循環(huán)微波輻射下煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)演化特征

林柏泉，鐘玉婷，曹 軒，劉 統(tǒng)，王一涵

(1.中國礦業(yè)大學 煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

瓦斯是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，煤層瓦斯抽采不僅能夠預防煤層瓦斯災害，而且可以使抽出的瓦斯變害為利，減少溫室氣體排放[1]。雖然我國煤層中儲存有豐富的瓦斯，但由于煤層埋藏深、地應力大、透氣性差等因素，導致瓦斯抽采困難，抽采率低[2-3]。為了提高瓦斯抽采率，我國采取了許多技術(shù)手段來增加煤層透氣性?，F(xiàn)在普遍使用的是水力割縫[4]、水力壓裂[5]等，這些技術(shù)手段雖然在一定程度上能夠增加煤層瓦斯抽采量，但是也存在局限性，導致瓦斯抽采量難以滿足煤礦生產(chǎn)，煤層中的瓦斯未得到合理高效的利用。因此，亟需探索其他適用性更好的增透技術(shù)，來提高煤層瓦斯抽采效率[6-7]。

近年來，國內(nèi)外學者探索出一些新的技術(shù)手段，如液氮壓裂[8-9]，電爆震爆破[10-12]，超臨界CO2增透[13-14]，這些技術(shù)的開發(fā)雖已處在實驗階段或小型工程試驗階段，但存在一定的應用局限。也有學者提出微波注熱增產(chǎn)的理論技術(shù)。微波的熱效率高，能夠促進瓦斯解吸、增透并且解除煤層水鎖效應，從而實現(xiàn)瓦斯的高效抽采[15]。關(guān)于微波輻射對煤體結(jié)構(gòu)的影響，學者們開展了一系列研究。洪溢都研究分析了不同影響因素下煤樣的溫升規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著微波功率的增大，無論哪種粒徑的煤樣，其溫升速率均變快[16]；胡國忠等對微波輻射下不同含水率煤體孔滲特性及表面裂隙的演化規(guī)律進行研究，煤樣含水飽和度的增加，微波輻射后煤樣內(nèi)孔裂隙數(shù)量、連通性等均呈現(xiàn)出“小幅減小-急劇減小-輕微增加”的趨勢，原生裂隙擴展[17]；SONG等發(fā)現(xiàn)在微波作用下，水分受熱蒸發(fā)產(chǎn)生水蒸氣壓，使煤體內(nèi)液態(tài)水發(fā)生遷移[18]；李賀發(fā)現(xiàn)在微波輻射下，煤孔隙中的水分被加熱并快速轉(zhuǎn)化為熱蒸氣，在蒸氣壓力下，孔隙和裂隙普遍膨脹，最終改善煤體透氣性[19]；代少華、胡國忠等研究發(fā)現(xiàn)微波輻射可降低煤體吸附甲烷的能力，提高瓦斯解吸與擴散能力[20-21]。

當微波輻射煤樣時，煤樣中對電場有感應的極性分子，隨著電磁場的方向來回轉(zhuǎn)動，在高頻率擺動下相互摩擦，產(chǎn)生熱量[16]。這些熱會使煤體發(fā)生熱膨脹，內(nèi)部發(fā)生損傷；同時由于煤體內(nèi)部極性分子的不均勻分布，煤體各部位對微波能的吸收率不同，從而在煤體內(nèi)部形成溫度梯度，煤體內(nèi)部產(chǎn)生的熱應力撕裂煤體；微波持續(xù)作用，煤中水分子吸熱蒸發(fā)，在形成蒸氣時也會產(chǎn)生不同的應力作用于煤體[17]。微波作用產(chǎn)生的這些影響不僅使煤體孔裂隙發(fā)生變化，而且對促進瓦斯解吸流動也會有所幫助，從而提高煤層透氣性，為高效抽采煤層瓦斯創(chuàng)造條件[19,22]。

目前，已有研究文獻大多聚焦于單一微波功率輻射后煤體的孔裂隙的變化，對微波循環(huán)作用，熱量持續(xù)累積導致煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)演化的研究較少涉及。為此文中設(shè)計循環(huán)微波輻射煤體實驗，擬探討微波輻射前后煤體表面裂隙及內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)演化特征，以期對微波注熱煤層瓦斯增透技術(shù)開發(fā)提供研究基礎(chǔ)。

