微波加載路徑對煤體致裂效果影響試驗研究

吳旭飛，胡國忠，李 康，楊 南

（1.中國礦業大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116）

煤層氣是一種賦存在煤層中、與煤共伴生的清潔高效能源[1-2]，同時也是威脅礦山安全生產的一個重要因素[3]。目前，煤層瓦斯抽采是開發煤層氣和解決瓦斯災害問題的一項有效途徑，然而我國煤層滲透率普遍較低[4-5]，造成抽采難度較大。因此，煤層增透成為煤層瓦斯抽采與煤層氣開發過程中的一項關鍵科學問題。為此，國內外學者對煤巖體致裂技術進行了大量的研究，如：水力割縫，水力壓裂，液態二氧化碳壓裂，超聲波激勵法[6-10]等，以上技術在某些礦區取得了較好的應用效果。但由于各個礦井的煤巖體賦存特征存在較大差異，亟待探索各種新的致裂方法。

煤巖體微波致裂技術以其環保性、能量利用效率高等特性被應用于頁巖氣開采[11]、天然氣水合物開采[12]等能源開發領域，已成為具有廣泛應用前景的新途徑。為此，研究學者從微波輻射對煤巖體致裂的根本原理進行了大量的實驗研究，管偉明[13]提出了微波加熱煤的共軛傳熱模型，總結出微波輻射煤體時，煤體由內向外傳遞熱量，微波功率與傳熱速率呈對數增長趨勢；李賀[14]等就微波輻射下煤體內部孔裂隙結構演化進行了探究，得出微波輻射對煤體有開孔、疏孔和塌孔效應,其中疏孔效應和開孔效應占主導；洪溢都[15]等對微波輻射下煤體溫升特性影響因素進行了研究，得出功率、粒徑、含水率和礦物成分均能顯著改變煤樣的溫升速率這一結論；胡國忠[16-19]等得到在微波輻射煤體后，微波選擇性、熱效應2 個特性作用使煤體內部的孔隙結構發生改性，初步探索了微波致裂機制，得出微波致裂煤體受蒸氣壓與熱應力的共同作用，并通過核磁共振弛豫時間T2圖譜變化和煤體表面裂隙分布的規律，揭示了微波輻射后不同含水飽和度煤體內部孔、裂隙的數量、尺度、連通性以及煤體的滲透率變化和煤體表面裂隙的演化規律；Kumar[20]等透過光學顯微鏡觀察微波輻射煤體前后，煤體內部裂隙分布規律及差異，發現微波輻射在促進煤體內部原生裂隙發育的同時還產生了新裂隙；任陽光[21-22]等發現在微波作用后，煤體內部大孔發生收縮并坍塌，比表面積顯著降低，滲流通道擴大；董超等[23]就微波作用對煤微觀孔隙結構的影響進行了研究，通過物理方法初步探討并總結了微波輻射時間對煤樣孔隙率和滲透容積的影響規律；Wang 等[24]研究了微波輻射前后致密砂巖的孔隙率、滲透率以及孔隙結構的變化。以上學者初步證實了微波輻射技術用于煤層增透的可行性。然而，在相同的微波能量條件下，怎樣的微波能量加載路徑能使煤體的致裂效果達到最優，亟待進一步探索。這對提高煤層微波增透過程中能量的利用效率具有重要意義。

因此，通過開展不同微波加載路徑下的煤樣致裂試驗，獲取微波輻射前后煤樣的P 波波速、抗壓強度、彈性模量、煤樣表面裂隙演化及煤體微結構損傷因子的變化特征，探索微波加載路徑對煤體致裂效果的影響規律，為煤體微波致裂技術的工藝參數選擇提供理論依據。

1 試驗方法

1.1 試驗樣品及方案

用巖心管獲取原煤，鉆取后加工成?50 mm×100 mm 的煤樣試件，并用儀器將煤樣上下端面打磨光滑、平行，兩端面的不平行度不得超過0.05 mm。端面須垂直于試樣軸線，最大偏差不超過0.25°，以保證加載時上下端面受力均勻，制成后的煤樣放置于實驗室干燥箱中進行充分干燥，留待使用。

