微波辐照作用对颗粒煤瓦斯解吸特性影响实验研究*

于　红，崔学锋，张瑞林

(1. 河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 451191 ；2.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003)

0　引言

煤矿瓦斯是古代植物成煤作用过程中伴生的以甲烷为主的气体地质体[1-2]，以吸附态、游离态和溶解态赋存于煤层及围岩中[3-5]。通过瓦斯抽采降低煤层瓦斯压力和含量，是减小甚至消除各种瓦斯潜在威胁的有效技术措施[6-7]，然而据初步统计，我国本煤层平均瓦斯抽采率却不足10%，其主要原因是原生结构煤在构造应力作用下发生变形、流变、变质作用，松软构造煤普遍发育，其透气性系数只有10-3～10-4mD[8]，瓦斯抽采效果并不十分理想。微波场作为电磁场的一种，由于其非接触性，加热体积性、快速性等优点，使其已经被应用于促进煤层瓦斯解吸与渗流等方面，并取得了一定成果。董超等[9]利用工业微波炉对原煤体试件进行了不同时间段的微波辐照作用：实验发现煤样的孔隙率和渗透容积均随微波作用时间的增加表现出先增大后减小的趋势；晋明月[10]研究指出：煤样微孔和小孔的数量和体积随微波作用时间的增长而增大，煤的孔隙率呈先减小后增大的变化规律；胡国忠等[11]研究指出可控源微波在电磁辐射热效应与损伤效应的共同作用下煤体吸附瓦斯能力降低，然而煤体的瓦斯解吸与扩散能力却得到提高；温志辉等[12]研究得出各实验煤样在微波作用3 min和5 min时的瞬间解吸量和累计解吸量均产生“拐点”，呈现了先增加后减小再增加的变化规律。综上所述，研究者探讨了煤样经过微波辐照处理后其孔隙率、吸附容积、吸附量以及孔径分布等变化规律。作为我国煤矿普遍存在且分布日趋广泛的构造煤，对于微波连续-间断加载作用对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过程是否存在非热效应，微波热效应在促进瓦斯解吸过程中的权重是多少，非热效应是促进还是抑制瓦斯解吸，其作用机制是什么，都值得进一步研究。本文主要通过自主搭建实验平台研究连续-间断加载微波作用对煤的瓦斯解吸速率及解吸量的影响，并采用水浴热装置模拟微波产生的热效应，研究其在促进瓦斯解吸中所占权重，并尝试说明微波热效应及非热效应促进瓦斯解吸机理。

1　实验

1.1　实验系统的构建

自主设计并完成安装的连续-间断微波作用对颗粒煤瓦斯解吸特性实验系统主要由微波发生单元、吸附罐、高压配气单元、真空抽气单元、温度控制单元组成。主要设备有高压甲烷气体(10.0±0.5 MPa，20℃)及减压阀、FUJ-PCV真空泵、YBF-100型指针式气压表、红旗Z-100型真空度表、WRN-130的K型-热电偶及显示仪表、格兰仕A7型微波炉。实验系统如图1所示。

图1　微波辐射作用下颗粒煤瓦斯解吸实验装置Fig. 1　Experimental device of particles coal gas desorption under microwave radiation

实验所用微波发生器是由家用Galanz A7-G238N3型微波炉改造而成，其频率为2 400 MHz，微波输出功率为700 W。在微波炉顶部中心钻2个小孔，分别可使热电偶和解吸罐玻璃细管通过即可，孔径不可过大，以免热量散失过多影响实验的准确性。

1.2　煤样的制备及基础参数分析

实验所用煤样取自义煤集团新安矿二1煤层的构造软煤，在井下从新暴露煤壁取样，除去矸石后立即放入密封袋内，以防其被氧化及其水分流失。在实验室条件下使用球磨机将原煤样破碎，筛选出0.5～1 mm煤样备用。煤样干燥过程中保持温度102℃，-0.1 MPa下连续干燥8 h，然后取出放入干燥器中冷却至室温，留待实验使用。工业分析依据《煤的工业分析方法》GB/T212-2008；真密度的测定依据《煤的真相对密度测定方法》GB/T217-2008；a、b值得测定依据《煤的甲烷吸附测定方法》MT/T752-1997；f的测定依据《煤的坚固性系数测定方法》MT 49-1987，测定结果见表1。

表1　煤样基础参数

1.3　实验过程

1)对管路系统抽真空，关闭阀1，打开阀2、阀3、阀4，当真空计读数小于20 Pa且保持2 h，即可关闭阀3和阀4。脱气结束后打开减压阀及阀2向吸附罐内充气，甲烷压力保持0.3 MPa，24 h内吸附罐气体压力下降不超过20 Pa则认为达到吸附平衡状态。

2)微波作用时关闭阀1、阀2、阀4，打开阀门3的同时计时并记录量筒内液面变化，前5 s气体扩散量单独计数。此后每隔5 min开启微波作用10 s，每次微波作用后记录温度变化，单个实验结束后更换煤样。微波作用20,40 s具有相似的实验条件。

3)实验时间为120 min，每组实验结束后，比较实验前后煤样质量变化，如果煤样质量变化超过0.1 g即认定为无效实验。

2　实验结果及分析

分别测定无微波作用、微波连续作用10 s、微波连续作用20 s及微波连续作用40 s 4种实验条件下煤样的瓦斯累积解吸量，如图2所示。

图2　微波辐照条件下累计解吸量Fig.2　Cumulative desorption quantity of particles coal gas under microwave radiation

