循环微波辐射下煤体孔裂隙结构演化特征

2021-12-20林柏泉钟玉婷王一涵

西安科技大学学报 2021年6期

林柏泉，钟玉婷，曹轩，刘统，王一涵

(1.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏徐州 221116；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116)

0 引言

瓦斯是一种优质的清洁能源，煤层瓦斯抽采不仅能够预防煤层瓦斯灾害，而且可以使抽出的瓦斯变害为利，减少温室气体排放[1]。虽然我国煤层中储存有丰富的瓦斯，但由于煤层埋藏深、地应力大、透气性差等因素，导致瓦斯抽采困难，抽采率低[2-3]。为了提高瓦斯抽采率，我国采取了许多技术手段来增加煤层透气性。现在普遍使用的是水力割缝[4]、水力压裂[5]等，这些技术手段虽然在一定程度上能够增加煤层瓦斯抽采量，但是也存在局限性，导致瓦斯抽采量难以满足煤矿生产，煤层中的瓦斯未得到合理高效的利用。因此，亟需探索其他适用性更好的增透技术，来提高煤层瓦斯抽采效率[6-7]。

近年来，国内外学者探索出一些新的技术手段，如液氮压裂[8-9]，电爆震爆破[10-12]，超临界CO2增透[13-14]，这些技术的开发虽已处在实验阶段或小型工程试验阶段，但存在一定的应用局限。也有学者提出微波注热增产的理论技术。微波的热效率高，能够促进瓦斯解吸、增透并且解除煤层水锁效应，从而实现瓦斯的高效抽采[15]。关于微波辐射对煤体结构的影响，学者们开展了一系列研究。洪溢都研究分析了不同影响因素下煤样的温升规律，发现随着微波功率的增大，无论哪种粒径的煤样，其温升速率均变快[16]；胡国忠等对微波辐射下不同含水率煤体孔渗特性及表面裂隙的演化规律进行研究，煤样含水饱和度的增加，微波辐射后煤样内孔裂隙数量、连通性等均呈现出“小幅减小-急剧减小-轻微增加”的趋势，原生裂隙扩展[17]；SONG等发现在微波作用下，水分受热蒸发产生水蒸气压，使煤体内液态水发生迁移[18]；李贺发现在微波辐射下，煤孔隙中的水分被加热并快速转化为热蒸气，在蒸气压力下，孔隙和裂隙普遍膨胀，最终改善煤体透气性[19]；代少华、胡国忠等研究发现微波辐射可降低煤体吸附甲烷的能力，提高瓦斯解吸与扩散能力[20-21]。

当微波辐射煤样时，煤样中对电场有感应的极性分子，随着电磁场的方向来回转动，在高频率摆动下相互摩擦，产生热量[16]。这些热会使煤体发生热膨胀，内部发生损伤；同时由于煤体内部极性分子的不均匀分布，煤体各部位对微波能的吸收率不同，从而在煤体内部形成温度梯度，煤体内部产生的热应力撕裂煤体；微波持续作用，煤中水分子吸热蒸发，在形成蒸气时也会产生不同的应力作用于煤体[17]。微波作用产生的这些影响不仅使煤体孔裂隙发生变化，而且对促进瓦斯解吸流动也会有所帮助，从而提高煤层透气性，为高效抽采煤层瓦斯创造条件[19,22]。

目前，已有研究文献大多聚焦于单一微波功率辐射后煤体的孔裂隙的变化，对微波循环作用，热量持续累积导致煤体孔裂隙结构演化的研究较少涉及。为此文中设计循环微波辐射煤体实验，拟探讨微波辐射前后煤体表面裂隙及内部孔隙结构演化特征，以期对微波注热煤层瓦斯增透技术开发提供研究基础。

1 实验方法

1.1 实验样品

本次实验煤样为取自内蒙古东胜煤矿的褐煤，煤样的工业分析参数见表1，实验利用岩石取芯机制成直径50 mm，长度50 mm的煤柱。

表1 煤样工业分析Table 1 Proximate analysis of coal samples

1.2 实验装置及测试方法

1.2.1 实验装置

该实验采用南京三乐微波有限公司设计生产的多模谐振微波辐射系统，主要由微波源、谐振腔、控制台、水塔等组成，如图1所示，每个微波源的功率可调节，微波频率为2 450 MHz。通过控制台调控微波源发出的功率和作用时间，微波传输到谐振腔作用于煤体，操作方便，可实现多功率调节。

