微波輻射作用下煤體熱效應的特性分析

林柏泉，劉彥池，曹 軒

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

0 引 言

煤層瓦斯是煤礦的重大危險災害源，同時又是一種不可再生能源［1-2］。針對中國煤層具有高壓力、強吸附、低滲透等特點，需要瓦斯抽采強化技術提高瓦斯抽采率，當前存在較多技術，如水力壓裂［3］、密集鉆孔［4］、高壓水射流割縫［5］、CO2驅替［6-7］、N2驅替［8］等。眾多瓦斯抽采強化技術已經取得廣泛的工程應用，但是各個技術的局限性還有待解決，尋找更具普適性的瓦斯抽采強化技術尤為重要。

注熱開采已應用于石油、煤炭等能源行業［9-10］，傳統的煤層氣注熱開采方式主要是利用水蒸氣驅替，提高煤層氣抽采量和抽采速率［11］，或利用水蒸氣產生的高溫環境導致瓦斯熱解吸、固體煤基質破裂，從而提高煤體孔隙率和滲透率［12］。這種注熱方式主要是通過對流換熱方式，先將熱量傳遞至煤體表面，再通過熱傳導傳遞到煤體內部，但熱量逐層傳遞是一個緩慢的過程，且易造成不可避免的熱損耗，其效率低，增透效果不明顯。

有學者提出利用電磁波產熱代替原有的熱蒸汽注熱，其中微波由于其快速、高效、即時、安全、選擇性加熱的特點［13］，被廣泛應用于煤炭干燥［14］、脫硫［15］、熱解［16］等煤炭工業領域中。微波本身并非一種可直接加熱物體的熱源，在電磁場中的煤體受到微波輻射時，其內富含的極性介質粒子能夠吸收微波能量，產生不同的介電響應實現由電磁能向熱能的轉化，從而引起材料溫度的升高，產生的熱效應和煤體內部分介質粒子的運動，會促進瓦斯解吸和孔裂隙發育［17］，因而微波加熱具有致裂、增透煤體的極大潛力。洪溢都、李賀通過試驗及模擬發現微波作用后煤體表面裂紋將逐漸趨于復雜，單一裂隙擴展成具有主裂紋和分支裂紋的裂隙網［18-19］。張永利等設計試驗研究煤巖體在微波作用下的滲透特性，發現輻射功率越高，作用時間越長，滲透率越大［20-21］。

微波本身并不能作為熱源加熱。當吸收體材料置于微波場內時，其自身富含的帶電粒子或有磁矩的微觀粒子會產生束縛電荷或電位移的介電響應，因而對外顯示出極性，從而實現由電磁能向熱能的轉化，這種現象叫做極化。常見的介電響應有電子極化、原子極化、偶極子極化、界面極化和離子傳導［18］：微波頻段上交變電場變化周期為10-9～10-12s，與偶極子極化時間部分重復，因而偶極子極化是引起微波熱損耗的主要因素，當有水溶液存在時，也要考慮到由帶電粒子定向運動而形成的離子傳導損耗。除電介質的極化效應外，加熱材料的介電性質和加熱環境也會影響微波熱效應。電介質吸收或轉化微波的能力主要取決于介電常數ε［22-23］，反映了介質吸收微波能量的能力。介質吸收一部分的電磁能并將其轉化為熱能，在此過程中放熱功率可通過微波頻率和電場強度計算［24-25］。

煤作為一種混合介質，其內含有微波能量吸收體，主要包括水分子與部分礦物質。水分子是一種極強的極性分子，微波輻射時水分子的固有結構會發生正負極分離，產生偶極矩并隨電場方向排列，在高頻交變電場作用下，水分子極易發生轉向運動，分子間的摩擦碰撞將產生大量熱量，熱量通過傳導對流等方式帶動附近區域升溫［26］。同樣地，部分礦物質如黃鐵礦、硫酸鹽等極性分子在微波輻射下也會產生運動損耗，但由于其介電常數較低，運動不劇烈，短時間內產生的熱量不足以使煤體發生較大溫差變化。