1 實驗方法

1.1 實驗樣品

本次實驗煤樣為取自內(nèi)蒙古東勝煤礦的褐煤，煤樣的工業(yè)分析參數(shù)見表1，實驗利用巖石取芯機制成直徑50 mm，長度50 mm的煤柱。

表1 煤樣工業(yè)分析Table 1 Proximate analysis of coal samples

1.2 實驗裝置及測試方法

1.2.1 實驗裝置

該實驗采用南京三樂微波有限公司設(shè)計生產(chǎn)的多模諧振微波輻射系統(tǒng)，主要由微波源、諧振腔、控制臺、水塔等組成，如圖1所示，每個微波源的功率可調(diào)節(jié)，微波頻率為2 450 MHz。通過控制臺調(diào)控微波源發(fā)出的功率和作用時間，微波傳輸?shù)街C振腔作用于煤體，操作方便，可實現(xiàn)多功率調(diào)節(jié)。

圖1 微波實驗系統(tǒng)Fig.1 Microwave experimental system

1.2.2 實驗測試方法

核磁共振是一種無損檢測技術(shù)，能夠測試煤樣的全范圍孔隙。核磁共振法測定孔徑分布是根據(jù)核磁共振橫向弛豫時間T2譜來反映煤樣孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即

(1)

式中T2為橫向弛豫時間，ms；T2B為自由弛豫時間，ms；T2S為表面馳豫時間，ms；T2D為擴散馳豫時間，ms；ρ2為橫向表面弛豫率，m/s；S/V為孔的表面積與體積之比；D為流體的擴散系數(shù)，m2/s；γ為質(zhì)子的旋磁比，MHz/T；G為磁場強度，T/m；TE為回波間隔，s。

自由馳豫時間和擴散馳豫時間可以忽略，上式可簡化

(2)

將煤孔隙簡化為球狀或柱狀，(2)式可寫為

(3)

式中FS為幾何形狀因子；r為孔隙半徑，nm。

研究表明，核磁共振T2譜 中，可將煤體孔隙結(jié)構(gòu)劃分為微孔(<10 ms)，中孔(10～100 ms)，大孔及微裂隙(>100 ms)[22-25]。

利用超聲波在煤體的傳播特性可以間接反映煤體內(nèi)部裂隙的發(fā)育情況，裂隙可以阻斷超聲波的傳播[26]，裂隙數(shù)量越多，接受的超聲波信號越強，透射和散射的超聲波信號會減少，從而波形就會衰減[27]。根據(jù)縱波和橫波的特性，通過縱波波速和橫波波速的衰減來反映煤體內(nèi)部裂隙發(fā)育情況，縱波波速的衰減反映了煤樣徑向裂隙的發(fā)育情況，橫波波速的衰減反映了煤樣軸向裂隙的發(fā)育情況，超聲波波速可以表示為[28-29]

(4)

式中υ為超聲波波速，m/s；L為煤樣長度，m；t0為聲波發(fā)射時刻，s；t1為聲波接收時刻，s；本次實驗同時可測量出橫縱波波速。

1.3 實驗方案及步驟

主要實驗流程如圖2所示。

圖2 實驗流程Fig.2 Experimental process

1)4組煤樣分別標記為DS1，DS2，DS3，DS4。微波輻射實驗前，對煤樣進行NMR測試，在進行NMR測試前要把煤樣在真空箱里干燥6 h，然后在真空飽水機進行飽水8 h，使煤樣達到100%飽水狀態(tài)。

2)實驗前先采用適量凡士林使超聲波換能器與煤樣耦合，然后對煤樣進行超聲波測試，之后再將煤樣放入諧振腔進行微波實驗，實驗過程中微波輻射功率、輻射時間和輻射次數(shù)見表2。

