微波作用下煤層滲透性變化規律實驗研究*

張永利，尚文龍，馬玉林，蘇 暢，馬 凱

(1.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新，123000；2.遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新，123000)

0 引言

煤層氣，又稱瓦斯，是煤炭形成過程中的伴生產物，主要成分是甲烷。在礦山災害中，以瓦斯事故危害最大，嚴重威脅我國煤礦安全生產[1]，同時，煤層氣也是一種高效的清潔能源。因此，實現煤層氣的合理開采既能滿足我國大量的能源需求，又能減少因瓦斯引起的礦山災害，對我國能源結構具有重大的戰略意義。特殊的地理條件決定了我國煤層氣儲層高儲低滲的特性，極難抽采，煤儲層的滲透性是衡量煤層氣開采難易程度的一個重要參數[2-3]。因此國內外學者對煤層氣增產方法進行了大量的研究，如：高壓注水，水力割縫，水力壓裂，超聲波激勵法[4-8]等，并取得了一定的研究成果。

微波輻射在其他生產領域已經得到了廣泛的應用，如：煉焦,巖土工程，石油開采，污水處理[9-12]等。微波作為一種超高頻電磁波，最常用的微波頻率為2 450 MHz，微波加熱具有即時性、整體性、選擇性、高效性和安全性等特點，微波加熱過程就是極性分子在微波磁場中實現分子水平的“攪拌”，使其分子相互碰撞、摩擦而生熱[13]。將微波輻射應用到煤層氣增產方面屬于新興的研究領域。近幾年國內一些學者進行了大量的研究，管偉明[14]提出了微波加熱煤儲層的共軛傳熱模型；代少華[15]，溫志輝[16]就微波輻射下顆粒煤體吸附/解吸規律進行研究；李賀[17]，洪溢都[18]就微波輻射下煤體孔裂隙結構演化進行了研究。由此可見，微波輻射在煤層氣增產方面的研究正在日漸完善。綜上所述，文中利用自行設計的實驗系統，分別進行不同微波功率、不同輻射時間條件下的煤樣滲透率測定實驗，實驗結果為進一步研究微波輻射技術在煤層氣增產領域的應用提供理論依據。

1 微波輻射實驗

1.1 實驗原理及裝置

實驗采用自行研制的微波輻射含瓦斯煤滲流實驗系統，整個系統由微波發生裝置、三軸加壓裝置、氣體測量裝置、手動油壓泵和高壓氣瓶組成，如圖1所示。其中，微波發生裝置采用的是頻率為2.45 GHz的微波發生器，微波由發生裝置產生，經波導管傳至三軸儀外微波導入端，由螺旋銅導線將微波導入三軸儀。其中微波發生裝置的微波功率可以實現變功率調節，微波輻射時間可以按目標時間進行設定，以實現不同功率、不同輻射時間的微波作用于煤體，實驗煤巖位于螺旋磁場中心。實驗主要研究不同微波功率、不同輻射時間條件下，煤樣滲透率的變化趨勢。實驗中采用惰性氣體施加圍壓，目的是避免對微波輻射磁場的影響，軸壓由手動油壓泵施加。為控制實驗變量，軸壓、圍壓保持5 MPa不變。進行滲流實驗時，采用排水法測定氣體滲流量，計算滲透率。

1.調壓閥; 2.壓力表; 3.圍壓口; 4.甲烷氣體入口; 5.軸壓口; 6.甲烷氣體出口; 7.閥門; 8.量筒; 9.水槽; 10.三軸滲透儀; 11.聚四氟內套; 12.煤樣; 13.微波輻射導入端; 14.波導管; 15.微波發生裝置;16.甲烷氣瓶; 17.氮氣氣瓶; 18.手動油壓泵。圖1 實驗系統示意Fig.1 Experimental device and schematic diagram of testing system

由于煤層氣的主要成分是甲烷(CH4),實驗采用純度99.99%的甲烷氣體，為保證實驗安全，實驗室內采取有效的通風措施，保證通風順暢，對出氣口甲烷進行濃度稀釋處理。