同時，微波場內的煤樣其熱量產生和傳遞方式具有選擇性加熱、高效快速加熱、瞬時性加熱、體積性加熱等特點，相比于常規加熱而言具有一定的優越性。目前將微波技術應用于礦井瓦斯抽采領域的研究仍處于初步探索階段，因此需要對微波加熱機理進行較為深入的研究。煤體煤階和煤體的含水率是影響微波輻射熱效率的因素，為此，文中擬在物理試驗的基礎上，對比不同煤階和含水率情況下的微波輻射熱效應溫度場，闡明微波輻射熱效應的主控因素。解釋微波輻射作用下，煤體形成熱區與冷區的原因，并進一步分析煤體異步性升溫的傳熱機理。研究結果可為開發低透煤層瓦斯高效抽采新技術奠定基礎。

1 試驗系統及方案設計

1.1 微波加熱系統

采用WLD6S型多模諧振腔微波輻射系統，示意如圖1所示。

圖1 微波輻射系統示意Fig.1 Schematic diagram of microwave radiation system

試驗裝置主要由6大模塊組成：微波發生器、諧振腔、控制系統、注氣系統、冷卻系統、傳輸系統。微波發生器產生的微波頻率為2 450 MHz，單個微波源最大功率為3 kW，可連續穩定地產生電磁波，通過控制臺調控微波源發出的功率和作用時間，微波傳輸到諧振腔作用于煤體。采用駐波場諧振腔試驗平臺，內壁尺寸為630 mm×650 mm×660 mm，其內置稱重和熱電偶測溫功能，可實現實時記錄煤體重量及測溫點溫度。

1.2 試驗煤樣選擇與制備

選用3種不同變質程度的煤樣，分別取自陜西神木煤礦的褐煤（HM）、河南平頂山八礦的煙煤（YM）和山西陽泉煤田的無煙煤（WYM）。

采用沿層理切割打磨后直徑為50 mm，高度為100 mm的圓形煤柱，為了實際測量煤樣內部溫度，在試驗的圓柱煤樣上表面鉆孔，孔直徑為3～5 mm，孔深為50 mm。煤樣制備過程如圖2所示。

圖2 煤樣制備過程Fig.2 Preparation process of coal samples

上述煤樣的工業分析、元素分析及鏡質組反射率測試結果見表1。

表1 煤樣的基礎參數Table 1 Basic parameters of coal samples

1.3 試驗方案設計

首先對不同條件下的煤樣進行微波加熱效果考察，采用紅外測溫儀和熱成像儀進行不同位置的測溫。然后對煤樣內外溫度變化情況及裂隙發育特征進行記錄。整個試驗步驟及主要設備如圖3所示。

圖3 試驗測量設施Fig.3 Experimental measurement facilities

1）采用真空干燥箱干燥煤樣，測定干燥煤樣的質量。然后放置煤樣至真空飽水機內，飽水不同時間獲得不同含水率的煤樣。在該過程中，通過控制加水量和加水速度，避免過量或過快的加水導致煤樣含水率的不均勻。飽水結束后，將煤樣快速取出并用吸水紙擦干凈表面的水分，并用合適的微波功率加熱煤樣，在試驗過程中對煤樣進行稱重，稱重設備內置于測室內。

2）在試驗過程中需對煤體的內部和表面進行測溫。內部測點位于煤樣內部中心，采用熱電偶進行單點測溫，用于代表煤樣內平均溫度，外表面通過打開腔門采用手持紅外測溫儀和熱成像儀快速對煤樣進行測溫，每次隨機在上、下表面、側面等位置選取3個溫度取平均值代表外表面溫度。熱像儀和紅外測溫儀是對物體表面的紅外輻射進行探測，并將紅外輻射的能量轉化為溫度數據。紅外測溫儀可顯示煤體上特定單點的測溫值。熱像儀可測量煤體圖像中每個像素的溫度讀數，清晰直觀反應溫度場；文中將紅外熱成像儀識別紅外輻射信號相對高的局部區域稱為熱區，將信號相對低的區域稱為冷區。溫度測試整個過程未移動測試煤樣，僅在測定表面溫度時開啟腔門，空氣的導熱系數較小，外界空氣對紅外線測溫及成像的結果影響可忽略不計。