表2 實驗方案Table 2 Experimental program

3)每次微波輻射實驗后，都要采用高清相機拍攝煤柱表面裂隙形態(tài)變化，之后對煤樣進行超聲波測試，最后所有實驗完成后對每組煤樣進行核磁共振儀測試。

2 實驗結(jié)果及討論

DS1組煤樣微波以0.5 kW的功率輻射1 min，微波輻射煤樣的能量為30 kJ；DS2組煤樣微波以0.5 kW的功率輻射1 min后，對實驗煤柱進行拍攝以及超聲波測試后，再以1 kW的功率輻射1 min，微波輻射煤樣的累積能量為90 kJ；DS3組煤樣重復DS2組煤樣實驗步驟，之后再以1.5 kW的功率輻射1 min，微波輻射煤樣的累積能量為180 kJ；DS4組煤樣重復DS3組煤樣實驗步驟，之后再以2 kW的功率輻射1 min，微波輻射煤樣的累積能量為300 kJ。

2.1 微波輻射后煤樣的表面裂隙結(jié)構(gòu)演化特征

實驗過程中，通過高清相機記錄獲得了不同微波能量輻射后煤體的下表面裂隙，對其進行素描，以便更清楚地展示其裂隙發(fā)育規(guī)律。

圖3為DS4組煤樣微波輻射后的下表面宏觀裂隙變化圖，圖3(a)是以功率0.5 kW的微波輻射1 min后煤柱的下表面；圖3(b)是先用功率0.5 kW的微波輻射1 min，然后再用功率1 kW的微波輻射1 min后煤柱的下表面；圖3(c)是用功率為0.5,1和1.5 kW的微波各輻射1 min后煤柱的下表面；圖3(d)是功率0.5,1,1.5和2 kW的微波各輻射1 min后煤樣的下表面形態(tài)。

圖3 不同微波能量作用后煤體上表面形態(tài)Fig.3 Surface morphology of coal under different microwave energy

結(jié)果表明：以不同的微波能輻射后，煤樣表面形態(tài)呈現(xiàn)明顯差異，微波循環(huán)次數(shù)越多，煤樣表面裂隙越發(fā)育。圖3(a)、(b)、(c)、(d)分別是以微波輻射累積能量為30,90,180,300 kJ作用后煤樣的表面形態(tài)，其中微波輻射能量為30 kJ時，煤樣表面裂隙比較少，而隨著微波輻射循環(huán)次數(shù)的增加，煤樣表面裂隙越來越豐富，微波輻射能量為300 kJ時，明顯發(fā)現(xiàn)煤樣表面裂隙密度特別高，形成裂隙網(wǎng)絡(luò)。首次微波輻射后，如圖3(a)所示煤樣表面出現(xiàn)3條新裂隙，這些裂隙并不是特別明顯，當循環(huán)微波輻射再次作用后，如圖3(b)所示煤樣表面之前出現(xiàn)的3條裂隙開度增加，特別是裂隙2和3，同時新生小裂隙出現(xiàn)；當?shù)?次循環(huán)微波輻射后，如圖3(c)所示煤樣表面原有的裂隙深度加深，小裂隙開度增加，這些裂隙逐漸擴展；第4次循環(huán)微波作用后，如圖3(d)所示煤樣表面裂隙密度越來越大，表面新生裂隙與最先出現(xiàn)的3條裂隙連通起來。在微波的持續(xù)作用下，可以發(fā)現(xiàn)煤樣表面的裂隙是以微波發(fā)出的30 kJ能量作用后出現(xiàn)的裂隙1，2，3為主干逐漸擴展，并與之后出現(xiàn)的新裂隙連通形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)。

在微波的輻射作用下，煤體內(nèi)部吸收微波能，從而轉(zhuǎn)化為熱能，煤中物質(zhì)吸熱發(fā)生膨脹，當熱膨脹產(chǎn)生的力超過煤體抗拉強度，煤體發(fā)生破壞，產(chǎn)生微小孔裂隙，如圖3(a)中的裂隙1，2，3。微波輻射下，煤樣水分蒸發(fā)從內(nèi)部涌出，煤樣表面會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，如圖3(b)所示。微波持續(xù)作用煤樣，大量水蒸汽蒸發(fā)，同時帶出煤樣內(nèi)水中溶解的巖類礦物質(zhì)，涌出到煤體表面，生成的大量熱使煤樣裂隙出現(xiàn)灼燒痕跡，裂隙加深，如圖3(a)、(b)中的裂隙3所示。循環(huán)微波作用下，煤樣吸熱膨脹發(fā)生破壞，煤質(zhì)變得疏松，煤樣裂隙處較疏散，如圖3(c)、(d)所示。由此可見，微波輻射下，煤體內(nèi)部吸收微波能有差異，使煤體受熱不均勻，形成溫度梯度，產(chǎn)生熱應力，當熱應力超過煤樣抗拉強度，煤樣被撕裂，導致煤體衍生新裂隙，微波持續(xù)作用后，煤樣發(fā)生熱膨脹，在熱應力的作用下，裂隙向四周擴展，形成更多的裂隙網(wǎng)絡(luò)，這反映微波輻射煤層能夠達到瓦斯增產(chǎn)的效果。

