微波间断加载作用下煤中瓦斯解吸响应特征实验研究*

王志军，李　宁，魏建平，马小童

(1.河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454003；2.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003；3.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心，河南 焦作 454003)

0　引言

渗透率低、解吸速度慢是目前制约我国瓦斯抽采的主要因素[1]。为提高瓦斯抽采效率，人们相继提出水力压裂[2]、深孔爆破[3]、水力冲孔[4]、水力割缝[5]、高压脉冲水射流[6]等强化瓦斯抽采的力学方法以及注气驱替[7]等非力学方法。近年来，又有不少学者开始尝试通过外加温度场[8]、地电场[9-10]、低频电磁场[11]及声场[12]等物理场来改变煤中瓦斯的吸附、解吸与渗透性，通过研究发现，尽管上述几种物理场对煤体产生的效应存在差异，但对煤体的影响基本上是一致的，即在一定程度上具有促进煤中瓦斯解吸、运移的作用。

微波场也是一种物理场，由于微波具有频率高、波长短、穿透性强等其他电磁波所不具有的特征而被称为一种特殊的电磁波。微波作为一种高频电磁波，其作用于煤体将产生电磁场效应及热效应，根据有关学者的研究成果，温度场与低频电磁场都在一定程度上降低煤的瓦斯吸附量，促进瓦斯解吸[8,11]。由此可以推断，将微波电磁场作用于煤体极有可能促进瓦斯解吸，但目前此方面的报道还较少。温志辉[13]与胡国忠[14]曾分别利用微波辐照后的颗粒煤样进行了瓦斯解吸实验和等温吸附实验，结果表明，煤样经微波辐射后，解吸量总体增大，吸附量降低。上述两位学者都是利用微波辐射作用一定时间后的煤样进行吸附或解吸实验，仅揭示了微波辐射改性对煤样瓦斯吸附解吸的影响，而没有研究微波加载条件下煤样吸附解吸特征。

为揭示煤中瓦斯解吸过程中加载微波作用对解吸特性的影响，进一步探讨微波辐射促进煤层瓦斯解吸的基本原理，利用自主设计的实验装置，研究了微波作用对煤中瓦斯解吸特性的影响规律。

1　微波辐射促进煤中瓦斯解吸的基本原理

1.1　微波辐射对煤体的电磁辐射热效应

煤体是一种典型的电介质，微波在煤体中传播时被吸收，其中极性分子以每秒24亿5千万次的频率发生振荡并互相摩擦，造成极性分子产生功率损耗，使电磁能转化为煤体的热能，这一现象称为微波热效应。根据微波理论，微波场中单位体积煤体的有效功率损耗Pv为[15]：

(1)

式中：f为微波频率，Hz；ε0为无外电场时煤体的介电常数，88.54 fF/cm；ε为煤体的介电功耗因子；E为电场强度，V/cm；R为煤体对微波的反射率；Qu和Qd分别为空腔和有载品质因子。

根据热力学，物体单位时间内吸收热量Q与温升ΔT的关系为Q=ρCpΔT/t。假设微波作用于煤体内的有效功率损耗全部转为热能被煤体吸收，且不考虑煤体的散热损失，由式(1)可得煤体在微波场中的升温速度为：

(2)

式中：ρ为煤的密度，g/cm3；Cp为煤的定压比热，J/(g·K)；T0为煤体初始温度，℃。

由此可知，处于微波场的煤体将按照式(2)的能量转换关系将微波电磁能转为热能，从而提高自身的温度。

温度是影响煤中瓦斯吸附、解吸特性的一个重要因素。大量实验研究表明，煤的瓦斯吸附量与温度呈负相关关系，吸附量随温度的升高而降低[16]，而瓦斯解吸与温度呈正相关关系，升温可促进瓦斯解吸[17]。微波作用下煤体温度T按式(2)升高后，瓦斯气体分子的无规则运动加剧，动能增大，获得大于吸附势垒的机会增多，瓦斯分子在煤表面移动过程中脱附的几率增大，使得煤体吸附瓦斯的能力降低、瓦斯吸附量减少。解吸是一个吸热过程，微波热效应引起的温升为瓦斯气体脱附提供了能量，增强了煤体中吸附态甲烷分子发生解吸的可能性，使得微波作用下煤体中的吸附态甲烷更易于解吸与扩散，在增大解吸量的同时还将大大提高解吸速率。