取滿足條件的圓柱形試樣12 個，均分4 組，分別編號為A（對照組）、B、C、D，試件均在微波功率1.80 kW 下進行試驗，試驗過程設置3 種加載路徑對煤樣進行微波輻射，煤樣的微波輻射加載方案見表1，能量加載路徑如圖1。

圖1 微波能量加載路徑Fig.1 Microwave energy application path

表1 煤樣的微波輻射加載方案Table 1 Scheme of microwave radiation on coal samples

1.2 試驗步驟

1）微波輻射前，對全部煤樣端面、側面進行拍攝照片，并采用超聲波檢測儀對煤樣進行測試，得出煤體在微波輻射前的波速，再對對照組煤樣進行抗壓試驗，得出單軸抗壓強度，并通過煤樣應力應變曲線計算煤樣彈性模量。

3）待煤樣在自然條件下冷卻至室溫后，測試煤樣輻射后的P 波速度, 并根據抗壓試驗數值結果繪制煤樣應力應變曲線，并根據曲線計算出煤樣彈性模量。

2 試驗設備

2.1 微波輻射與波速測試

煤體微波輻射試驗是在自主研制的微波輻射試驗裝置上進行。試驗裝置主要包括微波發生器、巖樣罐、微波波導、風冷冷卻系統和智能控制系統等5個組成部分。微波頻率為2 450 MHz，最大功率2 kW，最高可放置150 mm 的煤樣。

通過超聲波在煤巖體內部的傳播特性可以間接地反映煤巖體的物理力學參數和結構特征。試驗采用了C61 非金屬超聲波檢測儀測試煤樣的軸向P波速度，超聲波檢測儀輸出頻率為5～500 kHz，發射電壓為65 V，超聲波換能器的頻率為50 kHz，采樣時間為0.10 μs。

測試過程中，超聲波換能器與煤樣間涂抹適量凡士林耦合，發射探頭發射的時刻t0和接收探頭接收到聲波的時刻t1，時差△t=t1-t0，則超聲波波速的計算公式為：

式中：v 為超聲波P 波波速，m/s；L 為試樣長度，m；△t 為時差，s。

2.2 抗壓強度及彈性模量的計算

無側束應力狀態下煤體在單位面積上所能承受的最大壓應力即表示煤體的單軸抗壓強度，弱化煤巖體致裂效果評定的重要指標之一就是煤巖體的抗壓強度，因此煤體被微波作用后的致裂效果，需要該項指標來體現；煤體單軸抗壓強度測試使用C46.106 型MTS 電液伺服試驗機，配套設備為采集速度達0.1 ms 的高速計算機數據采集處理系統、引伸計及載荷和位移傳感器等3 個構成部分。

彈性模量表征煤巖物理力學性質，指煤巖體在外界作用下發生彈性變形時應力與應變的比值，也可選取應力應變曲線當中彈性變形和彈性屈服階段上直線段的斜率或任一點的割線計算出該狀態下煤體彈性模量的大小。微波輻射裝置及試驗流程圖如圖2。

第四，就是臨近攻擊。這種類型的攻擊者一般會首先接近自己要攻擊的目標，然后再對其網絡系統和系統中存有的數據信息進行惡意修改，并在此過程中收集對自己有利的信息，從而謀取較高的經濟收益。

圖2 微波輻射裝置及試驗流程圖Fig.2 Microwave radiation equipment and process

3 結果與討論

3.1 不同微波加載路徑下煤體P 波速度的變化

煤巖體中的孔、裂隙對聲波的傳播具有顯著隔斷作用。一般來說，煤體內部的孔裂隙密度與聲波傳遞的總裂隙橫截面積呈正相關，當密度變大時，聲波的反射信號就會變強，使得超聲波的穿透能量降低散射能量增加，同時聲波的衰減系數增大，波速會相應減小。不同微波加載路徑輻射前后煤樣的P 波速度變化如圖3。煤體輻射前后P 波波速降低幅度見表2。

表2 煤體輻射前后P 波波速降低幅度Table 2 Reduction ranges of P wave velocity before and after coal body radiation

