張永利，尚文龍，馬玉林，蘇 暢，馬 凱

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新，123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新，123000)

0 引言

煤層氣，又稱瓦斯，是煤炭形成過(guò)程中的伴生產(chǎn)物，主要成分是甲烷。在礦山災(zāi)害中，以瓦斯事故危害最大，嚴(yán)重威脅我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)[1]，同時(shí)，煤層氣也是一種高效的清潔能源。因此，實(shí)現(xiàn)煤層氣的合理開(kāi)采既能滿足我國(guó)大量的能源需求，又能減少因瓦斯引起的礦山災(zāi)害，對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)具有重大的戰(zhàn)略意義。特殊的地理?xiàng)l件決定了我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層高儲(chǔ)低滲的特性，極難抽采，煤儲(chǔ)層的滲透性是衡量煤層氣開(kāi)采難易程度的一個(gè)重要參數(shù)[2-3]。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤層氣增產(chǎn)方法進(jìn)行了大量的研究，如：高壓注水，水力割縫，水力壓裂，超聲波激勵(lì)法[4-8]等，并取得了一定的研究成果。

微波輻射在其他生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如：煉焦,巖土工程，石油開(kāi)采，污水處理[9-12]等。微波作為一種超高頻電磁波，最常用的微波頻率為2 450 MHz，微波加熱具有即時(shí)性、整體性、選擇性、高效性和安全性等特點(diǎn)，微波加熱過(guò)程就是極性分子在微波磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)分子水平的“攪拌”，使其分子相互碰撞、摩擦而生熱[13]。將微波輻射應(yīng)用到煤層氣增產(chǎn)方面屬于新興的研究領(lǐng)域。近幾年國(guó)內(nèi)一些學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，管偉明[14]提出了微波加熱煤儲(chǔ)層的共軛傳熱模型；代少華[15]，溫志輝[16]就微波輻射下顆粒煤體吸附/解吸規(guī)律進(jìn)行研究；李賀[17]，洪溢都[18]就微波輻射下煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了研究。由此可見(jiàn)，微波輻射在煤層氣增產(chǎn)方面的研究正在日漸完善。綜上所述，文中利用自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分別進(jìn)行不同微波功率、不同輻射時(shí)間條件下的煤樣滲透率測(cè)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為進(jìn)一步研究微波輻射技術(shù)在煤層氣增產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 微波輻射實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

實(shí)驗(yàn)采用自行研制的微波輻射含瓦斯煤滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由微波發(fā)生裝置、三軸加壓裝置、氣體測(cè)量裝置、手動(dòng)油壓泵和高壓氣瓶組成，如圖1所示。其中，微波發(fā)生裝置采用的是頻率為2.45 GHz的微波發(fā)生器，微波由發(fā)生裝置產(chǎn)生，經(jīng)波導(dǎo)管傳至三軸儀外微波導(dǎo)入端，由螺旋銅導(dǎo)線將微波導(dǎo)入三軸儀。其中微波發(fā)生裝置的微波功率可以實(shí)現(xiàn)變功率調(diào)節(jié)，微波輻射時(shí)間可以按目標(biāo)時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)不同功率、不同輻射時(shí)間的微波作用于煤體，實(shí)驗(yàn)煤巖位于螺旋磁場(chǎng)中心。實(shí)驗(yàn)主要研究不同微波功率、不同輻射時(shí)間條件下，煤樣滲透率的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中采用惰性氣體施加圍壓，目的是避免對(duì)微波輻射磁場(chǎng)的影響，軸壓由手動(dòng)油壓泵施加。為控制實(shí)驗(yàn)變量，軸壓、圍壓保持5 MPa不變。進(jìn)行滲流實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用排水法測(cè)定氣體滲流量，計(jì)算滲透率。

1.調(diào)壓閥; 2.壓力表; 3.圍壓口; 4.甲烷氣體入口; 5.軸壓口; 6.甲烷氣體出口; 7.閥門; 8.量筒; 9.水槽; 10.三軸滲透儀; 11.聚四氟內(nèi)套; 12.煤樣; 13.微波輻射導(dǎo)入端; 14.波導(dǎo)管; 15.微波發(fā)生裝置;16.甲烷氣瓶; 17.氮?dú)鈿馄? 18.手動(dòng)油壓泵。圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Experimental device and schematic diagram of testing system

由于煤層氣的主要成分是甲烷(CH4),實(shí)驗(yàn)采用純度99.99%的甲烷氣體，為保證實(shí)驗(yàn)安全，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采取有效的通風(fēng)措施，保證通風(fēng)順暢，對(duì)出氣口甲烷進(jìn)行濃度稀釋處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)煤樣

