微波辐射作用下煤体热效应的特性分析

林柏泉，刘彦池，曹 轩

（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

煤层瓦斯是煤矿的重大危险灾害源，同时又是一种不可再生能源［1-2］。针对中国煤层具有高压力、强吸附、低渗透等特点，需要瓦斯抽采强化技术提高瓦斯抽采率，当前存在较多技术，如水力压裂［3］、密集钻孔［4］、高压水射流割缝［5］、CO2驱替［6-7］、N2驱替［8］等。众多瓦斯抽采强化技术已经取得广泛的工程应用，但是各个技术的局限性还有待解决，寻找更具普适性的瓦斯抽采强化技术尤为重要。

注热开采已应用于石油、煤炭等能源行业［9-10］，传统的煤层气注热开采方式主要是利用水蒸气驱替，提高煤层气抽采量和抽采速率［11］，或利用水蒸气产生的高温环境导致瓦斯热解吸、固体煤基质破裂，从而提高煤体孔隙率和渗透率［12］。这种注热方式主要是通过对流换热方式，先将热量传递至煤体表面，再通过热传导传递到煤体内部，但热量逐层传递是一个缓慢的过程，且易造成不可避免的热损耗，其效率低，增透效果不明显。

有学者提出利用电磁波产热代替原有的热蒸汽注热，其中微波由于其快速、高效、即时、安全、选择性加热的特点［13］，被广泛应用于煤炭干燥［14］、脱硫［15］、热解［16］等煤炭工业领域中。微波本身并非一种可直接加热物体的热源，在电磁场中的煤体受到微波辐射时，其内富含的极性介质粒子能够吸收微波能量，产生不同的介电响应实现由电磁能向热能的转化，从而引起材料温度的升高，产生的热效应和煤体内部分介质粒子的运动，会促进瓦斯解吸和孔裂隙发育［17］，因而微波加热具有致裂、增透煤体的极大潜力。洪溢都、李贺通过试验及模拟发现微波作用后煤体表面裂纹将逐渐趋于复杂，单一裂隙扩展成具有主裂纹和分支裂纹的裂隙网［18-19］。张永利等设计试验研究煤岩体在微波作用下的渗透特性，发现辐射功率越高，作用时间越长，渗透率越大［20-21］。

微波本身并不能作为热源加热。当吸收体材料置于微波场内时，其自身富含的带电粒子或有磁矩的微观粒子会产生束缚电荷或电位移的介电响应，因而对外显示出极性，从而实现由电磁能向热能的转化，这种现象叫做极化。常见的介电响应有电子极化、原子极化、偶极子极化、界面极化和离子传导［18］：微波频段上交变电场变化周期为10-9～10-12s，与偶极子极化时间部分重复，因而偶极子极化是引起微波热损耗的主要因素，当有水溶液存在时，也要考虑到由带电粒子定向运动而形成的离子传导损耗。除电介质的极化效应外，加热材料的介电性质和加热环境也会影响微波热效应。电介质吸收或转化微波的能力主要取决于介电常数ε［22-23］，反映了介质吸收微波能量的能力。介质吸收一部分的电磁能并将其转化为热能，在此过程中放热功率可通过微波频率和电场强度计算［24-25］。

煤作为一种混合介质，其内含有微波能量吸收体，主要包括水分子与部分矿物质。水分子是一种极强的极性分子，微波辐射时水分子的固有结构会发生正负极分离，产生偶极矩并随电场方向排列，在高频交变电场作用下，水分子极易发生转向运动，分子间的摩擦碰撞将产生大量热量，热量通过传导对流等方式带动附近区域升温［26］。同样地，部分矿物质如黄铁矿、硫酸盐等极性分子在微波辐射下也会产生运动损耗，但由于其介电常数较低，运动不剧烈，短时间内产生的热量不足以使煤体发生较大温差变化。

同时，微波场内的煤样其热量产生和传递方式具有选择性加热、高效快速加热、瞬时性加热、体积性加热等特点，相比于常规加热而言具有一定的优越性。目前将微波技术应用于矿井瓦斯抽采领域的研究仍处于初步探索阶段，因此需要对微波加热机理进行较为深入的研究。煤体煤阶和煤体的含水率是影响微波辐射热效率的因素，为此，文中拟在物理试验的基础上，对比不同煤阶和含水率情况下的微波辐射热效应温度场，阐明微波辐射热效应的主控因素。解释微波辐射作用下，煤体形成热区与冷区的原因，并进一步分析煤体异步性升温的传热机理。研究结果可为开发低透煤层瓦斯高效抽采新技术奠定基础。