1）間歇600 s 加載。由圖3（a）可知，B 組全部試件的P 波波速會隨著微波輻射的加載而降低，在整個加載的時間范圍內，因受到試件本身礦物成分、組成結構以及本身P 波速度的差異，而使得各試件間波速速度變化并不相同，波速變化程度也不明顯，可得知在B 路徑下，微波作用后的煤體P 波速度會發生小幅的降低，是由于煤體內部的裂隙數量小幅增加，體積輕微變大，聲波通過試件內部的時間增加，導致速度降低。

圖3 不同加載路徑輻射前后煤樣的P 波速度變化Fig.3 Changes of P-wave velocity of coal before and after radiation of different paths

2）間歇60 s 加載。由圖3（b）可知，C 組全部試件的P 波波速同樣會隨著微波輻射的加載而逐漸降低，其中試件分別降低了38.18%、34.55%、53.05%，與B 組試件相比較而言，整個C 組試件最小P 波速度降幅達到34.55%，B 組最大波速降幅僅29.07%，可得知煤體在較小間歇時間加載下的P 波速度會發生較為明顯的降低，原因是較短的間斷時間可以使得微波產生的熱應力得以延續，能量散失較少，使得更多的能量促進孔隙裂隙進一步的發育。

3）連續加載。由圖3（c）可知，D 組加載路徑的煤樣波速變化明顯，煤體P 波速度顯著降低，降幅均超過50.61%，隨著微波輻射的進行，由于加載期間不存在間歇，微波提供能量散失較少，煤體內部聚集的能量加劇煤體內部孔隙裂隙的貫通，與此同時原始孔隙裂隙進一步的發育，并且促進新的裂隙發育，煤體內部損傷嚴重，導致波速變化最大。

結合圖3（d）與表2 可以看出，加載前煤樣的P波波速存在差異，這受本身礦物與內部結構的影響，煤樣在微波輻射后其P 波波速均有所降低；煤樣試件P 波波速由初始的1 630～1 720 m/s 下降到710～1 330 m/s，煤樣最低降幅達到21.76%，由B 組試件產生；最高則達到56.44%，由D 組試件產生；由此可見，在微波輻射作用下，煤樣的P 波速度均發生了一定程度的降低，這說明微波輻射促進了煤體內部微結構的發育，對煤體內部產生了損傷，使其波速降低。

微波輻射前后不同路徑下的平均P 波波速變化情況如圖4。由圖4 可知，不同微波加載路徑下，總體P 波速度降幅表現為B 組＜C 組＜D 組。

圖4 微波輻射前后不同路徑下的平均P 波波速變化情況Fig.4 Variation of mean P-wave velocity in different paths before and after microwave radiation

其中，路徑B 下分別下降了29.07%、21.76%、23.81%，整個B 組試件平均P 波速度降低了25.24%，降低幅度較小，這說明此時煤體內部孔、裂隙發育延展緩慢，微波對煤體內部損傷程度較低；路徑C 下平均P 波速度降低達到了41.94%，相比于B 組試件降低幅度更為明顯，由此來看，即使在高功率、輻射能量相同的情況下，當試樣冷卻后再次被加熱時，波速并不會像間隔較短加熱時發生明顯降低，這是由于關閉微波后試樣內各礦物之間進行熱傳導，長時間的間隔導致溫度逐漸變得均勻，微波輻射出的能量散失，這樣在二次加熱時產生的熱膨脹程度就會減小，此時產生的熱應力不足以使煤樣微結構發生明顯變化；D 組微波連續輻射試樣時，P 波波速發生了顯著降低，整個D 組平均波速降幅高達53.79%。結果表明：微波連續加載作用下煤樣內部微結構數量的增加幅度遠大于微波間歇加載條件下的微結構數量。一方面，在微波連續輻射下，微波能量大部分作用于煤體內部，能量散失較少，劈裂作用得以增強；另一方面，由于微波對煤體的熱破裂作用，使得煤體內部微結構數量大幅增加。由此可見，微波連續加載更有利于煤體內部微結構發育，從而提高煤巖體內部儲層的滲透性。

3.2 不同微波加載路徑下煤體強度的變化

單軸抗壓強度是衡量煤巖體抵抗外力破壞能力以及自身堅硬程度的一項重要指標，可反映煤體弱化、致裂效果。不同微波路徑輻射后煤樣抗壓強度如圖5。

圖5 不同微波路徑輻射后煤樣抗壓強度Fig.5 Compressive strength of coal after different microwave paths