图1 微波实验系统Fig.1 Microwave experimental system

1.2.2 实验测试方法

核磁共振是一种无损检测技术，能够测试煤样的全范围孔隙。核磁共振法测定孔径分布是根据核磁共振横向弛豫时间T2谱来反映煤样孔隙内部结构，即

(1)

式中T2为横向弛豫时间，ms；T2B为自由弛豫时间，ms；T2S为表面驰豫时间，ms；T2D为扩散驰豫时间，ms；ρ2为横向表面弛豫率，m/s；S/V为孔的表面积与体积之比；D为流体的扩散系数，m2/s；γ为质子的旋磁比，MHz/T；G为磁场强度，T/m；TE为回波间隔，s。

自由驰豫时间和扩散驰豫时间可以忽略，上式可简化

(2)

将煤孔隙简化为球状或柱状，(2)式可写为

(3)

式中FS为几何形状因子；r为孔隙半径，nm。

研究表明，核磁共振T2谱中，可将煤体孔隙结构划分为微孔(<10 ms)，中孔(10～100 ms)，大孔及微裂隙(>100 ms)[22-25]。

利用超声波在煤体的传播特性可以间接反映煤体内部裂隙的发育情况，裂隙可以阻断超声波的传播[26]，裂隙数量越多，接受的超声波信号越强，透射和散射的超声波信号会减少，从而波形就会衰减[27]。根据纵波和横波的特性，通过纵波波速和横波波速的衰减来反映煤体内部裂隙发育情况，纵波波速的衰减反映了煤样径向裂隙的发育情况，横波波速的衰减反映了煤样轴向裂隙的发育情况，超声波波速可以表示为[28-29]

(4)

式中υ为超声波波速，m/s；L为煤样长度，m；t0为声波发射时刻，s；t1为声波接收时刻，s；本次实验同时可测量出横纵波波速。

1.3 实验方案及步骤

主要实验流程如图2所示。

图2 实验流程Fig.2 Experimental process

1)4组煤样分别标记为DS1，DS2，DS3，DS4。微波辐射实验前，对煤样进行NMR测试，在进行NMR测试前要把煤样在真空箱里干燥6 h，然后在真空饱水机进行饱水8 h，使煤样达到100%饱水状态。

2)实验前先采用适量凡士林使超声波换能器与煤样耦合，然后对煤样进行超声波测试，之后再将煤样放入谐振腔进行微波实验，实验过程中微波辐射功率、辐射时间和辐射次数见表2。

表2 实验方案Table 2 Experimental program

3)每次微波辐射实验后，都要采用高清相机拍摄煤柱表面裂隙形态变化，之后对煤样进行超声波测试，最后所有实验完成后对每组煤样进行核磁共振仪测试。

2 实验结果及讨论

DS1组煤样微波以0.5 kW的功率辐射1 min，微波辐射煤样的能量为30 kJ；DS2组煤样微波以0.5 kW的功率辐射1 min后，对实验煤柱进行拍摄以及超声波测试后，再以1 kW的功率辐射1 min，微波辐射煤样的累积能量为90 kJ；DS3组煤样重复DS2组煤样实验步骤，之后再以1.5 kW的功率辐射1 min，微波辐射煤样的累积能量为180 kJ；DS4组煤样重复DS3组煤样实验步骤，之后再以2 kW的功率辐射1 min，微波辐射煤样的累积能量为300 kJ。

2.1 微波辐射后煤样的表面裂隙结构演化特征

实验过程中，通过高清相机记录获得了不同微波能量辐射后煤体的下表面裂隙，对其进行素描，以便更清楚地展示其裂隙发育规律。

图3为DS4组煤样微波辐射后的下表面宏观裂隙变化图，图3(a)是以功率0.5 kW的微波辐射1 min后煤柱的下表面；图3(b)是先用功率0.5 kW的微波辐射1 min，然后再用功率1 kW的微波辐射1 min后煤柱的下表面；图3(c)是用功率为0.5,1和1.5 kW的微波各辐射1 min后煤柱的下表面；图3(d)是功率0.5,1,1.5和2 kW的微波各辐射1 min后煤样的下表面形态。