3）重復上述步驟，繼續對試驗樣品進行微波加熱、稱重、測溫、采集圖像等一系列操作，直至達到指定上限溫度或煤樣嚴重破裂。

2 試驗結果及討論

2.1 微波輻射下不同煤階的升溫規律

對3種不同煤階煤樣分別進行內外溫度的測量。在微波功率為2 kW，頻率為2 450 Hz的工況下對煤樣進行循環持續性加熱，每5 s記錄一次測溫點溫度值，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，不同煤階煤樣的升溫曲線較為平滑，而溫差曲線有較大波動，但二者均呈現出階段性上升的變化規律。整個試驗過程中煤樣加熱升溫處于脫水階段（97～200℃），說明影響煤樣升溫的主要因素為水分子運動損耗產熱、蒸發散熱、熱傳導與對流換熱。根據溫升速率的變化可將加熱過程分為3個階段：預熱期、持續作用期、加速升溫期。

在預熱階段（約0～60 s），樣品的溫度迅速升高，此時煤樣含水率高，意味著可以吸收大量的微波能，所產生的熱量在60 s內使樣品溫度迅速升到90～100℃，同時產生WYM樣品的升溫速率高于HM和YM的現象。在此階段內從3種煤樣的內外溫差曲線也可以看出，WYM的溫差最大，在50 s時內外溫差值為32℃，而HM與YM溫差值僅為10℃。這是由于WYM結構緊密，水分產生的熱量積聚，導致煤樣內部溫度快速升高。而HM與YM的孔裂隙結構較為發育，水分子吸收微波產熱的同時，結構的連通有利于水分受熱形成的水蒸氣運移至煤體表面。這將導致煤體內部傳熱能力增強，使熱量更快速地傳至環境中。所以盡管微波輻射下煤樣為體積性不均勻加熱，但HM與YM在初始階段其溫度場趨于均勻分布的現象。

在持續作用期樣品內部溫度已基本超過100℃，水分子隨微波變頻運動損耗產熱仍在繼續，故溫度仍在上升，但由于水分大量蒸發，產生的高溫蒸汽在溫差作用下不斷向外部擴散，導致溫升速率相比于第1階段有所下降，但同時向外傳導的熱量也縮小了樣品的內外溫差。當在100 s時HM的內外溫差又緩慢上升，同樣地YM與WYM也在120 s和100 s時出現類似的上升情況，這是隨著微波加熱的進行，煤樣內的水分不斷蒸發，特別是自由水的含量大幅減少，導致一定時刻內蒸發趨于停滯，蒸發耗散熱量也不斷減少甚至趨于零值，反映出微波輻射下水分蒸發是影響煤體內外溫度演化與溫差分布的重要因素。

當處于加速升溫階段，煤體升溫速率增大，熱源主要來源于煤體孔隙內的結合水運動損耗產熱，結合水含量豐富導致內部溫度迅速穩定升高。對于煤樣表面而言，熱量主要是由水分蒸發散熱與熱傳導而來，在此時間段內3種樣品的表面溫度均已達到100℃，故煤體表面與周圍空氣的對流換熱也是影響升溫的因素之一。從圖4可以看出，煤體溫度不斷升高，說明水分子產熱作用大于熱傳導與對流換熱的散熱作用，熱量不斷積累，內外溫差也隨之增大，反映出冷熱區溫度變化的差異，體現微波輻射下煤體升溫的異步性。同時在第3階段的初期，樣品內外溫差曲線均存在一定程度的波動甚至下降，這是由于部分水分在氣壓驅動下以液態水的形式遷移運動至煤樣表面，物質及結構的變化導致部分區域溫升減緩。