1 试验系统及方案设计

1.1 微波加热系统

采用WLD6S型多模谐振腔微波辐射系统，示意如图1所示。

图1 微波辐射系统示意Fig.1 Schematic diagram of microwave radiation system

试验装置主要由6大模块组成：微波发生器、谐振腔、控制系统、注气系统、冷却系统、传输系统。微波发生器产生的微波频率为2 450 MHz，单个微波源最大功率为3 kW，可连续稳定地产生电磁波，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。采用驻波场谐振腔试验平台，内壁尺寸为630 mm×650 mm×660 mm，其内置称重和热电偶测温功能，可实现实时记录煤体重量及测温点温度。

1.2 试验煤样选择与制备

选用3种不同变质程度的煤样，分别取自陕西神木煤矿的褐煤（HM）、河南平顶山八矿的烟煤（YM）和山西阳泉煤田的无烟煤（WYM）。

采用沿层理切割打磨后直径为50 mm，高度为100 mm的圆形煤柱，为了实际测量煤样内部温度，在试验的圆柱煤样上表面钻孔，孔直径为3～5 mm，孔深为50 mm。煤样制备过程如图2所示。

图2 煤样制备过程Fig.2 Preparation process of coal samples

上述煤样的工业分析、元素分析及镜质组反射率测试结果见表1。

表1 煤样的基础参数Table 1 Basic parameters of coal samples

1.3 试验方案设计

首先对不同条件下的煤样进行微波加热效果考察，采用红外测温仪和热成像仪进行不同位置的测温。然后对煤样内外温度变化情况及裂隙发育特征进行记录。整个试验步骤及主要设备如图3所示。

图3 试验测量设施Fig.3 Experimental measurement facilities

1）采用真空干燥箱干燥煤样，测定干燥煤样的质量。然后放置煤样至真空饱水机内，饱水不同时间获得不同含水率的煤样。在该过程中，通过控制加水量和加水速度，避免过量或过快的加水导致煤样含水率的不均匀。饱水结束后，将煤样快速取出并用吸水纸擦干净表面的水分，并用合适的微波功率加热煤样，在试验过程中对煤样进行称重，称重设备内置于测室内。

2）在试验过程中需对煤体的内部和表面进行测温。内部测点位于煤样内部中心，采用热电偶进行单点测温，用于代表煤样内平均温度，外表面通过打开腔门采用手持红外测温仪和热成像仪快速对煤样进行测温，每次随机在上、下表面、侧面等位置选取3个温度取平均值代表外表面温度。热像仪和红外测温仪是对物体表面的红外辐射进行探测，并将红外辐射的能量转化为温度数据。红外测温仪可显示煤体上特定单点的测温值。热像仪可测量煤体图像中每个像素的温度读数，清晰直观反应温度场；文中将红外热成像仪识别红外辐射信号相对高的局部区域称为热区，将信号相对低的区域称为冷区。温度测试整个过程未移动测试煤样，仅在测定表面温度时开启腔门，空气的导热系数较小，外界空气对红外线测温及成像的结果影响可忽略不计。

3）重复上述步骤，继续对试验样品进行微波加热、称重、测温、采集图像等一系列操作，直至达到指定上限温度或煤样严重破裂。

2 试验结果及讨论

2.1 微波辐射下不同煤阶的升温规律

对3种不同煤阶煤样分别进行内外温度的测量。在微波功率为2 kW，频率为2 450 Hz的工况下对煤样进行循环持续性加热，每5 s记录一次测温点温度值，结果如图4所示。

从图4可以看出，不同煤阶煤样的升温曲线较为平滑，而温差曲线有较大波动，但二者均呈现出阶段性上升的变化规律。整个试验过程中煤样加热升温处于脱水阶段（97～200℃），说明影响煤样升温的主要因素为水分子运动损耗产热、蒸发散热、热传导与对流换热。根据温升速率的变化可将加热过程分为3个阶段：预热期、持续作用期、加速升温期。