2.2 微波輻射下煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)演化特征

圖4為不同微波能量輻射下的煤樣與原煤的T2譜對比圖，可以看出，原煤的T2譜圖包含2個相互獨立的波峰，位于微孔和中孔段，微孔段較高，中孔段次之，說明原煤中微孔最多，中孔次之，大孔和微裂隙幾乎沒有。

圖4 不同微波能量作用后煤樣的T2譜圖Fig.4 T2 spectra of coal samples under different microwave energy

如圖4所示，不同微波能量輻射后煤樣的T2譜圖較原煤向右發(fā)生偏移，對應著更大的孔隙，說明微波輻射下煤樣孔隙發(fā)生擴張。

由圖4(a)、(b)可知，當以30 kJ的微波能量、循環(huán)微波輻射能量累加為90 kJ的能量輻射煤樣后，T2譜圖向右偏移，微孔段波峰降低，中孔段波峰升高，大孔段波峰基本重合，說明微波輻射下煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，微小孔減少，中孔增加，煤體吸收微波能轉(zhuǎn)化成熱能，內(nèi)部發(fā)生熱膨脹使微孔破壞擴大為中孔。30 kJ的微波能量輻射煤體，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%；循環(huán)微波輻射能量累加為90 kJ輻射煤樣，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%，說明微波輻射煤體，煤體內(nèi)部熱量累積，輻射能量越多，煤中微波吸收體活躍度越高，煤樣內(nèi)部損傷越嚴重。當循環(huán)微波次數(shù)逐漸增加，如圖4(c)、(d)所示，與原煤的T2圖譜對比，微孔段振幅大幅度降低，中孔段振幅大幅度升高，同時出現(xiàn)大孔及微裂隙，當循環(huán)微波輻射能量累加為300 kJ，對比原始煤樣的T2譜圖，如圖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較大幅度的改變，微孔振幅從951下降到652，中孔段振幅從87上升到348，大孔及微裂隙孔段達到151，說明循環(huán)微波輻射煤樣，能量累積越多，煤體內(nèi)部中孔、大孔及微裂隙越發(fā)育。

煤具有顯著的非均質(zhì)性，煤中各物質(zhì)對微波響應程度呈現(xiàn)差異，隨著微波輻射能量的累積，煤中水分脫除越來越多，煤體內(nèi)部失水導致微孔崩塌，研究表明[19,30-32]，煤中硫化物(黃鐵礦等)的介電常數(shù)較高，微波輻射下，煤中無機硫分解，釋放出SO2和H2S氣體，在微波的持續(xù)作用下，煤中部分硫化物可能以H2S等氣體沖蝕微孔，水蒸汽在煤體內(nèi)部沖蝕。越來越多的微波能量輻射，水分蒸發(fā)形成高壓蒸氣，或者可能是煤中礦物分解的氣體沖蝕孔隙，使微孔破壞并擴大或者連通為中孔，中孔擴張，形成大孔及微裂隙。

