微波間斷加載作用下煤中瓦斯解吸響應(yīng)特征實(shí)驗(yàn)研究*

王志軍，李　寧，魏建平，馬小童

(1.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003；2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁(yè)巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

0　引言

滲透率低、解吸速度慢是目前制約我國(guó)瓦斯抽采的主要因素[1]。為提高瓦斯抽采效率，人們相繼提出水力壓裂[2]、深孔爆破[3]、水力沖孔[4]、水力割縫[5]、高壓脈沖水射流[6]等強(qiáng)化瓦斯抽采的力學(xué)方法以及注氣驅(qū)替[7]等非力學(xué)方法。近年來(lái)，又有不少學(xué)者開(kāi)始嘗試通過(guò)外加溫度場(chǎng)[8]、地電場(chǎng)[9-10]、低頻電磁場(chǎng)[11]及聲場(chǎng)[12]等物理場(chǎng)來(lái)改變煤中瓦斯的吸附、解吸與滲透性，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，盡管上述幾種物理場(chǎng)對(duì)煤體產(chǎn)生的效應(yīng)存在差異，但對(duì)煤體的影響基本上是一致的，即在一定程度上具有促進(jìn)煤中瓦斯解吸、運(yùn)移的作用。

微波場(chǎng)也是一種物理場(chǎng)，由于微波具有頻率高、波長(zhǎng)短、穿透性強(qiáng)等其他電磁波所不具有的特征而被稱為一種特殊的電磁波。微波作為一種高頻電磁波，其作用于煤體將產(chǎn)生電磁場(chǎng)效應(yīng)及熱效應(yīng)，根據(jù)有關(guān)學(xué)者的研究成果，溫度場(chǎng)與低頻電磁場(chǎng)都在一定程度上降低煤的瓦斯吸附量，促進(jìn)瓦斯解吸[8,11]。由此可以推斷，將微波電磁場(chǎng)作用于煤體極有可能促進(jìn)瓦斯解吸，但目前此方面的報(bào)道還較少。溫志輝[13]與胡國(guó)忠[14]曾分別利用微波輻照后的顆粒煤樣進(jìn)行了瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)和等溫吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，煤樣經(jīng)微波輻射后，解吸量總體增大，吸附量降低。上述兩位學(xué)者都是利用微波輻射作用一定時(shí)間后的煤樣進(jìn)行吸附或解吸實(shí)驗(yàn)，僅揭示了微波輻射改性對(duì)煤樣瓦斯吸附解吸的影響，而沒(méi)有研究微波加載條件下煤樣吸附解吸特征。

為揭示煤中瓦斯解吸過(guò)程中加載微波作用對(duì)解吸特性的影響，進(jìn)一步探討微波輻射促進(jìn)煤層瓦斯解吸的基本原理，利用自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，研究了微波作用對(duì)煤中瓦斯解吸特性的影響規(guī)律。

1　微波輻射促進(jìn)煤中瓦斯解吸的基本原理

1.1　微波輻射對(duì)煤體的電磁輻射熱效應(yīng)

煤體是一種典型的電介質(zhì)，微波在煤體中傳播時(shí)被吸收，其中極性分子以每秒24億5千萬(wàn)次的頻率發(fā)生振蕩并互相摩擦，造成極性分子產(chǎn)生功率損耗，使電磁能轉(zhuǎn)化為煤體的熱能，這一現(xiàn)象稱為微波熱效應(yīng)。根據(jù)微波理論，微波場(chǎng)中單位體積煤體的有效功率損耗Pv為[15]：

(1)

式中：f為微波頻率，Hz；ε0為無(wú)外電場(chǎng)時(shí)煤體的介電常數(shù)，88.54 fF/cm；ε為煤體的介電功耗因子；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/cm；R為煤體對(duì)微波的反射率；Qu和Qd分別為空腔和有載品質(zhì)因子。

根據(jù)熱力學(xué)，物體單位時(shí)間內(nèi)吸收熱量Q與溫升ΔT的關(guān)系為Q=ρCpΔT/t。假設(shè)微波作用于煤體內(nèi)的有效功率損耗全部轉(zhuǎn)為熱能被煤體吸收，且不考慮煤體的散熱損失，由式(1)可得煤體在微波場(chǎng)中的升溫速度為：

(2)

式中：ρ為煤的密度，g/cm3；Cp為煤的定壓比熱，J/(g·K)；T0為煤體初始溫度，℃。

由此可知，處于微波場(chǎng)的煤體將按照式(2)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系將微波電磁能轉(zhuǎn)為熱能，從而提高自身的溫度。