由圖5 可知，對照組最小抗壓強度為15.55 MPa，最大抗壓強度為34.87 MPa，平均抗壓強度為24.94 MPa；輻射后煤樣最大抗壓強度為10.8 MPa，最小抗壓強度2.66 MPa，平均抗壓強度為6.26 MPa，降低幅度高達74.91%，與前文研究的P 波波速呈現大致相同的變化，不同在于，抗壓強度平均降低幅度更為巨大。B 組與對照組相比，整個輻射后煤體的平均抗壓強度下降了66.80%；C 組與對照組相比，整個平均抗壓強度與B 組相比降低更為明顯，高達76.79%；而D 組與對照組相比，煤樣的平均抗壓強度降低幅度達到了80.89%。由此可見，3 種加載路徑均導致煤樣抗壓強度的降低，煤體抗壓強度的降低反映微波輻射對煤體的弱化程度，微波加載路徑的不同，導致輻射后煤體抗壓強度的降低幅度也各不相同。因此，在煤巖體微波弱化致裂工程實踐中，一方面可通過微波連續加載加強煤巖體弱化致裂；另一方面通過縮短微波間歇時間也可一定程度加快煤巖體弱化致裂進程。

3.3 不同微波加載路徑下煤體損傷因子的變化

損傷導致物體內凝聚力的進展性減弱，體積單元破壞，使得物體內部微裂紋和微孔洞的產生和擴展而引起逐步劣化，故損傷常作為一種劣化因素與物體彈性模量、強度等宏觀基準量結合探討。已有研究[25]從煤巖組合體力學特性演化規律，分析了煤巖組合體的劣化機制，指出了彈性模量與損傷劣化之間的聯系。因此探究微波對煤體內部損傷影響時，可用煤樣加載前后彈性模量的改變來定量表征煤體內部微結構的損傷情況，基于彈性模量法損傷變量模型[26]，現定義輻射后煤樣的彈性模量與對照組煤樣彈性模量的比值為損傷因子或連續度，則可得煤體累積損傷因子的表達式如下：

式中：Dm為煤樣試件的損傷因子；Es為經過微波輻射后煤樣試件的彈性模量；E0為對照組煤樣試件的彈性模量。

輻射后煤樣彈性模量及微結構損傷因子Dm的變化如圖6。

圖6 輻射后煤樣彈性模量及微結構損傷因子Dm 的變化Fig. 6 Changes of elastic modulus and microstructure damage variable Dm of coal after radiation

由圖6 可知，對于處理后的試件，彈性模量都明顯降低，降低幅度高達50%以上，輻射后彈性模量在0.19～0.51 GPa 范圍內，彈性模量的平均降幅在74.22%，最高達86.61%，并且不同的微波加載路徑，導致彈性模量降低幅度也不同，這與煤體抗壓強度變化情況一致；B 路徑下，彈性模量平均降低幅度為68.35%，且輻射后彈性模量越小，累積損傷因子越大；而D 路徑與C 路徑相比，D 加載路徑下變化幅度要大，原因在于煤體內礦物顆粒的不均勻分布與較少的能量散失，使得煤樣局部出現較大的溫度梯度而產生熱應力集中，當煤樣內部基質非均勻膨脹所產生的熱應力大于基質的極限強度時，煤體將產生破壞，使得煤樣的微結構數量較C 路徑相比增加更多，導致D 組煤體脆性增強，彈性模量顯著降低。

由圖6（d）可以看出，煤樣在不同加載路徑微波輻射后其彈性模量均有所降低，輻射后，B、C 路徑下煤樣平均彈性模量分別下降到0.45 GPa 和0.34 GPa，D 路徑下則下降到0.28 GPa，說明經過微波輻射后的煤樣內部都會出現一定程度的損傷，輻射時的微波路徑不同，煤樣試件產生的損傷也各不相同。相同能量下，微波間歇時間為600 s 時，煤樣的損傷因子最?。婚g歇60 s 時，損傷因子較前者增加；在微波連續輻射120 s 時，煤樣的損傷因子最大。由此可見，在微波能量相同的情況下，煤體彈性模量受路徑影響；間歇加載下，間歇時間越長，彈性模量降低越小，煤樣的累積損傷因子越小，煤樣的損傷效果越不明顯；連續加載下，煤樣彈性模量降低最大，微結構損傷顯著，因此，微波連續加載是加快煤樣損傷的一項非常有效的途徑。