圖4 微波輻射下煤樣升溫規律Fig.4 Heating law of coal samples under microwave radiation

2.2 微波輻射下不同含水率煤樣的升溫規律

為獲取煤樣內部水分含量的變化，采用諧振腔內的稱重功能，對不同輻射時間樣品的質量進行記錄。結合完全干燥樣品的質量，采用稱重法理論計算樣品含水率。樣品含水率計算見式（1）

式中 M為某一時刻的含水率；Wt為某一時刻樣品的質量，kg；Wd為完全干燥后樣品的質量，kg。

為闡述不同含水率對煤樣加熱過程的影響，首先對HM煤樣的試驗進行分析，如圖5所示，在預熱階段樣品含水率均呈現微弱下降趨勢，不同的是含水率越高，曲線出現轉折的時間越短，但對比該階段的溫升速率發現，并非含水率越高升溫速率越快。體現在初始含水率為15.37%和11.46%的煤樣升溫速率大于25.28%的樣品，這是由于微波輻射下水分充分受熱蒸發的結果，初始含水率為25.28%的煤樣短時間內在相同的功率條件下微波能穩定，水分子吸收微波能產生的熱量不足以使大量水分子狀態發生改變，水分子運動產熱不充分，而含水率為15.37%和11.46%的樣品相比更容易使其大部分水分子隨微波運動損耗，產熱效果更佳，因而溫升速率快。對于初始含水率為3.41%的樣品，由于水分含量少，不存在微波輻射下水分子過余而無法產熱的情況，因此溫度上升相對緩慢。

圖5 不同初始含水率煤樣的水分變化及溫升規律Fig.5 Moisture change and temperature rising law of coal samples with different initial moisture content

當進入第2階段后，樣品含水率越高，水分下降速率越大，溫升速率也越大，在此階段內隨著水分子持續不斷的運動產熱，熱量快速積累傳遞，水分蒸發散熱與熱傳導等方式提升了整個煤體內的溫度，使溫度呈線性增長，而在部分時間段內溫度微小波動上升，原因在于煤體本身的非均質性與試驗過程中溫度測量的偏差，整體而言水分對煤樣溫升曲線有顯著影響。

另一方面，水分的大量蒸發也導致水分含量的快速減少，當微波加熱150 s時煤樣最低脫水效率也已達到32.01%，水蒸氣的運動促使煤體內形成較大的氣壓梯度與溫度梯度，熱效應使煤體的溫度演化更加劇烈。隨著煤中水分的大量脫除，含水率呈現出線性下降的變化特征，反映出此時煤體內水分蒸發運動仍以一個相對恒定的速率進行，同時溫度也保持穩定增長的變化趨勢。

通過對比其余2種煤樣的水分變化和升溫過程，發現出現了相似的規律。如圖6所示，水分下降與溫度上升的階段相互對應，從而證明水分蒸發是影響煤體升溫過程及熱效應的重要因素，微波輻射下煤體升溫過程呈現“快—慢—快”的變化特征，這與水分含量的階段性變化息息相關。煤體水分分布的不均勻性導致溫度變化也呈現異步性，同時蒸發形成的氣壓梯度與溫度梯度極易形成壓差，在壓差作用下流體發生相對流動，熱流體作用極可能造成煤體損傷變形［27-28］。

圖6 微波輻射下不同煤樣的水分變化及溫升規律Fig.6 Moisture change and temperature rising law of different coal samples under microwave radiation

2.3 微波輻射下煤體的熱效應

在分析研究煤體在微波場內的熱傳導特性時，考慮到選擇性與體積性加熱的特點，需對煤體溫度場及溫度梯度的演化規律做出闡述。考慮到煤中熱傳導、對流換熱等方式將熱量向四周傳遞，因此借助紅外熱成像儀進行溫度場表征，如圖7所示，通過煤體表面溫度分布來展現微波加熱過程中不同煤階煤樣的溫度演化規律，并通過統一的溫度圖例將最低、最高溫度顯示出來。