溫度是影響煤中瓦斯吸附、解吸特性的一個(gè)重要因素。大量實(shí)驗(yàn)研究表明，煤的瓦斯吸附量與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，吸附量隨溫度的升高而降低[16]，而瓦斯解吸與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，升溫可促進(jìn)瓦斯解吸[17]。微波作用下煤體溫度T按式(2)升高后，瓦斯氣體分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇，動(dòng)能增大，獲得大于吸附勢(shì)壘的機(jī)會(huì)增多，瓦斯分子在煤表面移動(dòng)過(guò)程中脫附的幾率增大，使得煤體吸附瓦斯的能力降低、瓦斯吸附量減少。解吸是一個(gè)吸熱過(guò)程，微波熱效應(yīng)引起的溫升為瓦斯氣體脫附提供了能量，增強(qiáng)了煤體中吸附態(tài)甲烷分子發(fā)生解吸的可能性，使得微波作用下煤體中的吸附態(tài)甲烷更易于解吸與擴(kuò)散，在增大解吸量的同時(shí)還將大大提高解吸速率。

1.2　微波選擇性加熱引起的煤體損傷效應(yīng)

煤是由多種礦物成分及元素組成的混合物，包括碳、水、硫、石英及黏土等，這些礦物組分的介電常數(shù)、電導(dǎo)率均不相同。微波具有選擇性加熱的特點(diǎn)，這一特性會(huì)使得處于微波場(chǎng)中的煤體中不同礦物組分由于吸收微波功率的不同升溫速率也不同，從而在煤體內(nèi)部產(chǎn)生局部溫差。又因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)不同，煤中各組分在升溫過(guò)程中膨脹變形會(huì)不一致，各組分相互約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力會(huì)促使煤體內(nèi)部原有孔隙擴(kuò)展，膨脹變形不一致還會(huì)誘導(dǎo)新裂隙的產(chǎn)生[18]，進(jìn)而改變煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成煤體損傷，從而形成微波作用對(duì)煤的損傷效應(yīng)。這種損傷效應(yīng)將使得煤體內(nèi)瓦斯運(yùn)移通道更加通暢，促進(jìn)瓦斯解吸和流動(dòng)。

2　實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

2.1　實(shí)驗(yàn)裝置

微波輻射作用下煤樣瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)裝置由微波發(fā)生器、吸附解吸罐、氣體供給單元、氣體測(cè)量單元、溫度測(cè)量單元及抽真空單元組成，如圖1所示。微波發(fā)生器選用改造后的美的MM823LA6-NS型微波爐。吸附解吸罐為石英玻璃專用吸附解吸罐，耐溫不低于800℃，承壓能力不小于2 MPa。氣體供給單元由高壓氣瓶、減壓閥、充氣罐、精密壓力表及管道組成，采用99.99%的高純甲烷氣。氣體測(cè)量由質(zhì)量流量計(jì)與解吸儀配合完成。抽真空單元包括真空泵和真空計(jì)。溫度測(cè)量單元由熱電偶、溫度數(shù)顯調(diào)節(jié)儀及濾波電容構(gòu)成。熱電偶為K型鎧裝熱電偶，型號(hào)為WRNK。為防止熱電偶在微波爐腔體內(nèi)出現(xiàn)“打火”現(xiàn)象，在熱電偶末端加一濾波電容，以消除由熱電偶感應(yīng)的高頻干擾。溫度數(shù)顯調(diào)節(jié)儀兼有防高溫?cái)嚯姳Ｗo(hù)功能。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)加裝溫度測(cè)量與控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微波加載過(guò)程中煤體溫度并進(jìn)行控制，一旦溫度過(guò)高，切斷微波發(fā)生器電源，停止微波加載，防治發(fā)生煤炭自燃及其他災(zāi)害事故。

圖1　微波輻射作用下煤中瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1　Experimental device of gas desorption in coal under microwave radiation

2.2　實(shí)驗(yàn)煤樣

實(shí)驗(yàn)煤樣為河南煤化集團(tuán)九里山礦二1煤層的無(wú)煙煤，在井下掘進(jìn)工作面新鮮煤壁取煤樣，密封保存后送實(shí)驗(yàn)室，工業(yè)分析測(cè)得自然煤樣水分Mad為2.1%，灰分Aad為12.395%，揮發(fā)分Vad為8. 62%，煤樣密度為1.38 g/cm3。經(jīng)破碎篩選出粒徑為0.5～1 mm的煤樣不少于800 g，煤樣全部經(jīng)恒溫干燥箱干燥至恒重后裝入磨口瓶中密封保存?zhèn)溆谩?/p>