實(shí)驗(yàn)主要研究微波輻射條件下煤樣滲透率的變化規(guī)律。為了避免原始煤樣的非均質(zhì)性差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)中的試件選用自制型煤。原始煤樣取自遼寧阜新海州礦。利用顎式破碎機(jī)將原始煤樣粉碎，篩選出60～80目(0.25～0.18 mm)的煤粉，將煤粉與松香按50∶1的比例進(jìn)行配比，攪拌均勻后，用200 t的實(shí)驗(yàn)壓力機(jī)以100 MPa的成型壓力壓制成φ50 mm×100 mm的型煤標(biāo)準(zhǔn)試件，將制備好的型煤試件放入恒溫箱內(nèi)，在353.15 K條件下干燥36 h后備用。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)利用熱縮管將干燥備用的型煤試件與上下壓頭進(jìn)行塑封，將塑封好的試件裝入三軸儀，按圖1所示連接實(shí)驗(yàn)裝置，連接完成后檢測(cè)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的密閉性。

2)檢測(cè)密閉性完好，對(duì)試件施加壓力，為防止加載過(guò)程中因受力不均勻試件破壞，軸壓和圍壓交替加載至目標(biāo)壓力值，進(jìn)行穩(wěn)壓檢測(cè)。

3)軸壓、圍壓保持穩(wěn)定后，打開(kāi)甲烷高壓氣瓶，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓閥通入一定壓力的甲烷氣體，使煤樣在一定孔隙壓力條件下吸附至飽和，孔隙壓力由小到大一次調(diào)節(jié)。

4)打開(kāi)微波發(fā)生裝置，設(shè)置目標(biāo)微波功率和輻射時(shí)間，微波經(jīng)由波導(dǎo)管、螺旋銅導(dǎo)線導(dǎo)入三軸儀，在三軸儀內(nèi)形成穩(wěn)定的微波磁場(chǎng)作用于煤樣。

5)煤樣吸附飽和后，打開(kāi)三軸儀甲烷出氣口閥門，測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)的氣體排出量，待出氣量基本穩(wěn)定后，測(cè)量5組數(shù)據(jù)取平均值，作為這一實(shí)驗(yàn)條件下氣體滲流量，用于計(jì)算煤樣滲透率。

6)重新設(shè)置孔隙壓力、微波功率和輻射時(shí)間，重復(fù)步驟2)～5)，得到相應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件下的氣體滲流量，計(jì)算滲透率，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中所用煤樣試件是型煤試件，可視為均質(zhì)材料， 煤層氣在試件中的滲流過(guò)程基本符合達(dá)西定律，因此實(shí)驗(yàn)中滲透率計(jì)算可用達(dá)西定律：

(1)

式中：k為滲透率，cm2；L為煤樣的長(zhǎng)度，cm；Q為氣體流量，cm3/s；μ為氣體的動(dòng)力粘性系數(shù)，Pa·s；A為煤樣的截面積，cm2；P1為瓦斯入口壓力，MPa；P2為瓦斯出口壓力，MPa。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Test parameters

有效應(yīng)力是影響煤樣變形的重要因素，煤樣所受有效應(yīng)力數(shù)學(xué)張量表示為：

(2)

根據(jù)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到微波功率分別為500,1 000,1 500 W,輻射時(shí)間分別為1,1.5,3 min條件下滲透率-有效應(yīng)力的關(guān)系，并利用擬合軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合處理。

2.1 微波輻射時(shí)長(zhǎng)在不同有效應(yīng)力區(qū)對(duì)煤樣滲透率的影響分析

為探究微波輻射時(shí)長(zhǎng)對(duì)煤層滲透性的影響，分析同一微波功率，不同輻射時(shí)間條件下滲透率隨有效應(yīng)力的變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。

從圖2(a)滲透率隨有效應(yīng)力的變化曲線中可見(jiàn)同一應(yīng)力狀態(tài)下隨輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，煤樣滲透率數(shù)據(jù)隨之增大，并且在低有效應(yīng)力區(qū)增加幅度明顯；圖2(b)和2(c)也滿足同樣的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，向煤樣內(nèi)部輸入的微波能量增加，一些對(duì)微波吸收率高的礦物質(zhì)受高溫?fù)]發(fā)，使得堵塞的氣體運(yùn)移通道暢通；由于微波加熱的選擇性，煤樣內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，促使煤樣原生裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展以及新裂隙的產(chǎn)生，促進(jìn)了微波的致裂效果。圖2中對(duì)滲透率與有效應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表2所示。其中R2均大于0.98，擬合度極高，由此可得相同微波功率輻射時(shí)長(zhǎng)不同條件下，滲透率與有效應(yīng)力之間遵循單調(diào)遞減指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