從圖7可以看出，微波加熱過程中煤體普遍存在冷熱分區，對于HM而言在微波加熱初期整體受熱較為均勻，這是由于HM中水分含量高、分布廣，受熱面積大，而在煤體中心區域出現豎直的高溫帶，此時最高溫度達到65.8℃，最低溫度僅為20.9℃；當微波輻射90 s后，煤樣右側區域溫度上升減緩，這是由于在持續微波作用下該表面區域溫度已達100℃，水分蒸發減少導致熱源損失。而左側區域與高溫帶則迅速擴展延伸，反映出煤體內水分損耗產熱與熱傳導的加劇，溫差形成的對流換熱也導致熱區逐步向上發育。120～150 s時間段內，在煤體內部水分蒸發散熱等熱量傳遞過程中，煤體右側區域溫度隨之快速上升，但整體熱區逐步停止擴展。與此同時，包括高溫帶與溫區、冷熱區間的溫差均進一步增大。高溫帶處也出現明顯的垂直裂隙發育，反映出溫度梯度的存在會促使煤體結構發生損傷，溫差對煤體有明顯的致裂效果。當到達180 s時，熱區反而縮小并逐漸向煤體兩側移動，一方面是由于熱源的減少導致溫升減緩，另一方面也反映出熱傳導能夠均化溫度場。此外，原本的高溫帶隨著裂隙的發育擴展，熱量快速散失，溫度梯度也逐漸減小甚至消失。

圖7 微波加熱過程中煤體紅外熱成像Fig.7 Infrared thermal image of coal during microwave heating

對于YM而言，溫度梯度主要存在于煤樣水平方向，這取決于煤體內水分的分布，但普遍的現象是冷熱區交界處溫度梯度最大，在該位置處也有新的裂隙產生。說明冷熱區交界處，特別是圖7中所示的高溫帶區域極大可能是熱應力集中區和裂隙衍生區。在微波加熱過程中，初始階段煙煤底部升溫迅速；90～120 s時間段底部的熱區逐漸延伸，原本升溫幅度小的頂部也出現熱區，這是內部的水分蒸發向外運動和熱傳導共同作用的結果；隨著加熱時間的延長，熱量在溫差作用下向冷區傳遞擴散，導致煙煤表面的冷區逐漸減小、溫度快速上升，最后表面溫度分布較為均勻，也體現出熱傳導與煤樣內部的對流換熱使溫度趨向于均勻化分布。WYM與上述2種煤樣相同的特征在于：微波輻射下煤樣熱區均是從底部開始擴展延伸，這與微波場底部為高能域的特點關聯較強。不同的是WYM冷熱分區更明顯。由于WYM物質結構相對緊密，蒸發散熱與熱傳遞效果不顯著，同時煤體內水分含量少、分布不均勻，因而在整個微波加熱過程中始終存在明顯的冷區，在180 s時最低溫度也僅為32.7℃；在熱區內溫度梯度隨微波加熱的進行而逐漸增強，區域性受熱升溫特征顯著。

在直觀了解煤樣表面溫度分布的基礎上，需對煤樣不同位置處的溫度進行測量并定量分析，選取煤樣上下表面、冷熱區、裂隙處等位置的溫度來展現微波輻射下煤體升溫的特點。圖8為微波加熱過程中不同煤階煤樣的不同位置處的升溫情況。從圖8可以看出微波輻射下煤體脫水期的升溫過程根據其升溫速率的大小變化大體分為3段式變化，表明煤體升溫的階段性，同時不同位置處溫度曲線的差異也反映煤體升溫的異步性。

圖8 微波加熱過程中煤體不同位置處的升溫曲線Fig.8 Temperature rise curves at different positions of coal during microwave heating