2.3　實(shí)驗(yàn)方案

煤樣解吸過(guò)程一般需要數(shù)小時(shí)，如果在整個(gè)解吸過(guò)程中連續(xù)施加微波，煤樣會(huì)被加熱到較高溫度。為避免實(shí)驗(yàn)煤樣溫度過(guò)高，同時(shí)又能反映微波作用對(duì)煤樣解吸前、中、后期每個(gè)階段的影響，采用間斷加載微波作用的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比，最終確定采用解吸開(kāi)始后5 min整數(shù)倍時(shí)刻分別加載10 s，20 s，40 s時(shí)長(zhǎng)的微波的實(shí)驗(yàn)方案，分別簡(jiǎn)稱為微波作用10 s、微波作用20 s及微波作用40 s。實(shí)驗(yàn)方案參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　煤樣瓦斯解吸實(shí)驗(yàn)方案

2.4　實(shí)驗(yàn)步驟

稱取110 g干燥煤樣裝入吸附解吸罐，連接好裝置后先用N2進(jìn)行氣密性檢查。確保裝置不漏氣后，進(jìn)行不少于6 h的真空脫氣。脫氣結(jié)束后充入CH4吸附，吸附平衡后測(cè)算吸附量。然后進(jìn)行解吸實(shí)驗(yàn)，先進(jìn)行無(wú)微波作用(微波作用0 s)下甲烷解吸實(shí)驗(yàn)，記錄解吸數(shù)據(jù)，結(jié)束后重新脫氣、吸附，吸附平衡后進(jìn)行微波作用10 s的解吸實(shí)驗(yàn)，記錄解吸數(shù)據(jù)，然后依次進(jìn)行微波作用20 s及微波作用40 s的解吸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在裝有空調(diào)的房間進(jìn)行，保持室溫恒定。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，稱取實(shí)驗(yàn)后的煤樣質(zhì)量，并與實(shí)驗(yàn)前煤樣質(zhì)量進(jìn)行比較，煤樣質(zhì)量變化不超過(guò)0.01 g為有效實(shí)驗(yàn)，確保收集氣體為解吸出的甲烷氣，無(wú)熱解氣體產(chǎn)生。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1　微波間斷作用下煤樣瓦斯解吸過(guò)程中溫度變化

由熱電偶測(cè)量得到微波作用下煤樣瓦斯解吸過(guò)程溫度過(guò)程線如圖2所示，可以看出，微波對(duì)煤樣的熱效應(yīng)總體呈現(xiàn)出前期劇烈、中后期逐漸變緩的趨勢(shì)，說(shuō)明前期煤樣對(duì)微波的吸收較為顯著，升溫較快，中后期溫度升高煤樣的相對(duì)介電常數(shù)變小，微波吸收率變小，同時(shí)由于煤樣與室內(nèi)環(huán)境溫差的增大，煤樣散熱量增大，2種效應(yīng)的綜合結(jié)果使得煤樣升溫速度變緩。

圖2　微波作用下煤樣解吸過(guò)程溫度變化Fig.2　Temperature change of coal sample under microwave radiation

3.2　微波間斷加載對(duì)煤樣瓦斯累計(jì)解吸量的影響

無(wú)微波作用及3種微波間斷加載作用下煤樣瓦斯累計(jì)解吸量見(jiàn)圖3，可以看出，3種微波作用下煤中甲烷解吸量均大大超過(guò)了無(wú)微波作用下煤中甲烷解吸量，120 min解吸時(shí)間內(nèi)，微波作用10 s、微波作用20 s、微波作用40 s條件下煤中甲烷解吸量分別為無(wú)微波作用下煤中甲烷解吸量的1.9倍、2.8倍及3.9倍，增加率分別為90%、180%及290%，表明微波作用能夠促進(jìn)煤中甲烷解吸。每個(gè)微波加載周期內(nèi)，微波加載時(shí)段解吸量增長(zhǎng)迅速，剩余時(shí)間內(nèi)解吸量增長(zhǎng)速度逐漸降低，單個(gè)微波加載周期內(nèi)的總解吸增量也遵循逐漸減小的趨勢(shì)，微波作用條件下甲烷累積解吸量隨時(shí)間總體呈跳躍式增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖3　累計(jì)解吸量對(duì)比Fig.3　Comparison of cumulative desorption quantity of gas in coal

