微波輻照作用對顆粒煤瓦斯解吸特性影響實驗研究*

于　紅，崔學鋒，張瑞林

(1. 河南工程學院 安全工程學院，河南 鄭州 451191 ；2.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003)

0　引言

煤礦瓦斯是古代植物成煤作用過程中伴生的以甲烷為主的氣體地質體[1-2]，以吸附態、游離態和溶解態賦存于煤層及圍巖中[3-5]。通過瓦斯抽采降低煤層瓦斯壓力和含量，是減小甚至消除各種瓦斯潛在威脅的有效技術措施[6-7]，然而據初步統計，我國本煤層平均瓦斯抽采率卻不足10%，其主要原因是原生結構煤在構造應力作用下發生變形、流變、變質作用，松軟構造煤普遍發育，其透氣性系數只有10-3～10-4mD[8]，瓦斯抽采效果并不十分理想。微波場作為電磁場的一種，由于其非接觸性，加熱體積性、快速性等優點，使其已經被應用于促進煤層瓦斯解吸與滲流等方面，并取得了一定成果。董超等[9]利用工業微波爐對原煤體試件進行了不同時間段的微波輻照作用：實驗發現煤樣的孔隙率和滲透容積均隨微波作用時間的增加表現出先增大后減小的趨勢；晉明月[10]研究指出：煤樣微孔和小孔的數量和體積隨微波作用時間的增長而增大，煤的孔隙率呈先減小后增大的變化規律；胡國忠等[11]研究指出可控源微波在電磁輻射熱效應與損傷效應的共同作用下煤體吸附瓦斯能力降低，然而煤體的瓦斯解吸與擴散能力卻得到提高；溫志輝等[12]研究得出各實驗煤樣在微波作用3 min和5 min時的瞬間解吸量和累計解吸量均產生“拐點”，呈現了先增加后減小再增加的變化規律。綜上所述，研究者探討了煤樣經過微波輻照處理后其孔隙率、吸附容積、吸附量以及孔徑分布等變化規律。作為我國煤礦普遍存在且分布日趨廣泛的構造煤，對于微波連續-間斷加載作用對其瓦斯解吸特性的研究并未提及，微波作用下煤粒瓦斯解吸過程是否存在非熱效應，微波熱效應在促進瓦斯解吸過程中的權重是多少，非熱效應是促進還是抑制瓦斯解吸，其作用機制是什么，都值得進一步研究。本文主要通過自主搭建實驗平臺研究連續-間斷加載微波作用對煤的瓦斯解吸速率及解吸量的影響，并采用水浴熱裝置模擬微波產生的熱效應，研究其在促進瓦斯解吸中所占權重，并嘗試說明微波熱效應及非熱效應促進瓦斯解吸機理。

1　實驗

1.1　實驗系統的構建

自主設計并完成安裝的連續-間斷微波作用對顆粒煤瓦斯解吸特性實驗系統主要由微波發生單元、吸附罐、高壓配氣單元、真空抽氣單元、溫度控制單元組成。主要設備有高壓甲烷氣體(10.0±0.5 MPa，20℃)及減壓閥、FUJ-PCV真空泵、YBF-100型指針式氣壓表、紅旗Z-100型真空度表、WRN-130的K型-熱電偶及顯示儀表、格蘭仕A7型微波爐。實驗系統如圖1所示。

圖1　微波輻射作用下顆粒煤瓦斯解吸實驗裝置Fig. 1　Experimental device of particles coal gas desorption under microwave radiation

實驗所用微波發生器是由家用Galanz A7-G238N3型微波爐改造而成，其頻率為2 400 MHz，微波輸出功率為700 W。在微波爐頂部中心鉆2個小孔，分別可使熱電偶和解吸罐玻璃細管通過即可，孔徑不可過大，以免熱量散失過多影響實驗的準確性。

1.2　煤樣的制備及基礎參數分析

實驗所用煤樣取自義煤集團新安礦二1煤層的構造軟煤，在井下從新暴露煤壁取樣，除去矸石后立即放入密封袋內，以防其被氧化及其水分流失。在實驗室條件下使用球磨機將原煤樣破碎，篩選出0.5～1 mm煤樣備用。煤樣干燥過程中保持溫度102℃，-0.1 MPa下連續干燥8 h，然后取出放入干燥器中冷卻至室溫，留待實驗使用。工業分析依據《煤的工業分析方法》GB/T212-2008；真密度的測定依據《煤的真相對密度測定方法》GB/T217-2008；a、b值得測定依據《煤的甲烷吸附測定方法》MT/T752-1997；f的測定依據《煤的堅固性系數測定方法》MT 49-1987，測定結果見表1。