在预热阶段（约0～60 s），样品的温度迅速升高，此时煤样含水率高，意味着可以吸收大量的微波能，所产生的热量在60 s内使样品温度迅速升到90～100℃，同时产生WYM样品的升温速率高于HM和YM的现象。在此阶段内从3种煤样的内外温差曲线也可以看出，WYM的温差最大，在50 s时内外温差值为32℃，而HM与YM温差值仅为10℃。这是由于WYM结构紧密，水分产生的热量积聚，导致煤样内部温度快速升高。而HM与YM的孔裂隙结构较为发育，水分子吸收微波产热的同时，结构的连通有利于水分受热形成的水蒸气运移至煤体表面。这将导致煤体内部传热能力增强，使热量更快速地传至环境中。所以尽管微波辐射下煤样为体积性不均匀加热，但HM与YM在初始阶段其温度场趋于均匀分布的现象。

在持续作用期样品内部温度已基本超过100℃，水分子随微波变频运动损耗产热仍在继续，故温度仍在上升，但由于水分大量蒸发，产生的高温蒸汽在温差作用下不断向外部扩散，导致温升速率相比于第1阶段有所下降，但同时向外传导的热量也缩小了样品的内外温差。当在100 s时HM的内外温差又缓慢上升，同样地YM与WYM也在120 s和100 s时出现类似的上升情况，这是随着微波加热的进行，煤样内的水分不断蒸发，特别是自由水的含量大幅减少，导致一定时刻内蒸发趋于停滞，蒸发耗散热量也不断减少甚至趋于零值，反映出微波辐射下水分蒸发是影响煤体内外温度演化与温差分布的重要因素。

当处于加速升温阶段，煤体升温速率增大，热源主要来源于煤体孔隙内的结合水运动损耗产热，结合水含量丰富导致内部温度迅速稳定升高。对于煤样表面而言，热量主要是由水分蒸发散热与热传导而来，在此时间段内3种样品的表面温度均已达到100℃，故煤体表面与周围空气的对流换热也是影响升温的因素之一。从图4可以看出，煤体温度不断升高，说明水分子产热作用大于热传导与对流换热的散热作用，热量不断积累，内外温差也随之增大，反映出冷热区温度变化的差异，体现微波辐射下煤体升温的异步性。同时在第3阶段的初期，样品内外温差曲线均存在一定程度的波动甚至下降，这是由于部分水分在气压驱动下以液态水的形式迁移运动至煤样表面，物质及结构的变化导致部分区域温升减缓。

图4 微波辐射下煤样升温规律Fig.4 Heating law of coal samples under microwave radiation

2.2 微波辐射下不同含水率煤样的升温规律

为获取煤样内部水分含量的变化，采用谐振腔内的称重功能，对不同辐射时间样品的质量进行记录。结合完全干燥样品的质量，采用称重法理论计算样品含水率。样品含水率计算见式（1）

式中 M为某一时刻的含水率；Wt为某一时刻样品的质量，kg；Wd为完全干燥后样品的质量，kg。

为阐述不同含水率对煤样加热过程的影响，首先对HM煤样的试验进行分析，如图5所示，在预热阶段样品含水率均呈现微弱下降趋势，不同的是含水率越高，曲线出现转折的时间越短，但对比该阶段的温升速率发现，并非含水率越高升温速率越快。体现在初始含水率为15.37%和11.46%的煤样升温速率大于25.28%的样品，这是由于微波辐射下水分充分受热蒸发的结果，初始含水率为25.28%的煤样短时间内在相同的功率条件下微波能稳定，水分子吸收微波能产生的热量不足以使大量水分子状态发生改变，水分子运动产热不充分，而含水率为15.37%和11.46%的样品相比更容易使其大部分水分子随微波运动损耗，产热效果更佳，因而温升速率快。对于初始含水率为3.41%的样品，由于水分含量少，不存在微波辐射下水分子过余而无法产热的情况，因此温度上升相对缓慢。

图5 不同初始含水率煤样的水分变化及温升规律Fig.5 Moisture change and temperature rising law of coal samples with different initial moisture content

当进入第2阶段后，样品含水率越高，水分下降速率越大，温升速率也越大，在此阶段内随着水分子持续不断的运动产热，热量快速积累传递，水分蒸发散热与热传导等方式提升了整个煤体内的温度，使温度呈线性增长，而在部分时间段内温度微小波动上升，原因在于煤体本身的非均质性与试验过程中温度测量的偏差，整体而言水分对煤样温升曲线有显著影响。

