电磁辐射作用下煤中自由基影响瓦斯突出的研究

马尚权，付 京

(华北科技学院，北京 东燕郊 101601)

0 引言

我国55%以上国有重点煤矿为高瓦斯突出矿井，近几年煤矿瓦斯虽然得到了有效的治理，但是重大瓦斯突出事故仍时有发生。煤岩动力灾害过程复杂、机理尚未得到根本揭示，其预防是世界性难题。长期以来，人们应用力学的方法从宏观角度对矿井的煤与瓦斯突出机理做了大量研究，绝大多数研究人员认为突出是地应力、瓦斯压力和煤体结构性能等三因素综合作用的结果，是聚集在围岩和煤体中的大量潜能，包括弹性能、瓦斯潜能的高速释放。关于煤的有机大分子结构及自由基的化学性质起到什么作用，没有一个公认的机理解释。经过本人实验：煤的自由基变化在煤与瓦斯突出过程中起到了重要作用，应进行很好的实验研究。

1 国内外研究现状

前苏联和我国是在岩石破裂电磁辐射(EME)的观测和研究开展较早的国家，1953年Воларович、Парxоменко[1]用实验方法记录和研究了花岗岩、片麻岩和脉石英的压电现象，并记录到了光发射。美国学者Nitson[2]、我国学者徐为民[3]也报道了实验室岩石压电效应的研究结果。Шевцов[4]研究了长石的斯捷潘诺夫效应，实验得出在速度为0.2mm/s的单轴变形情况下，试样表面出现密度为10-5～10-9C/m2的电荷；孙正江等[5]在对闪长岩、大理岩、石灰岩等加载时记录到电磁辐射信号，并根据主破裂时的磁场强度计算出破裂面的带电量为5.2×10-4C，电荷面密度为1.4×10-2C/m2。何学秋和刘明举[6-7]在我国首次通过实验研究证明，煤在变形破坏过程中有电磁辐射产生。王恩元、何学秋、聂百胜[8-9]研究了受载含瓦斯煤岩体电磁辐射的频谱及变化规律，认为煤岩变形破裂和电磁辐射是密切相关的。煤中含有大量的自由基，冯士安等[10]发现构造煤与其相邻的非构造煤相比，自由基浓度不一样，自由基浓度可作为煤层瓦斯突出危险区域预测指标。唐修义[11]对淮南、淮北矿区突出煤层和非突出煤层的自由基浓度进行了测定，前者是后者的一倍多；郭德勇等[12]对构造煤ESR波谱研究后也支持用自由基浓度作为煤和瓦斯突出预测的一项区划指标。

综上所述，在研究煤与瓦斯突出机理方面，国内外都取得了重大进展。但由于煤岩物理力学性质的非线性、岩体破坏形式的多样性和瓦斯赋存与运移过程的复杂性，突出机理还不十分明确。国内外还未曾从理论和实验上形成一个系统的理论体系和明确的实验结论来揭示煤与瓦斯突出的机理。

2 煤结构及自由基研究综述

煤结构的主体是非晶态的高分子聚合物，煤的每个大分子由许多结构相似又不完全相同的基本结构单元聚合而成[13]。基本结构单元的核心部分主要是缩合芳环，也有少量氢化芳环、脂环和杂环。完整的煤分子结构包括两部分：性能较稳定、结合牢固、不易发生化学反应的核心部分(芳香核)及核周围的各种侧链及官能团。官能团以含氧官能团为主，包括酚轻基、羧基、甲氧基和碳基等，此外还有少量含硫官能团和含氮官能团。基本结构单元之间通过桥键连接为煤大分子。煤分子通过交联及分子间缠绕在空间形成不同的立体结构。

由于煤的非晶态、高度复杂和结构不均一，人们对煤的化学结构的认识仍存在一些争论。尽管如此，一些结构模型已得到人们的广泛关注，如Fuchs模型、Given模型、Wiser模型、本田模型、Shinn模型等，其中Wiser模型被认为是比较全面合理的模型，如图1。

图1 Wiser模型[14]