首先，煤體上下表面的溫度曲線顯示出，下表面溫度始終高于上表面溫度，這是由于試驗環境下微波電場自身的場強及能域分布特點所決定的，煤體下表面處于微波波動密集處，更容易吸收微波能并轉化為熱能，導致溫度上升迅速。但不同的是3種煤樣上下表面的溫度差值有明顯區別，HM由于其水分含量高、結構較為連通松散，有利于熱量的產生及傳導，故上下表面溫度差最小，結合圖8的溫度分布也可以看出HM整體受熱效果好，溫度演化較為平緩。而YM該位置處的溫差呈現“升—降—升”的變化趨勢，這與煤體內外溫差的變化極為相似，體現微波體積性加熱的特點，反映水分的變化與熱傳導的過程。水分的蒸發散熱運動及含量的減少導致溫度的波動上升，熱量的傳遞影響上下表面間的溫差。對于WYM而言，下表面的升溫速率遠高于上表面，溫差逐步升高，因而溫度梯度較大，但上下表面間熱傳導緩慢。

煤體冷熱區與上下表面的溫度演化規律相似，冷熱區的形成是由煤體內部水分含量決定的，水分含量高意味著可吸收更多的微波能，水分子運動損耗產熱也更劇烈；而冷熱區間的溫度梯度與蒸發散熱、熱傳導對流能力及煤樣固有結構等有關，水分大量蒸發有利于熱量向裂隙末端及裂隙邊緣積聚，可形成更高的溫度梯度，極大地促進裂隙的擴張和發育，而熱量的傳遞可促使煤體溫度加速升高，煤體松散多孔的結構有助于高溫的擴散，使煤體受熱作用面更廣。另外，通過對比煤體的裂隙溫度與熱區溫度，發現在初始階段二者近似相等，這是因為在此時間段雖溫度逐漸上升，但仍屬于熱量累積階段，形成的溫度梯度及熱應力不足以撕裂煤體形成新裂隙；在60～120 s時，裂隙逐漸形成發育，此時裂隙附近溫度高、升溫快、溫度梯度大，但熱量會隨著裂隙的擴張延伸而散失，裂隙處熱量損失的速率高于熱區對流換熱速率，因而在后2個階段裂隙溫度低于熱區溫度，但溫度梯度仍在逐步增大。

綜上所述，微波輻射后，煤體內不同組分具有微波吸收異質性，在冷熱區交界處煤體溫度梯度大，產生熱應力，熱應力撕裂原生裂隙并催生出新裂隙［29］。熱區與冷區的形成主要是取決于煤體內水等極性分子的含量和分布，同時，伴隨著蒸發散熱與熱傳導、對流換熱等熱量傳遞方式，煤體表面的溫度場趨于均勻分布，但水分損耗產熱效果始終強于熱傳導，因而即使熱區逐漸擴散延伸，但煤樣整體仍呈現出異步性加熱、不均勻受熱的特點。

3 結 論

1）在微波輻射脫水期（溫度范圍為97～200℃）內，不同煤階的煤樣根據溫升速率的變化均可將加熱過程分為3個階段：預熱期、持續作用期、加速升溫期。脫水期溫度變化的主控因素為運動損耗、蒸發散熱以及煤體的熱傳導性能。

2）在煤樣加熱過程中水分含量的變化呈現出“慢—快—慢”的規律，水分的變化與煤體升溫過程相互對應，反映出水分是影響煤體熱效應的主要因素。

3）微波輻射下煤體熱區與冷區的形成主要取決于煤體內水等極性分子的含量和分布，而溫度梯度主要存在于冷熱區交界處，它與蒸發散熱、熱傳導對流能力及煤樣固有結構等有關。水分大量蒸發有利于熱量向裂隙末端及裂隙邊緣積聚，可形成更高的溫度梯度，而熱量的傳遞可促使附近溫度加速升高，煤體受熱破裂后裂隙內產生對流換熱增加煤體傳熱能力，使煤體受熱作用面更廣，溫度場更均勻。