表1　煤樣基礎參數

1.3　實驗過程

1)對管路系統抽真空，關閉閥1，打開閥2、閥3、閥4，當真空計讀數小于20 Pa且保持2 h，即可關閉閥3和閥4。脫氣結束后打開減壓閥及閥2向吸附罐內充氣，甲烷壓力保持0.3 MPa，24 h內吸附罐氣體壓力下降不超過20 Pa則認為達到吸附平衡狀態。

2)微波作用時關閉閥1、閥2、閥4，打開閥門3的同時計時并記錄量筒內液面變化，前5 s氣體擴散量單獨計數。此后每隔5 min開啟微波作用10 s，每次微波作用后記錄溫度變化，單個實驗結束后更換煤樣。微波作用20,40 s具有相似的實驗條件。

3)實驗時間為120 min，每組實驗結束后，比較實驗前后煤樣質量變化，如果煤樣質量變化超過0.1 g即認定為無效實驗。

2　實驗結果及分析

分別測定無微波作用、微波連續作用10 s、微波連續作用20 s及微波連續作用40 s 4種實驗條件下煤樣的瓦斯累積解吸量，如圖2所示。

圖2　微波輻照條件下累計解吸量Fig.2　Cumulative desorption quantity of particles coal gas under microwave radiation

從圖2可以看出，微波作用對于顆粒煤的瓦斯解吸具有明顯促進作用，有微波作用和無微波作用解吸曲線均表現為先快速增長而后趨于平緩的變化規律。前5 min由于沒有加載微波作用，所以各組實驗煤的瓦斯解吸量基本一致。從第5 min開始，由于微波連續加載時間不同，各組煤樣的瓦斯解吸量開始出現了明顯差異：其中無微波作用煤樣的瓦斯解吸量最小，其最終解吸量為2.27 mL/g；微波作用10 s煤樣，其最終解吸量為4.15 mL/g，為無微波作用的1.83倍；微波作用20 s煤樣，其最終解吸量為6.23 mL/g，為無微波作用的2.74倍，為微波作用10 s的1.50倍；微波作用40 s煤樣較其他2組微波作用煤樣，其曲線更陡，瓦斯解吸量最多，達到了8.92 g/mL，是微波作用20 s解吸量的1.43倍，是微波作用10 s解吸量的2.14倍，是無微波作用煤樣的3.93倍。

為了說明微波作用對煤樣瓦斯速率影響，根據煤樣瓦斯瞬時解吸量及時間，求得各實驗條件下煤樣的瓦斯解吸速率，如圖3所示。

從圖3中可以得出：無微波作用條件下煤樣瓦斯解吸速率表現為先快速降低，而后緩慢降低的變化規律；而在微波連續-間斷加載條件下，微波連續作用時間段內，解吸速率均迅速增大，微波作用結束后又迅速減小，然而隨著微波加載次數的增多及瞬時解吸量的減少，煤樣解吸速率峰值逐漸降低。對比分析微波作用10,20,40 s及無微波作用下的煤樣，各煤樣解吸速率與微波作用時間呈正相關關系，隨著時間的延長，煤樣瓦斯解吸速率呈現一定程度的衰減，不同加載時間微波作用煤樣的峰值的減小即說明了這一點，從圖中還可以得出波峰面積(解吸量)隨著實驗的進行衰減較快，這可以從圖2得到驗證。

圖3　不同微波作用時間對瓦斯解吸速率影響Fig.3　The influence of microwave radiation on gas desorption rate in particles coal

3　水浴模擬微波熱效應實驗

溫度是影響煤體瓦斯解吸的一個重要因素，林海飛等[13]對顆粒煤樣瓦斯放散性能多因素敏感性研究指出瓦斯放散初速度與溫度呈線性關系；王兆豐等[14]研究認為低溫環境抑制了瓦斯解吸，溫度越低，抑制解吸效果越明顯；曾社教等[15]實驗研究發現溫度增高比壓力降低對解吸作用的影響要敏感得多，然而并未給出具體的經驗公式。為了明確微波作用產生的熱效應對煤樣瓦斯解吸的影響，采用水浴加熱模擬不同微波作用產生的熱效應。實驗過程較微波連續-間斷加載作用實驗大體相同，主要差別表現在此部分實驗將按照微波作用時間與其對應溫度改變水浴溫度。需要指出的是微波作用40 s煤樣的溫度在51 min后就已超過100℃，因此水浴模擬微波連續-間斷作用40 s條件下只模擬到51 min。