另一方面，水分的大量蒸发也导致水分含量的快速减少，当微波加热150 s时煤样最低脱水效率也已达到32.01%，水蒸气的运动促使煤体内形成较大的气压梯度与温度梯度，热效应使煤体的温度演化更加剧烈。随着煤中水分的大量脱除，含水率呈现出线性下降的变化特征，反映出此时煤体内水分蒸发运动仍以一个相对恒定的速率进行，同时温度也保持稳定增长的变化趋势。

通过对比其余2种煤样的水分变化和升温过程，发现出现了相似的规律。如图6所示，水分下降与温度上升的阶段相互对应，从而证明水分蒸发是影响煤体升温过程及热效应的重要因素，微波辐射下煤体升温过程呈现“快—慢—快”的变化特征，这与水分含量的阶段性变化息息相关。煤体水分分布的不均匀性导致温度变化也呈现异步性，同时蒸发形成的气压梯度与温度梯度极易形成压差，在压差作用下流体发生相对流动，热流体作用极可能造成煤体损伤变形［27-28］。

图6 微波辐射下不同煤样的水分变化及温升规律Fig.6 Moisture change and temperature rising law of different coal samples under microwave radiation

2.3 微波辐射下煤体的热效应

在分析研究煤体在微波场内的热传导特性时，考虑到选择性与体积性加热的特点，需对煤体温度场及温度梯度的演化规律做出阐述。考虑到煤中热传导、对流换热等方式将热量向四周传递，因此借助红外热成像仪进行温度场表征，如图7所示，通过煤体表面温度分布来展现微波加热过程中不同煤阶煤样的温度演化规律，并通过统一的温度图例将最低、最高温度显示出来。

从图7可以看出，微波加热过程中煤体普遍存在冷热分区，对于HM而言在微波加热初期整体受热较为均匀，这是由于HM中水分含量高、分布广，受热面积大，而在煤体中心区域出现竖直的高温带，此时最高温度达到65.8℃，最低温度仅为20.9℃；当微波辐射90 s后，煤样右侧区域温度上升减缓，这是由于在持续微波作用下该表面区域温度已达100℃，水分蒸发减少导致热源损失。而左侧区域与高温带则迅速扩展延伸，反映出煤体内水分损耗产热与热传导的加剧，温差形成的对流换热也导致热区逐步向上发育。120～150 s时间段内，在煤体内部水分蒸发散热等热量传递过程中，煤体右侧区域温度随之快速上升，但整体热区逐步停止扩展。与此同时，包括高温带与温区、冷热区间的温差均进一步增大。高温带处也出现明显的垂直裂隙发育，反映出温度梯度的存在会促使煤体结构发生损伤，温差对煤体有明显的致裂效果。当到达180 s时，热区反而缩小并逐渐向煤体两侧移动，一方面是由于热源的减少导致温升减缓，另一方面也反映出热传导能够均化温度场。此外，原本的高温带随着裂隙的发育扩展，热量快速散失，温度梯度也逐渐减小甚至消失。

图7 微波加热过程中煤体红外热成像Fig.7 Infrared thermal image of coal during microwave heating

对于YM而言，温度梯度主要存在于煤样水平方向，这取决于煤体内水分的分布，但普遍的现象是冷热区交界处温度梯度最大，在该位置处也有新的裂隙产生。说明冷热区交界处，特别是图7中所示的高温带区域极大可能是热应力集中区和裂隙衍生区。在微波加热过程中，初始阶段烟煤底部升温迅速；90～120 s时间段底部的热区逐渐延伸，原本升温幅度小的顶部也出现热区，这是内部的水分蒸发向外运动和热传导共同作用的结果；随着加热时间的延长，热量在温差作用下向冷区传递扩散，导致烟煤表面的冷区逐渐减小、温度快速上升，最后表面温度分布较为均匀，也体现出热传导与煤样内部的对流换热使温度趋向于均匀化分布。WYM与上述2种煤样相同的特征在于：微波辐射下煤样热区均是从底部开始扩展延伸，这与微波场底部为高能域的特点关联较强。不同的是WYM冷热分区更明显。由于WYM物质结构相对紧密，蒸发散热与热传递效果不显著，同时煤体内水分含量少、分布不均匀，因而在整个微波加热过程中始终存在明显的冷区，在180 s时最低温度也仅为32.7℃；在热区内温度梯度随微波加热的进行而逐渐增强，区域性受热升温特征显著。