1.2 實驗煤樣

實驗主要研究微波輻射條件下煤樣滲透率的變化規律。為了避免原始煤樣的非均質性差異對實驗結果的影響，實驗中的試件選用自制型煤。原始煤樣取自遼寧阜新海州礦。利用顎式破碎機將原始煤樣粉碎，篩選出60～80目(0.25～0.18 mm)的煤粉，將煤粉與松香按50∶1的比例進行配比，攪拌均勻后，用200 t的實驗壓力機以100 MPa的成型壓力壓制成φ50 mm×100 mm的型煤標準試件，將制備好的型煤試件放入恒溫箱內，在353.15 K條件下干燥36 h后備用。

1.3 實驗步驟

1)利用熱縮管將干燥備用的型煤試件與上下壓頭進行塑封，將塑封好的試件裝入三軸儀，按圖1所示連接實驗裝置，連接完成后檢測整個實驗系統的密閉性。

2)檢測密閉性完好，對試件施加壓力，為防止加載過程中因受力不均勻試件破壞，軸壓和圍壓交替加載至目標壓力值，進行穩壓檢測。

3)軸壓、圍壓保持穩定后，打開甲烷高壓氣瓶，通過調節調壓閥通入一定壓力的甲烷氣體，使煤樣在一定孔隙壓力條件下吸附至飽和，孔隙壓力由小到大一次調節。

4)打開微波發生裝置，設置目標微波功率和輻射時間，微波經由波導管、螺旋銅導線導入三軸儀，在三軸儀內形成穩定的微波磁場作用于煤樣。

5)煤樣吸附飽和后，打開三軸儀甲烷出氣口閥門，測量一定時間內的氣體排出量，待出氣量基本穩定后，測量5組數據取平均值，作為這一實驗條件下氣體滲流量，用于計算煤樣滲透率。

6)重新設置孔隙壓力、微波功率和輻射時間，重復步驟2)～5)，得到相應實驗條件下的氣體滲流量，計算滲透率，具體實驗參數見表1。

2 實驗結果分析

實驗中所用煤樣試件是型煤試件，可視為均質材料， 煤層氣在試件中的滲流過程基本符合達西定律，因此實驗中滲透率計算可用達西定律：

(1)

式中：k為滲透率，cm2；L為煤樣的長度，cm；Q為氣體流量，cm3/s；μ為氣體的動力粘性系數，Pa·s；A為煤樣的截面積，cm2；P1為瓦斯入口壓力，MPa；P2為瓦斯出口壓力，MPa。

表1 實驗參數Table 1 Test parameters

有效應力是影響煤樣變形的重要因素，煤樣所受有效應力數學張量表示為：

(2)

根據所得實驗數據，得到微波功率分別為500,1 000,1 500 W,輻射時間分別為1,1.5,3 min條件下滲透率-有效應力的關系，并利用擬合軟件進行實驗數據的擬合處理。

2.1 微波輻射時長在不同有效應力區對煤樣滲透率的影響分析

為探究微波輻射時長對煤層滲透性的影響，分析同一微波功率，不同輻射時間條件下滲透率隨有效應力的變化趨勢，實驗數據如圖2所示。

從圖2(a)滲透率隨有效應力的變化曲線中可見同一應力狀態下隨輻射時間的延長，煤樣滲透率數據隨之增大，并且在低有效應力區增加幅度明顯；圖2(b)和2(c)也滿足同樣的變化趨勢，這是因為隨輻射時間的延長，向煤樣內部輸入的微波能量增加，一些對微波吸收率高的礦物質受高溫揮發，使得堵塞的氣體運移通道暢通；由于微波加熱的選擇性，煤樣內部產生熱應力，促使煤樣原生裂隙的進一步擴展以及新裂隙的產生，促進了微波的致裂效果。圖2中對滲透率與有效應力的實驗數據進行擬合，擬合結果如表2所示。其中R2均大于0.98，擬合度極高，由此可得相同微波功率輻射時長不同條件下，滲透率與有效應力之間遵循單調遞減指數函數關系。

