恩元, 張力, 何學秋, 等. 煤體瓦斯?jié)B透性的電場響應研究[J]. 中國礦業(yè)大學學報, 2004, 33(1): 62-65.

WANG Enyuan, ZHANG Li, HE Xueqiu, et al. Electric field response of gas permeability[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2004, 33(1): 62-65.

[10]王宏圖, 李曉紅, 鮮學福, 等. 地電場作用下煤中甲烷氣體滲流性質的實驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2004, 22(2): 303-306.

WANG Hongtu, LI Xiaohong, XIAN Xuefu, et al. Testing study on seepage properties of methane gas in coal under the action of geo-electric field[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 22(2): 303-306.

[11]何學秋, 張力. 外加電磁場對瓦斯吸附解吸的影響規(guī)律及作用機理的研究[J]. 煤炭學報, 2000, 25(6): 614-618.

HE Xueqiu, ZHANG Li. Study on influence and mechanism of gas adsorption and desorption in electromagnetic fields exerted[J]. Journal of China Coal Society, 2000, 25(6): 614-618.

[12]李曉紅, 馮明濤, 周東平, 等. 空化水射流聲震效應強化煤層瓦斯解吸滲流的實驗[J]. 重慶大學學報, 2011, 34(4): 1-5.

LI Xiaohong, FENG Mingtiao, ZHOU Dongping, et al. Experimental analysis of coal bed methane desorption and seepage under sonic vibrating of cavitation water jets[J]. Journal of Chongqing University, 2011, 34(4): 1-5.

[13]溫志輝, 代少華, 任喜超, 等. 微波作用對顆粒煤瓦斯解吸規(guī)律影響的實驗研究[J]. 微波學報, 2015, 31(6):91-96.

WEN Zhihui, DAI Shaohua, REN Xichao, et al. Experimental study on the effect of microwave on particles coal gas desorption rule[J].Journal of Microwaves, 2015, 31(6):91-96.

[14]胡國忠, 黃興, 許家林, 等. 可控微波場對煤體的孔隙結構及瓦斯吸附特性的影響[J]. 煤炭學報, 2015, 40(S2): 374-379.

HU Guozhong, HUANG Xing, XU Jialin, et al. Effect of microwave field on pore structure and absorption of methane in coal[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(S2): 374-379.

[15]胡兵, 黃柱成, 王華, 等. 鐵及其氧化物在微波場中的升溫特性[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2013, 44(8): 3095-3101.

HU Bing, HUANG Zhucheng, WANG Hua, et al. Temperature rising characteristics of iron and iron oxides in microwave field[J]. Journal of Central South University Science and Technology, 2013, 44(8): 3095-3101.

[16]王志軍, 宋文婷, 馬小童, 等. 溫度對煤體瓦斯吸附特性影響實驗分析[J]. 河南理工大學學報(自然科學版), 2014, 33(5): 553-557.

WANG Zhijun, SONG Wenting, MA Xiaotong, et al. Analysis of experiments for the effect of temperature on adsorbing capability of coal[J]. Joural of Henan Polytechnic University(Natural Science), 2014, 33(5): 553-557.

[17]姜永東, 陽興洋, 劉元雪, 等. 不同溫度條件下煤中甲烷解吸特性的實驗研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2012, 39(2): 6-8.

JIANG Yongdong, YANG Xingyang, LIU Yuanxue, et al. Experimental study on methane desorption characteristics of coal under condition of different temperature[J]. Mining Safety and Environmental Protection, 2012, 39(2): 6-8.

[18]李皋, 孟英峰, 董兆雄, 等. 砂巖儲集層微波加熱產生微裂縫的機理及意義[J]. 石油勘探與開發(fā), 2007, 34(1): 93-97.

LI Gao, MENG Yingfeng, DONG Zhaoxiong, et al. Mechanisms and significance of microfractures generated by microwave heating in sand stone reservoirs[J]. Petroleum Exploration and Development, 2007, 34(1): 93-97.