1.2　微波选择性加热引起的煤体损伤效应

煤是由多种矿物成分及元素组成的混合物，包括碳、水、硫、石英及黏土等，这些矿物组分的介电常数、电导率均不相同。微波具有选择性加热的特点，这一特性会使得处于微波场中的煤体中不同矿物组分由于吸收微波功率的不同升温速率也不同，从而在煤体内部产生局部温差。又因为热膨胀系数不同，煤中各组分在升温过程中膨胀变形会不一致，各组分相互约束而产生热应力，这种热应力会促使煤体内部原有孔隙扩展，膨胀变形不一致还会诱导新裂隙的产生[18]，进而改变煤体内部结构，造成煤体损伤，从而形成微波作用对煤的损伤效应。这种损伤效应将使得煤体内瓦斯运移通道更加通畅，促进瓦斯解吸和流动。

2　实验装置及实验方法

2.1　实验装置

微波辐射作用下煤样瓦斯解吸实验装置由微波发生器、吸附解吸罐、气体供给单元、气体测量单元、温度测量单元及抽真空单元组成，如图1所示。微波发生器选用改造后的美的MM823LA6-NS型微波炉。吸附解吸罐为石英玻璃专用吸附解吸罐，耐温不低于800℃，承压能力不小于2 MPa。气体供给单元由高压气瓶、减压阀、充气罐、精密压力表及管道组成，采用99.99%的高纯甲烷气。气体测量由质量流量计与解吸仪配合完成。抽真空单元包括真空泵和真空计。温度测量单元由热电偶、温度数显调节仪及滤波电容构成。热电偶为K型铠装热电偶，型号为WRNK。为防止热电偶在微波炉腔体内出现“打火”现象，在热电偶末端加一滤波电容，以消除由热电偶感应的高频干扰。温度数显调节仪兼有防高温断电保护功能。现场应用时加装温度测量与控制系统，实时监测微波加载过程中煤体温度并进行控制，一旦温度过高，切断微波发生器电源，停止微波加载，防治发生煤炭自燃及其他灾害事故。

图1　微波辐射作用下煤中瓦斯解吸实验装置Fig.1　Experimental device of gas desorption in coal under microwave radiation

2.2　实验煤样

实验煤样为河南煤化集团九里山矿二1煤层的无烟煤，在井下掘进工作面新鲜煤壁取煤样，密封保存后送实验室，工业分析测得自然煤样水分Mad为2.1%，灰分Aad为12.395%，挥发分Vad为8. 62%，煤样密度为1.38 g/cm3。经破碎筛选出粒径为0.5～1 mm的煤样不少于800 g，煤样全部经恒温干燥箱干燥至恒重后装入磨口瓶中密封保存备用。

2.3　实验方案

煤样解吸过程一般需要数小时，如果在整个解吸过程中连续施加微波，煤样会被加热到较高温度。为避免实验煤样温度过高，同时又能反映微波作用对煤样解吸前、中、后期每个阶段的影响，采用间断加载微波作用的方式进行实验。经多次实验对比，最终确定采用解吸开始后5 min整数倍时刻分别加载10 s，20 s，40 s时长的微波的实验方案，分别简称为微波作用10 s、微波作用20 s及微波作用40 s。实验方案参数见表1。

表1　煤样瓦斯解吸实验方案

2.4　实验步骤

称取110 g干燥煤样装入吸附解吸罐，连接好装置后先用N2进行气密性检查。确保装置不漏气后，进行不少于6 h的真空脱气。脱气结束后充入CH4吸附，吸附平衡后测算吸附量。然后进行解吸实验，先进行无微波作用(微波作用0 s)下甲烷解吸实验，记录解吸数据，结束后重新脱气、吸附，吸附平衡后进行微波作用10 s的解吸实验，记录解吸数据，然后依次进行微波作用20 s及微波作用40 s的解吸实验。实验在装有空调的房间进行，保持室温恒定。每次实验结束后，称取实验后的煤样质量，并与实验前煤样质量进行比较，煤样质量变化不超过0.01 g为有效实验，确保收集气体为解吸出的甲烷气，无热解气体产生。

3　实验结果及分析

3.1　微波间断作用下煤样瓦斯解吸过程中温度变化

由热电偶测量得到微波作用下煤样瓦斯解吸过程温度过程线如图2所示，可以看出，微波对煤样的热效应总体呈现出前期剧烈、中后期逐渐变缓的趋势，说明前期煤样对微波的吸收较为显著，升温较快，中后期温度升高煤样的相对介电常数变小，微波吸收率变小，同时由于煤样与室内环境温差的增大，煤样散热量增大，2种效应的综合结果使得煤样升温速度变缓。

图2　微波作用下煤样解吸过程温度变化Fig.2　Temperature change of coal sample under microwave radiation