3.4 不同加載路徑下煤樣表面裂隙的演化特征

不同加載路徑試樣在不同時間段的裂紋擴展規律如圖7。

1）間歇600 s 加載。由圖7（a）可知，原始煤樣表面較為平整，無明顯裂隙發育；加載30 s 時，裂紋從試樣上部產生；隨著輻射次數的增加，主裂紋逐漸向試樣中部延伸，產生的主裂紋近似平行于圓柱形試樣的軸線，在主裂紋上產生的分支裂紋向橫向延伸，在試樣中部產生的裂紋主要呈放射狀；在120 s 時，主裂紋的寬度緩慢增加。

2）間歇60 s 加載。由圖7（b）可知，試件無明顯原生裂隙；30 s 時在煤樣中部出現交叉裂隙，并向煤體頂底部延伸，下部伴有油脂析出；隨著加載的進行，裂隙擴展，開度增大；120 s 時，在煤體中部附近出現灼燒現象。整個過程與B 路徑相比，煤樣表面新生裂隙不再是向單一方向延展并拓寬，而是由中部向端部方向進行延展，同時出現分岔、穿越等發育模式。這說明煤的累積損傷隨微波輻射次數的增加而增大，微波促使的熱應力會逐漸集中于煤體薄弱部位，從而導致裂隙擴展呈現多樣化，最終使得裂隙發育較為完整。

圖7 不同加載路徑試樣在不同時間段的裂紋擴展規律Fig.7 Crack growth law of specimens with different discontinuous loading paths in different time periods

3）連續加載。由圖7（c）可知，對15＃試件，微波連續輻射導致煤樣頂部發育出1 條豎向主裂隙并向煤樣底部延展，最終貫通整個煤體表面，方向與煤體底面呈一定角度，同時，主裂隙旁也出現1 條小裂隙，從煤樣中部向煤體兩端延伸，并與主裂隙近似平行，而對D 路徑下另一試樣16＃而言，隨著微波加熱進行，原生裂隙逐漸擴展的同時新生裂隙也大量發育，原各孤立裂隙相互連通并形成主裂隙或裂隙網，與C 路徑相比新生成的裂紋趨于復雜，不再是單一裂紋由中部向端部進行擴展，而是形成裂隙網，裂紋在中部向各個方向進行延伸發育，這種裂隙網通常包括主裂隙和分支裂隙。

綜上所述，在逐次加載能量時，試樣內由各礦物成分的不均勻熱膨脹產生的熱應力隨輻射間斷時間的增大而逐漸減小，在產生的熱應力不足以使試樣發生破裂前，在試樣表面會產生新的裂紋和導致原有裂紋繼續擴展。由此可見，煤體微波加載路徑的改變能有效的致裂煤體，加載路徑對煤體裂隙的擴展具有明顯的差異性且形成了新的裂隙網絡，這有利于增強低滲透煤層微波加載路徑實踐中煤體致裂的效果。

4 結 論

1）煤樣在不同加載路徑微波輻射后其P 波波速均有所降低，全部試件由初始的1 630～1 720 m/s 下降到710 ～1 330 m/s，煤樣波速的平均降幅達40.13%，間歇加載后，煤樣平均降幅達33.52%，連續加載后，降幅達56.47%，表明在微波能量為216 kJ的試驗條件下，微波連續加載更有利于煤體微結構的發育。

2）微波輻射后，煤體抗壓強度、彈性模量均下降，平均抗壓強度降幅高達74.91%，彈性模量最小降幅達65.01%，連續加載下高達80.11%；連續加載下，煤樣內部微結構累積損傷因子最大。

3）加載路徑對煤體表面裂隙的擴展具有明顯的差異性，不同的加載路徑下，煤體表面裂隙發育以及表面破壞的程度相差甚遠；在微波能量為216 kJ 的試驗條件下，微波連續加載使煤體表面裂隙更發育。

4）煤體微波加載路徑的改變能有效的致裂煤體，在微波能量為216 kJ 的試驗條件下，采用微波連續加載，煤體損傷最為嚴重，煤體致裂效果最佳。