3.3　微波間斷加載對(duì)煤樣瓦斯解吸率的影響

為進(jìn)一步說(shuō)明微波作用對(duì)煤中甲烷解吸的促進(jìn)作用，引入描述煤樣甲烷解吸效果的物理量—解吸率η，為從解吸開(kāi)始到解吸過(guò)程中某一時(shí)刻t的累計(jì)解吸率，計(jì)算公式為：

(3)

式中：Q(T,p,t)為環(huán)境溫度T、吸附平衡壓力p條件下t時(shí)刻的瓦斯累計(jì)解吸量， ml/g；Q∞(T,p)為環(huán)境溫度T條件下，吸附平衡壓力p時(shí)的極限解吸量，也為環(huán)境溫度T、吸附平衡壓力p條件下的吸附量， ml/g。302 K、0.9 MPa吸附平衡壓力下無(wú)微波作用、微波作用10 s、微波作用20 s及微波作用40 s 4種條件下煤樣甲烷極限解吸量Q∞，即吸附量分別為9.97 ml/g、10.09 ml/g、10.03 ml/g及10.16 ml/g，由公式(3)計(jì)算得到4種條件下解吸過(guò)程中15 min時(shí),50 min時(shí),85 min時(shí)以及120 min時(shí)的解吸率，如圖4所示。

由圖4可知，在解吸初期的15 min時(shí)間內(nèi)，解吸率總體較低，但增長(zhǎng)速度較快，隨著時(shí)間推移，無(wú)微波作用下解吸率變化放緩，微波作用下的解吸率增長(zhǎng)速度加快，解吸50 min、85 min以及120 min時(shí)4種條件下的解吸率分布規(guī)律大致相同，即無(wú)微波作用解吸率最小，依次為微波作用10 s、微波作用20 s，最大為微波作用40 s。解吸120 min時(shí)，微波作用10 s,20 s,40 s條件下的解吸率分別為無(wú)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條件下的解吸率已達(dá)87%，表明微波作用對(duì)提高煤中甲烷解吸率、縮短解吸時(shí)間、促進(jìn)煤中甲烷解吸具有顯著作用。

圖4　解吸率對(duì)比Fig.4　Comparison of desorption efficiency

3.4　微波間斷輻射對(duì)煤樣瓦斯解吸速度的影響

根據(jù)甲烷解吸量過(guò)程線(圖3)，得到解吸速度對(duì)比圖(圖5)。從圖5可以看到，微波作用下煤中瓦斯解吸速度高于無(wú)微波作用解吸速度，且微波作用下瓦斯解吸速度在每個(gè)微波加載周期均出現(xiàn)了較高的峰值。3種微波作用下解吸速度的最大峰值均出現(xiàn)在第一次加載微波時(shí)段，微波作用10 s條件下解吸速度最大峰值為60 mL/min，為未加載微波前的8倍，微波作用20 s條件下解吸速度最大峰值為75 mL/min，為未加載微波前的10倍，微波作用40 s條件下解吸速度最大峰值為84 mL/min，為未加載微波前的11.2倍，提高率為1 020%，說(shuō)明微波作用對(duì)煤中瓦斯解吸的瞬間提速作用效果十分顯著。微波加載結(jié)束后解吸速度衰減迅速，但微波加載時(shí)間越長(zhǎng)，衰減相對(duì)較慢。以上分析表明，微波作用對(duì)煤中甲烷解吸速度的激勵(lì)作用明顯，隨著時(shí)間推移，這種激勵(lì)作用會(huì)有所減弱。

圖5　解吸速度對(duì)比Fig.5　Comparison of desorption rate

4　結(jié)論

1)微波熱效應(yīng)及選擇性加熱引起的煤體損傷效應(yīng)是微波輻射促進(jìn)煤中瓦斯解吸的主要作用。

2)微波間斷加載作用對(duì)煤中瓦斯解吸均有明顯的促進(jìn)作用，與未加載微波作用相比，煤樣瓦斯解吸量及解吸率均有明顯增大，且微波作用時(shí)間越長(zhǎng)，解吸量越大，解吸率越高。微波作用40 s條件下煤樣瓦斯解吸量增加率為290%，解吸率高達(dá)87%。

3)微波輻射對(duì)煤中瓦斯解吸的瞬間提速作用效果顯著，微波作用40 s條件下解吸速度最大值為84 mL/min，為未加載微波前的11.2倍，解吸速度最大提高率為1 020%。

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