取不同有效應力區的滲透率實驗數據進行分析，如圖2(d)和表3所示，由表3的擬合結果可以得出滲透率與微波輻射時長之間滿足線性遞增關系，在低有效應力區擬合度極高。在有效應力為0.5 MPa時擬合直線的斜率明顯大于有效應力為4 MPa時擬合直線的斜率，即在低有效應力區煤樣在微波作用下滲透率增長速率大于高有效應力區。分析原因：低有效應力區，隨輸入微波能量增加煤樣內部應力增大，所產生的應力大于外部約束，煤樣內部孔裂隙發育，導致滲透率增大。而當有效應力增加，試件外部約束大于試件內部所產生的應力，擴張受到約束，導致滲透率增長緩慢。

2.2 微波功率在不同有效應力區對煤樣滲透率的影響分析

改變微波功率，對實驗中煤樣進行相同時間的間斷輻射，分析相同輻射時間，微波功率對煤樣滲透率的影響，如圖3所示。圖3中對實驗數據進行負指數擬合，擬合結果如表2中所示，R2均大于0.98，擬合度極高。分析可以得出，不同微波功率輻射相同時長的條件下，煤樣滲透率與有效應力之間依然滿足負指數函數關系。

表2 不同有效應力條件下滲透率擬合結果Table 2 Permeability fitting results under different effective stress conditions

圖2 不同微波輻射時間滲透率隨有效應力變化曲線Fig.2 Curves of permeability versus effective stress under different microwave radiation time

表3 不同輻射時間條件下滲透率擬合結果Table 3 Permeability fitting results under different irradiation time conditions

由圖3(d)中的實驗數據和表4中的擬合結果可以分析得出：應力狀態一定，相同的輻射時間，煤樣滲透率與微波功率呈線性相關。分析表4中擬合得到的直線斜率，在低有效應力區的斜率遠大于高有效應力區，在低有效應力區煤樣滲透率隨微波功率增長迅速。分析原因，是由于調高微波功率使得作用于煤樣的微波磁場強度增加，溫度場的溫度梯度增大，熱應力隨之增大，導致煤樣內部孔隙結構破壞，即孔裂隙進一步發育，氣體運移通道增加，煤樣滲透率增大。

保持向煤樣輸入相同的微波能量，分析滲透率變化情況，如圖4所示，微波功率1 500 W時的滲透率曲線明顯高于微波功率500 W時的滲透率曲線，可以得出，煤樣在微波作用下，相同的能量輸入，選擇大功率輸入有助于增加煤樣滲透率。這是由于微波輻射加熱的特點導致：同一頻率的微波，改變功率不影響微波磁場的整體分布，只是改變了微波磁場的強弱。增加微波功率，微波輻射效率提高，減少微波輻射后能量在煤體內部的損耗，微波致裂效率提高，增滲效果明顯。關于作用于煤體的最優微波功率，有待于后續的實驗研究。

圖3 不同微波功率下滲透率隨有效應力變化曲線Fig.3 Curves of permeability versus effective stress under different microwave power

表4 不同微波功率條件下滲透率擬合結果Table 4 Permeability fitting results under different microwave power conditions

圖4 相同能量輸入滲透率變化曲線Fig.4 Permeability curve under the same energy input

3 結論

1)不同微波功率、不同微波輻射時間滲透率與有效應力遵循單調遞減指數函數關系，擬合結果R2均在0.98以上。

2)一定功率條件下，隨微波輻射時間的延長煤樣滲透率增大，即微波增滲效果與輻射時間呈正相關。

3)高有效應力區煤樣滲透率的增長速率比低有效應力區的小，在低有效應力區更有利于提高微波增滲效率。因此在現場開采時，設法降低煤儲層有效應力，可以提高微波輻射增產的效率。

4)輻射時間一定，隨微波功率的增加煤樣滲透率單調遞增。微波作用于煤樣，當能量輸入相同時，微波功率越高，微波增滲效果越好。消耗相同的能量，選取高功率微波對煤樣進行作用，增滲效果明顯并且有助于提高作業效率，這一結論對微波輻射在煤層氣增產方面的應用是極為重要的。煤層氣的合理開采可以有效避免礦井瓦斯災害的發生，對煤礦安全生產具有重要意義。