分別進行不同條件下水浴熱模擬微波熱效應實驗，得到了水浴模擬微波作用10,20,40 s及無微波作用下3種實驗條件下煤樣的瓦斯累積解吸量，同時將微波作用條件下的解吸量與水浴模擬微波熱效應瓦斯解吸量對比分析，得到結果如圖4所示。

圖4　微波作用與水浴模擬微波熱效應解吸量對照Fig.4　Effect of microwave radiation and heating on gas desorption

從圖4可以明顯看出，微波在線作用與水浴模擬微波熱效應實驗條件下煤的瓦斯解吸量均超過了無微波作用條件下原煤樣的瓦斯解吸量。在開始前10 min內，水浴模擬微波連續-間斷作用10,20,40 s及無微波作用下解吸量曲線基本重合，原因是前10 min內各實驗條件下所達到的溫度基本一致。10 min后，煤樣瓦斯解吸量由于各自實驗條件的不同而產生較大差異，其中水浴模擬微波作用40 s條件下雖然實驗僅僅進行到第51 min，然而其瓦斯解吸量卻達到了5.74 mL/g；水浴模擬微波作用20 s其煤樣最終瓦斯解吸量為5.15 mL/g；水浴模擬微波作用10 s其最終解吸量為3.54 mL/g。其解吸量分別為相應微波連續-間斷加載條件下解吸量的87.9%,82.7%,85.3%。對比水浴模擬微波熱效應、微波連續-間斷輻照曲線走勢可以發現，其煤樣瓦斯解吸量曲線具有相似的規律，瓦斯解吸初期階段快速增加而后趨于緩慢增長的變化規律；這是因為：瓦斯解吸是一個吸熱過程，而溫度的升高使瓦斯氣體熱運動加劇、解吸能力提高，致使其在煤粒孔隙表面停留時間縮短，隨著解吸實驗的進行瓦斯總量減少、瓦斯壓力梯度降級，瓦斯解吸量逐漸減少，最終瓦斯解吸累計量趨于一定值。然而其解吸規律又有所不同，水浴裝置模擬微波熱效應中瓦斯解吸速率變化平緩，而微波輻射作用下瓦斯解吸速率波動劇烈，究其原因是微波場作用于煤體不僅產生電磁熱效應而且也存在非熱效應。熱效應主要表現在以下方面：當煤體中熱應力大于平均有效應力時，煤體原有的孔隙裂隙張開，導致吸附容積比降低；同時，隨著煤體溫度升高，煤體骨架發生收縮變形，微孔及中孔的孔容有所降低；其次，隨著煤體溫度升高，煤體內小分子物質，如水分、小分子有機質等礦物成分揮發出，進而導致煤樣的比表面積和總孔體積有所回升，其熱效應主要為這幾個方面相互作用的結果；微波非熱效應來描述除微波熱效應以外的其他系統響應，非熱效應非等同于和溫度有相關性的特殊效應，非熱效應方面：甲烷分子在微波場的作用下，可能會由于共價鍵振動或轉動甚至斷裂，造成分子間的碰撞頻率和有效碰撞頻率大大增加，從而加速了瓦斯解吸過程；同時也有可能微波輻射作用下沿電場強度方向瓦斯分子的定向移動從而增加了擴散速率。微波場作用中熱效應和非熱效應相互影響，致使其作用下瓦斯解吸速率高于同等條件下的水浴加熱作用。在微波連續加載時間段內，由于熱效應和非熱效應疊加作用，瓦斯解吸速率迅速升高。在間斷時間內，無微波作用，其熱效應等同于水浴模擬條件下熱效應，因此微波連續-間斷輻射作用下瓦斯解吸速率波動較為劇烈，而在水浴模擬微波作用下由于連續時間段內溫度變化不大，其解吸速率曲線較為平緩。上述分析表明，微波作用和純升溫作用都能促進甲烷解吸，在相同升溫過程條件下，微波對甲烷解吸的促進作用要優于純升溫作用。

4　結論

1)通過自主搭建實驗平臺研究了不同時間微波連續-間斷作用下瓦斯解吸規律，利用水浴裝置研究了微波輻照作用下產生的熱效應對瓦斯解吸的影響。

2)瓦斯解吸初期，對于每個微波連續加載時間內，瓦斯解吸量及解吸速率均迅速增加，然而衰減很快，最終瓦斯解吸總量趨于一常數；120 min內，微波連續-間斷輻照作用下瓦斯解吸量是無微波作用下的瓦斯解吸量的1.83～3.93倍。

3)微波輻照作用條件對瓦斯解吸的促進作用要優于水浴模擬微波熱效應升溫作用，微波熱效應對瓦斯解吸影響較為顯著，權重占82%以上，然而微波非熱效應的影響也不可忽視。

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