取不同有效應(yīng)力區(qū)的滲透率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖2(d)和表3所示，由表3的擬合結(jié)果可以得出滲透率與微波輻射時(shí)長(zhǎng)之間滿足線性遞增關(guān)系，在低有效應(yīng)力區(qū)擬合度極高。在有效應(yīng)力為0.5 MPa時(shí)擬合直線的斜率明顯大于有效應(yīng)力為4 MPa時(shí)擬合直線的斜率，即在低有效應(yīng)力區(qū)煤樣在微波作用下滲透率增長(zhǎng)速率大于高有效應(yīng)力區(qū)。分析原因：低有效應(yīng)力區(qū)，隨輸入微波能量增加煤樣內(nèi)部應(yīng)力增大，所產(chǎn)生的應(yīng)力大于外部約束，煤樣內(nèi)部孔裂隙發(fā)育，導(dǎo)致滲透率增大。而當(dāng)有效應(yīng)力增加，試件外部約束大于試件內(nèi)部所產(chǎn)生的應(yīng)力，擴(kuò)張受到約束，導(dǎo)致滲透率增長(zhǎng)緩慢。

2.2 微波功率在不同有效應(yīng)力區(qū)對(duì)煤樣滲透率的影響分析

改變微波功率，對(duì)實(shí)驗(yàn)中煤樣進(jìn)行相同時(shí)間的間斷輻射，分析相同輻射時(shí)間，微波功率對(duì)煤樣滲透率的影響，如圖3所示。圖3中對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)指數(shù)擬合，擬合結(jié)果如表2中所示，R2均大于0.98，擬合度極高。分析可以得出，不同微波功率輻射相同時(shí)長(zhǎng)的條件下，煤樣滲透率與有效應(yīng)力之間依然滿足負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

表2 不同有效應(yīng)力條件下滲透率擬合結(jié)果Table 2 Permeability fitting results under different effective stress conditions

圖2 不同微波輻射時(shí)間滲透率隨有效應(yīng)力變化曲線Fig.2 Curves of permeability versus effective stress under different microwave radiation time

表3 不同輻射時(shí)間條件下滲透率擬合結(jié)果Table 3 Permeability fitting results under different irradiation time conditions

由圖3(d)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和表4中的擬合結(jié)果可以分析得出：應(yīng)力狀態(tài)一定，相同的輻射時(shí)間，煤樣滲透率與微波功率呈線性相關(guān)。分析表4中擬合得到的直線斜率，在低有效應(yīng)力區(qū)的斜率遠(yuǎn)大于高有效應(yīng)力區(qū)，在低有效應(yīng)力區(qū)煤樣滲透率隨微波功率增長(zhǎng)迅速。分析原因，是由于調(diào)高微波功率使得作用于煤樣的微波磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，溫度場(chǎng)的溫度梯度增大，熱應(yīng)力隨之增大，導(dǎo)致煤樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)破壞，即孔裂隙進(jìn)一步發(fā)育，氣體運(yùn)移通道增加，煤樣滲透率增大。

保持向煤樣輸入相同的微波能量，分析滲透率變化情況，如圖4所示，微波功率1 500 W時(shí)的滲透率曲線明顯高于微波功率500 W時(shí)的滲透率曲線，可以得出，煤樣在微波作用下，相同的能量輸入，選擇大功率輸入有助于增加煤樣滲透率。這是由于微波輻射加熱的特點(diǎn)導(dǎo)致：同一頻率的微波，改變功率不影響微波磁場(chǎng)的整體分布，只是改變了微波磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。增加微波功率，微波輻射效率提高，減少微波輻射后能量在煤體內(nèi)部的損耗，微波致裂效率提高，增滲效果明顯。關(guān)于作用于煤體的最優(yōu)微波功率，有待于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究。

圖3 不同微波功率下滲透率隨有效應(yīng)力變化曲線Fig.3 Curves of permeability versus effective stress under different microwave power

表4 不同微波功率條件下滲透率擬合結(jié)果Table 4 Permeability fitting results under different microwave power conditions

圖4 相同能量輸入滲透率變化曲線Fig.4 Permeability curve under the same energy input

3 結(jié)論

1)不同微波功率、不同微波輻射時(shí)間滲透率與有效應(yīng)力遵循單調(diào)遞減指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合結(jié)果R2均在0.98以上。

2)一定功率條件下，隨微波輻射時(shí)間的延長(zhǎng)煤樣滲透率增大，即微波增滲效果與輻射時(shí)間呈正相關(guān)。

3)高有效應(yīng)力區(qū)煤樣滲透率的增長(zhǎng)速率比低有效應(yīng)力區(qū)的小，在低有效應(yīng)力區(qū)更有利于提高微波增滲效率。因此在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采時(shí)，設(shè)法降低煤儲(chǔ)層有效應(yīng)力，可以提高微波輻射增產(chǎn)的效率。

4)輻射時(shí)間一定，隨微波功率的增加煤樣滲透率單調(diào)遞增。微波作用于煤樣，當(dāng)能量輸入相同時(shí)，微波功率越高，微波增滲效果越好。消耗相同的能量，選取高功率微波對(duì)煤樣進(jìn)行作用，增滲效果明顯并且有助于提高作業(yè)效率，這一結(jié)論對(duì)微波輻射在煤層氣增產(chǎn)方面的應(yīng)用是極為重要的。煤層氣的合理開(kāi)采可以有效避免礦井瓦斯災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。