2.3 微波輻射下煤樣內(nèi)部的裂隙結(jié)構(gòu)演化特征

本實驗采用HS-YS4A 型巖石聲波參數(shù)測試儀，圖5(a)、(b)分別為循環(huán)微波實驗前后的煤樣縱波波形、橫波波形對比圖。由圖可知：原煤縱橫波波幅比較大，最大波幅差分別為339和94 mV，當以30 kJ的微波輻射后，縱波發(fā)生了很大衰減，橫波衰減不明顯，最大波幅差分別為138和73 mV，說明微波輻射下縱向裂隙得到很好擴展；循環(huán)微波輻射煤樣的能量累加為90kJ時，最大波幅差變?yōu)?06和65 mV，與原煤波形相比，縱波發(fā)生大幅度衰減，橫波衰減不明顯，說明循環(huán)微波輻射后，縱向裂隙越來越發(fā)育，逐漸開始連通，而軸向裂隙發(fā)展不明顯；隨著微波的持續(xù)作用，循環(huán)微波輻射能量累加為180 kJ時，橫波發(fā)生很大程度的衰減，表明煤樣內(nèi)部軸向裂隙擴展與增加，其最大波幅差為99和30 mV；循環(huán)微波輻射能量累加為300 kJ輻射煤樣后，縱橫波波形幾乎完全衰減，最大振幅差僅為61和16 mV，說明在微波的持續(xù)作用下，煤體經(jīng)歷數(shù)次熱沖擊，內(nèi)部熱膨脹、熱應力積累，導致煤體內(nèi)部損傷加劇。

圖5 微波輻射前后煤樣縱橫波波形對比圖Fig.5 Comparison of longitudinal and transverse waveforms of coal samples before and after microwave irradiation

由于煤的不均質(zhì)性，煤體各部位吸收微波能的速度有明顯差異，從而產(chǎn)生的熱量不同，煤體有明顯的高溫區(qū)和低溫區(qū)界限，溫度差異導致煤體內(nèi)部發(fā)生應變，產(chǎn)生熱應力，當熱應力大于煤柱抗拉強度，煤樣發(fā)生損傷破壞，煤體產(chǎn)生微小孔裂隙顯著擴展，裂隙密度明顯增加，導致波形的快速衰減，可以得出在循環(huán)微波作用下，累積的微波能量越高，越有利于煤體內(nèi)部裂隙的擴展以及新裂隙的出現(xiàn)。

圖6為循環(huán)微波作用后煤樣橫波波速和縱波波速圖，由圖可知，隨著循環(huán)微波輻射下，能量逐漸累加作用于煤體，煤樣的橫波波速和縱波波速均發(fā)生減少，而且橫波波速和縱波波速不是同步變化的，呈現(xiàn)不同的下降梯度，縱波波速在微波輻射能量累積到90 kJ的過程中下降梯度比較大，而橫波波速最大下降梯度一直到微波輻射能量梯度累積到180 kJ的過程中，這可能是因為該組實驗煤樣原生裂隙大多為縱向裂隙，微波輻射下，裂隙首先沿原生裂隙方向擴展，導致縱波波速下降迅速；在微波的持續(xù)作用下，煤樣內(nèi)部熱量累積，累積的熱應力超過煤體軸向的抗拉強度，煤體內(nèi)部發(fā)生損傷，該方向裂隙大量發(fā)育，橫波波速迅速下降。在循環(huán)微波的一直作用下，煤體內(nèi)部損傷越來越嚴重，裂隙發(fā)育越來越好，原生裂隙擴展與各方向的新生裂隙連通，裂隙逐漸貫通，形成豐富的裂隙網(wǎng)絡(luò)，從而阻斷超聲波的傳播。

圖6 循環(huán)微波作用后煤樣波速圖Fig.6 Wave velocity diagram of coal samples under cyclic microwave

3 結(jié) 論

1)與單次微波輻射煤樣相比，多次循環(huán)微波作用，煤樣表面裂隙越來越多，裂隙逐漸向四周擴展，形成豐富的裂隙網(wǎng)絡(luò)。

2)當微波輻射煤樣，煤體的中孔數(shù)量增加，當多次微波輻射(能量累積為180,300 kJ)能顯著改造孔的類型，中孔、大孔及孔裂隙顯著增加，因此循環(huán)微波作用煤體，循環(huán)次數(shù)越多，累積能量越高，越有助于煤體內(nèi)部孔隙擴張。

3)微波輻射下，煤樣吸熱膨脹發(fā)生破壞，循環(huán)微波持續(xù)作用后，蒸氣壓沖蝕孔裂隙，使裂隙開度變大。累積微波能量達到90 kJ過程中大裂隙逐漸開始發(fā)育，累積微波能量達到300 kJ，更有利于裂隙的相互貫通，煤體內(nèi)部各個方向的裂隙充分發(fā)育，形成更加豐富的裂隙網(wǎng)絡(luò)，從而有利于高效抽采瓦斯。