图3 不同微波能量作用后煤体上表面形态Fig.3 Surface morphology of coal under different microwave energy

结果表明：以不同的微波能辐射后，煤样表面形态呈现明显差异，微波循环次数越多，煤样表面裂隙越发育。图3(a)、(b)、(c)、(d)分别是以微波辐射累积能量为30,90,180,300 kJ作用后煤样的表面形态，其中微波辐射能量为30 kJ时，煤样表面裂隙比较少，而随着微波辐射循环次数的增加，煤样表面裂隙越来越丰富，微波辐射能量为300 kJ时，明显发现煤样表面裂隙密度特别高，形成裂隙网络。首次微波辐射后，如图3(a)所示煤样表面出现3条新裂隙，这些裂隙并不是特别明显，当循环微波辐射再次作用后，如图3(b)所示煤样表面之前出现的3条裂隙开度增加，特别是裂隙2和3，同时新生小裂隙出现；当第3次循环微波辐射后，如图3(c)所示煤样表面原有的裂隙深度加深，小裂隙开度增加，这些裂隙逐渐扩展；第4次循环微波作用后，如图3(d)所示煤样表面裂隙密度越来越大，表面新生裂隙与最先出现的3条裂隙连通起来。在微波的持续作用下，可以发现煤样表面的裂隙是以微波发出的30 kJ能量作用后出现的裂隙1，2，3为主干逐渐扩展，并与之后出现的新裂隙连通形成的裂隙网络。

在微波的辐射作用下，煤体内部吸收微波能，从而转化为热能，煤中物质吸热发生膨胀，当热膨胀产生的力超过煤体抗拉强度，煤体发生破坏，产生微小孔裂隙，如图3(a)中的裂隙1，2，3。微波辐射下，煤样水分蒸发从内部涌出，煤样表面会出现脱落现象，如图3(b)所示。微波持续作用煤样，大量水蒸汽蒸发，同时带出煤样内水中溶解的岩类矿物质，涌出到煤体表面，生成的大量热使煤样裂隙出现灼烧痕迹，裂隙加深，如图3(a)、(b)中的裂隙3所示。循环微波作用下，煤样吸热膨胀发生破坏，煤质变得疏松，煤样裂隙处较疏散，如图3(c)、(d)所示。由此可见，微波辐射下，煤体内部吸收微波能有差异，使煤体受热不均匀，形成温度梯度，产生热应力，当热应力超过煤样抗拉强度，煤样被撕裂，导致煤体衍生新裂隙，微波持续作用后，煤样发生热膨胀，在热应力的作用下，裂隙向四周扩展，形成更多的裂隙网络，这反映微波辐射煤层能够达到瓦斯增产的效果。

2.2 微波辐射下煤样的孔隙结构演化特征

图4为不同微波能量辐射下的煤样与原煤的T2谱对比图，可以看出，原煤的T2谱图包含2个相互独立的波峰，位于微孔和中孔段，微孔段较高，中孔段次之，说明原煤中微孔最多，中孔次之，大孔和微裂隙几乎没有。

图4 不同微波能量作用后煤样的T2谱图Fig.4 T2 spectra of coal samples under different microwave energy

如图4所示，不同微波能量辐射后煤样的T2谱图较原煤向右发生偏移，对应着更大的孔隙，说明微波辐射下煤样孔隙发生扩张。

由图4(a)、(b)可知，当以30 kJ的微波能量、循环微波辐射能量累加为90 kJ的能量辐射煤样后，T2谱图向右偏移，微孔段波峰降低，中孔段波峰升高，大孔段波峰基本重合，说明微波辐射下煤体内部孔隙结构发生改变，微小孔减少，中孔增加，煤体吸收微波能转化成热能，内部发生热膨胀使微孔破坏扩大为中孔。30 kJ的微波能量辐射煤体，微孔段振幅由951降低到809，降低14.9%，中孔段振幅由87增加到107，增加23%；循环微波辐射能量累加为90 kJ辐射煤样，微孔段振幅由951降低到752，降低20.9%，中孔段振幅由87增加到142，增加63.2%，说明微波辐射煤体，煤体内部热量累积，辐射能量越多，煤中微波吸收体活跃度越高，煤样内部损伤越严重。当循环微波次数逐渐增加，如图4(c)、(d)所示，与原煤的T2图谱对比，微孔段振幅大幅度降低，中孔段振幅大幅度升高，同时出现大孔及微裂隙，当循环微波辐射能量累加为300 kJ，对比原始煤样的T2谱图，如图4(d)所示，微孔段波峰和中孔段波峰以及大孔及裂隙段波峰都有较大幅度的改变，微孔振幅从951下降到652，中孔段振幅从87上升到348，大孔及微裂隙孔段达到151，说明循环微波辐射煤样，能量累积越多，煤体内部中孔、大孔及微裂隙越发育。