煤分子到底有多大尚无定论，可以认为基本结构单元数大致在200～400范围，相对分子量在数千范围[14]。在煤的高分子聚合物结构中还较均匀地分布着少量的小分子化合物(≤500amu)。张玉贵等[15]认为煤中的小分子化合物数量虽然不多，但它的存在对煤的性质影响很大。煤中的烃类主要是正构烷烃，烃类分布范围很广，从C1-C3以上，甚至还有发现C7的报道[16-17]，此外含有少量环烷烃、长链烯烃及1-6环的芳烃(以1-2环为主)等。在C23-C33之间，煤分子间存在离子间力、电荷转移力、π-π作用力，氢键、范德华力等作用力，在低煤化程度煤中桥键发达，其类型主要为次甲基键(-CH2-，-CH2-CH2-，-CH2-CH2-CH2-等)，醚键和硫醚键(-0-，-S-，-S-S-等)，次甲基醚键(-CH2-O-，-CH2-S- 等)三种，尤以长的次甲基醚键为多；中等煤化程度的煤桥键数目最少，主要形式是-CH2-和-O-，至无烟煤阶段桥键又增多，主要是Car-Car，见图2。

图2 五种煤的基本结构单元示意图[18]

预想：突出过程中释放的超量瓦斯问题、瓦斯成分与煤层中瓦斯不一致问题、是否可以从突出煤的微观分子结构方面可否找到瓦斯的来源？在电磁辐射的作用下，煤的大分子结构发生了变化，部分烷基(CH3-、CH2=CH-)和氢(H-)从煤的大分子发生断裂，然后反应形成新的甲烷(CH4)或瓦斯，使含瓦斯煤岩体伴随着应力梯度的变化产生破裂。

3 预想实验方案综述

3.1 实验总体思路

3.2 实验方法

实验对象：原态煤体(块状)、破碎煤体、经过瓦斯排抽后认为无瓦斯的煤

实验环境：保持原煤在地下空间的压力环境和温度环境

实验仪器：电磁波发射源、电磁波能量计量仪(特斯拉)、高频机械波记录仪、煤岩体应变记录仪、甲烷、乙烷、一氧化碳传感器、数据记录仪。

实验原理：如图3所示

a.电磁波激励 b.压力表 c.气体接受容器(密封) d.气体检验容器(内置甲烷，乙烷，一氧化碳等传感器，不密封) e.密封容器 f.阀门 g.光栅应变传感器 h.光振动接收器 i.数据记录仪

实验内容：激发电磁波，同时记录非激发状态和激发状态各种物理量的变化数据和曲线。

图3 电磁波作用煤体检测实验原理图

A固定电磁波的能量，改变电磁波的频率。通过实验检验煤岩体的电磁波频率特性。

B固定电磁波的频率，改变电磁波的能量。通过实验检验煤岩体在电磁波作用下的能量特性。

注：实验分两部分：第一步收集气体，打开收集气体容器阀门，关闭检验容器阀门，保存气体气样，用频谱分析仪分析气体成分。第二步，关闭收集气体容器阀门，打开检验容器阀门，检验在电磁波作用下气体的变化状态。

3.3 实验预期目标

1) 含瓦斯煤岩突出过程中瓦斯的来源分析，除煤体中游离和吸附的瓦斯外，是否还存在气体的来源或者瓦斯气体的生成物？

2) 理论分析含瓦斯煤岩突出过程中的不同瓦斯的作用影响，进一步创新瓦斯突出防治理论和技术。

4 小结

综上所述含瓦斯煤岩在外界环境的作用下会发生许多效应，包括电子的能带机理光辐射、摩擦效应、压电效应、电磁效应等。通过预想实验可检验这些效应是否使得煤的大分子结构发生了变化，部分烷基(CH3-、CH2=CH-)和氢(H-)从煤的大分子发生断裂，形成新的甲烷(CH4)或瓦斯。为理论分析含瓦斯煤岩突出过程中的不同瓦斯的作用影响提供有力论据，在探索不同瓦斯突出诱发源和机理的前提下，进一步创新瓦斯突出防治技术方法。

[1] Воларович МП и Пархоменко ЭИ.Пьезоэлектрическии эффект горныхпород， ДАН CCCP，1954,99(2)：239.

[2] Nitson U. Electromagnetic emission accompanying fracture of quartz-bearing rocks[J]. Geophys. Res.letter，1977,(4)：333-336.

[3] 徐为民，童芜生，吴培稚.岩石破裂过程中电磁辐射的实验研究[J].地球物理学报，1985,28(2)：67-76.

[4] ШевцовГИиМигуновНИидр.Электризацияпо-левыхштаповпридефформациииразрушении.ДАНСССР,1975,225(2)：313-315.

[5] 孙正江，王丽华，高宏.岩石标本破裂时的电磁辐射和光发射[J].地球物理学报，1986,29(5)：491-495.

[6] 何学秋.含瓦斯煤岩流变动力学[M].徐州：中国矿业大学出版社,1995.

[7] 何学秋，刘明举.含瓦斯煤岩破坏电磁动力学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1995.

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