在直观了解煤样表面温度分布的基础上，需对煤样不同位置处的温度进行测量并定量分析，选取煤样上下表面、冷热区、裂隙处等位置的温度来展现微波辐射下煤体升温的特点。图8为微波加热过程中不同煤阶煤样的不同位置处的升温情况。从图8可以看出微波辐射下煤体脱水期的升温过程根据其升温速率的大小变化大体分为3段式变化，表明煤体升温的阶段性，同时不同位置处温度曲线的差异也反映煤体升温的异步性。

图8 微波加热过程中煤体不同位置处的升温曲线Fig.8 Temperature rise curves at different positions of coal during microwave heating

首先，煤体上下表面的温度曲线显示出，下表面温度始终高于上表面温度，这是由于试验环境下微波电场自身的场强及能域分布特点所决定的，煤体下表面处于微波波动密集处，更容易吸收微波能并转化为热能，导致温度上升迅速。但不同的是3种煤样上下表面的温度差值有明显区别，HM由于其水分含量高、结构较为连通松散，有利于热量的产生及传导，故上下表面温度差最小，结合图8的温度分布也可以看出HM整体受热效果好，温度演化较为平缓。而YM该位置处的温差呈现“升—降—升”的变化趋势，这与煤体内外温差的变化极为相似，体现微波体积性加热的特点，反映水分的变化与热传导的过程。水分的蒸发散热运动及含量的减少导致温度的波动上升，热量的传递影响上下表面间的温差。对于WYM而言，下表面的升温速率远高于上表面，温差逐步升高，因而温度梯度较大，但上下表面间热传导缓慢。

煤体冷热区与上下表面的温度演化规律相似，冷热区的形成是由煤体内部水分含量决定的，水分含量高意味着可吸收更多的微波能，水分子运动损耗产热也更剧烈；而冷热区间的温度梯度与蒸发散热、热传导对流能力及煤样固有结构等有关，水分大量蒸发有利于热量向裂隙末端及裂隙边缘积聚，可形成更高的温度梯度，极大地促进裂隙的扩张和发育，而热量的传递可促使煤体温度加速升高，煤体松散多孔的结构有助于高温的扩散，使煤体受热作用面更广。另外，通过对比煤体的裂隙温度与热区温度，发现在初始阶段二者近似相等，这是因为在此时间段虽温度逐渐上升，但仍属于热量累积阶段，形成的温度梯度及热应力不足以撕裂煤体形成新裂隙；在60～120 s时，裂隙逐渐形成发育，此时裂隙附近温度高、升温快、温度梯度大，但热量会随着裂隙的扩张延伸而散失，裂隙处热量损失的速率高于热区对流换热速率，因而在后2个阶段裂隙温度低于热区温度，但温度梯度仍在逐步增大。

综上所述，微波辐射后，煤体内不同组分具有微波吸收异质性，在冷热区交界处煤体温度梯度大，产生热应力，热应力撕裂原生裂隙并催生出新裂隙［29］。热区与冷区的形成主要是取决于煤体内水等极性分子的含量和分布，同时，伴随着蒸发散热与热传导、对流换热等热量传递方式，煤体表面的温度场趋于均匀分布，但水分损耗产热效果始终强于热传导，因而即使热区逐渐扩散延伸，但煤样整体仍呈现出异步性加热、不均匀受热的特点。

3 结 论

1）在微波辐射脱水期（温度范围为97～200℃）内，不同煤阶的煤样根据温升速率的变化均可将加热过程分为3个阶段：预热期、持续作用期、加速升温期。脱水期温度变化的主控因素为运动损耗、蒸发散热以及煤体的热传导性能。

2）在煤样加热过程中水分含量的变化呈现出“慢—快—慢”的规律，水分的变化与煤体升温过程相互对应，反映出水分是影响煤体热效应的主要因素。

3）微波辐射下煤体热区与冷区的形成主要取决于煤体内水等极性分子的含量和分布，而温度梯度主要存在于冷热区交界处，它与蒸发散热、热传导对流能力及煤样固有结构等有关。水分大量蒸发有利于热量向裂隙末端及裂隙边缘积聚，可形成更高的温度梯度，而热量的传递可促使附近温度加速升高，煤体受热破裂后裂隙内产生对流换热增加煤体传热能力，使煤体受热作用面更广，温度场更均匀。