3.2　微波间断加载对煤样瓦斯累计解吸量的影响

无微波作用及3种微波间断加载作用下煤样瓦斯累计解吸量见图3，可以看出，3种微波作用下煤中甲烷解吸量均大大超过了无微波作用下煤中甲烷解吸量，120 min解吸时间内，微波作用10 s、微波作用20 s、微波作用40 s条件下煤中甲烷解吸量分别为无微波作用下煤中甲烷解吸量的1.9倍、2.8倍及3.9倍，增加率分别为90%、180%及290%，表明微波作用能够促进煤中甲烷解吸。每个微波加载周期内，微波加载时段解吸量增长迅速，剩余时间内解吸量增长速度逐渐降低，单个微波加载周期内的总解吸增量也遵循逐渐减小的趋势，微波作用条件下甲烷累积解吸量随时间总体呈跳跃式增长趋势。

图3　累计解吸量对比Fig.3　Comparison of cumulative desorption quantity of gas in coal

3.3　微波间断加载对煤样瓦斯解吸率的影响

为进一步说明微波作用对煤中甲烷解吸的促进作用，引入描述煤样甲烷解吸效果的物理量—解吸率η，为从解吸开始到解吸过程中某一时刻t的累计解吸率，计算公式为：

(3)

式中：Q(T,p,t)为环境温度T、吸附平衡压力p条件下t时刻的瓦斯累计解吸量， ml/g；Q∞(T,p)为环境温度T条件下，吸附平衡压力p时的极限解吸量，也为环境温度T、吸附平衡压力p条件下的吸附量， ml/g。302 K、0.9 MPa吸附平衡压力下无微波作用、微波作用10 s、微波作用20 s及微波作用40 s 4种条件下煤样甲烷极限解吸量Q∞，即吸附量分别为9.97 ml/g、10.09 ml/g、10.03 ml/g及10.16 ml/g，由公式(3)计算得到4种条件下解吸过程中15 min时,50 min时,85 min时以及120 min时的解吸率，如图4所示。

由图4可知，在解吸初期的15 min时间内，解吸率总体较低，但增长速度较快，随着时间推移，无微波作用下解吸率变化放缓，微波作用下的解吸率增长速度加快，解吸50 min、85 min以及120 min时4种条件下的解吸率分布规律大致相同，即无微波作用解吸率最小，依次为微波作用10 s、微波作用20 s，最大为微波作用40 s。解吸120 min时，微波作用10 s,20 s,40 s条件下的解吸率分别为无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条件下的解吸率已达87%，表明微波作用对提高煤中甲烷解吸率、缩短解吸时间、促进煤中甲烷解吸具有显著作用。

图4　解吸率对比Fig.4　Comparison of desorption efficiency

3.4　微波间断辐射对煤样瓦斯解吸速度的影响

根据甲烷解吸量过程线(图3)，得到解吸速度对比图(图5)。从图5可以看到，微波作用下煤中瓦斯解吸速度高于无微波作用解吸速度，且微波作用下瓦斯解吸速度在每个微波加载周期均出现了较高的峰值。3种微波作用下解吸速度的最大峰值均出现在第一次加载微波时段，微波作用10 s条件下解吸速度最大峰值为60 mL/min，为未加载微波前的8倍，微波作用20 s条件下解吸速度最大峰值为75 mL/min，为未加载微波前的10倍，微波作用40 s条件下解吸速度最大峰值为84 mL/min，为未加载微波前的11.2倍，提高率为1 020%，说明微波作用对煤中瓦斯解吸的瞬间提速作用效果十分显著。微波加载结束后解吸速度衰减迅速，但微波加载时间越长，衰减相对较慢。以上分析表明，微波作用对煤中甲烷解吸速度的激励作用明显，随着时间推移，这种激励作用会有所减弱。

图5　解吸速度对比Fig.5　Comparison of desorption rate

4　结论

1)微波热效应及选择性加热引起的煤体损伤效应是微波辐射促进煤中瓦斯解吸的主要作用。

2)微波间断加载作用对煤中瓦斯解吸均有明显的促进作用，与未加载微波作用相比，煤样瓦斯解吸量及解吸率均有明显增大，且微波作用时间越长，解吸量越大，解吸率越高。微波作用40 s条件下煤样瓦斯解吸量增加率为290%，解吸率高达87%。

3)微波辐射对煤中瓦斯解吸的瞬间提速作用效果显著，微波作用40 s条件下解吸速度最大值为84 mL/min，为未加载微波前的11.2倍，解吸速度最大提高率为1 020%。

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