煤具有显著的非均质性，煤中各物质对微波响应程度呈现差异，随着微波辐射能量的累积，煤中水分脱除越来越多，煤体内部失水导致微孔崩塌，研究表明[19,30-32]，煤中硫化物(黄铁矿等)的介电常数较高，微波辐射下，煤中无机硫分解，释放出SO2和H2S气体，在微波的持续作用下，煤中部分硫化物可能以H2S等气体冲蚀微孔，水蒸汽在煤体内部冲蚀。越来越多的微波能量辐射，水分蒸发形成高压蒸气，或者可能是煤中矿物分解的气体冲蚀孔隙，使微孔破坏并扩大或者连通为中孔，中孔扩张，形成大孔及微裂隙。

2.3 微波辐射下煤样内部的裂隙结构演化特征

本实验采用HS-YS4A 型岩石声波参数测试仪，图5(a)、(b)分别为循环微波实验前后的煤样纵波波形、横波波形对比图。由图可知：原煤纵横波波幅比较大，最大波幅差分别为339和94 mV，当以30 kJ的微波辐射后，纵波发生了很大衰减，横波衰减不明显，最大波幅差分别为138和73 mV，说明微波辐射下纵向裂隙得到很好扩展；循环微波辐射煤样的能量累加为90kJ时，最大波幅差变为106和65 mV，与原煤波形相比，纵波发生大幅度衰减，横波衰减不明显，说明循环微波辐射后，纵向裂隙越来越发育，逐渐开始连通，而轴向裂隙发展不明显；随着微波的持续作用，循环微波辐射能量累加为180 kJ时，横波发生很大程度的衰减，表明煤样内部轴向裂隙扩展与增加，其最大波幅差为99和30 mV；循环微波辐射能量累加为300 kJ辐射煤样后，纵横波波形几乎完全衰减，最大振幅差仅为61和16 mV，说明在微波的持续作用下，煤体经历数次热冲击，内部热膨胀、热应力积累，导致煤体内部损伤加剧。

图5 微波辐射前后煤样纵横波波形对比图Fig.5 Comparison of longitudinal and transverse waveforms of coal samples before and after microwave irradiation

由于煤的不均质性，煤体各部位吸收微波能的速度有明显差异，从而产生的热量不同，煤体有明显的高温区和低温区界限，温度差异导致煤体内部发生应变，产生热应力，当热应力大于煤柱抗拉强度，煤样发生损伤破坏，煤体产生微小孔裂隙显著扩展，裂隙密度明显增加，导致波形的快速衰减，可以得出在循环微波作用下，累积的微波能量越高，越有利于煤体内部裂隙的扩展以及新裂隙的出现。

图6为循环微波作用后煤样横波波速和纵波波速图，由图可知，随着循环微波辐射下，能量逐渐累加作用于煤体，煤样的横波波速和纵波波速均发生减少，而且横波波速和纵波波速不是同步变化的，呈现不同的下降梯度，纵波波速在微波辐射能量累积到90 kJ的过程中下降梯度比较大，而横波波速最大下降梯度一直到微波辐射能量梯度累积到180 kJ的过程中，这可能是因为该组实验煤样原生裂隙大多为纵向裂隙，微波辐射下，裂隙首先沿原生裂隙方向扩展，导致纵波波速下降迅速；在微波的持续作用下，煤样内部热量累积，累积的热应力超过煤体轴向的抗拉强度，煤体内部发生损伤，该方向裂隙大量发育，横波波速迅速下降。在循环微波的一直作用下，煤体内部损伤越来越严重，裂隙发育越来越好，原生裂隙扩展与各方向的新生裂隙连通，裂隙逐渐贯通，形成丰富的裂隙网络，从而阻断超声波的传播。