从图2可以看出，微波作用对于颗粒煤的瓦斯解吸具有明显促进作用，有微波作用和无微波作用解吸曲线均表现为先快速增长而后趋于平缓的变化规律。前5 min由于没有加载微波作用，所以各组实验煤的瓦斯解吸量基本一致。从第5 min开始，由于微波连续加载时间不同，各组煤样的瓦斯解吸量开始出现了明显差异：其中无微波作用煤样的瓦斯解吸量最小，其最终解吸量为2.27 mL/g；微波作用10 s煤样，其最终解吸量为4.15 mL/g，为无微波作用的1.83倍；微波作用20 s煤样，其最终解吸量为6.23 mL/g，为无微波作用的2.74倍，为微波作用10 s的1.50倍；微波作用40 s煤样较其他2组微波作用煤样，其曲线更陡，瓦斯解吸量最多，达到了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，是无微波作用煤样的3.93倍。

为了说明微波作用对煤样瓦斯速率影响，根据煤样瓦斯瞬时解吸量及时间，求得各实验条件下煤样的瓦斯解吸速率，如图3所示。

从图3中可以得出：无微波作用条件下煤样瓦斯解吸速率表现为先快速降低，而后缓慢降低的变化规律；而在微波连续-间断加载条件下，微波连续作用时间段内，解吸速率均迅速增大，微波作用结束后又迅速减小，然而随着微波加载次数的增多及瞬时解吸量的减少，煤样解吸速率峰值逐渐降低。对比分析微波作用10,20,40 s及无微波作用下的煤样，各煤样解吸速率与微波作用时间呈正相关关系，随着时间的延长，煤样瓦斯解吸速率呈现一定程度的衰减，不同加载时间微波作用煤样的峰值的减小即说明了这一点，从图中还可以得出波峰面积(解吸量)随着实验的进行衰减较快，这可以从图2得到验证。

图3　不同微波作用时间对瓦斯解吸速率影响Fig.3　The influence of microwave radiation on gas desorption rate in particles coal

3　水浴模拟微波热效应实验

温度是影响煤体瓦斯解吸的一个重要因素，林海飞等[13]对颗粒煤样瓦斯放散性能多因素敏感性研究指出瓦斯放散初速度与温度呈线性关系；王兆丰等[14]研究认为低温环境抑制了瓦斯解吸，温度越低，抑制解吸效果越明显；曾社教等[15]实验研究发现温度增高比压力降低对解吸作用的影响要敏感得多，然而并未给出具体的经验公式。为了明确微波作用产生的热效应对煤样瓦斯解吸的影响，采用水浴加热模拟不同微波作用产生的热效应。实验过程较微波连续-间断加载作用实验大体相同，主要差别表现在此部分实验将按照微波作用时间与其对应温度改变水浴温度。需要指出的是微波作用40 s煤样的温度在51 min后就已超过100℃，因此水浴模拟微波连续-间断作用40 s条件下只模拟到51 min。

分别进行不同条件下水浴热模拟微波热效应实验，得到了水浴模拟微波作用10,20,40 s及无微波作用下3种实验条件下煤样的瓦斯累积解吸量，同时将微波作用条件下的解吸量与水浴模拟微波热效应瓦斯解吸量对比分析，得到结果如图4所示。

图4　微波作用与水浴模拟微波热效应解吸量对照Fig.4　Effect of microwave radiation and heating on gas desorption

从图4可以明显看出，微波在线作用与水浴模拟微波热效应实验条件下煤的瓦斯解吸量均超过了无微波作用条件下原煤样的瓦斯解吸量。在开始前10 min内，水浴模拟微波连续-间断作用10,20,40 s及无微波作用下解吸量曲线基本重合，原因是前10 min内各实验条件下所达到的温度基本一致。10 min后，煤样瓦斯解吸量由于各自实验条件的不同而产生较大差异，其中水浴模拟微波作用40 s条件下虽然实验仅仅进行到第51 min，然而其瓦斯解吸量却达到了5.74 mL/g；水浴模拟微波作用20 s其煤样最终瓦斯解吸量为5.15 mL/g；水浴模拟微波作用10 s其最终解吸量为3.54 mL/g。其解吸量分别为相应微波连续-间断加载条件下解吸量的87.9%,82.7%,85.3%。对比水浴模拟微波热效应、微波连续-间断辐照曲线走势可以发现，其煤样瓦斯解吸量曲线具有相似的规律，瓦斯解吸初期阶段快速增加而后趋于缓慢增长的变化规律；这是因为：瓦斯解吸是一个吸热过程，而温度的升高使瓦斯气体热运动加剧、解吸能力提高，致使其在煤粒孔隙表面停留时间缩短，随着解吸实验的进行瓦斯总量减少、瓦斯压力梯度降级，瓦斯解吸量逐渐减少，最终瓦斯解吸累计量趋于一定值。然而其解吸规律又有所不同，水浴装置模拟微波热效应中瓦斯解吸速率变化平缓，而微波辐射作用下瓦斯解吸速率波动剧烈，究其原因是微波场作用于煤体不仅产生电磁热效应而且也存在非热效应。热效应主要表现在以下方面：当煤体中热应力大于平均有效应力时，煤体原有的孔隙裂隙张开，导致吸附容积比降低；同时，随着煤体温度升高，煤体骨架发生收缩变形，微孔及中孔的孔容有所降低；其次，随着煤体温度升高，煤体内小分子物质，如水分、小分子有机质等矿物成分挥发出，进而导致煤样的比表面积和总孔体积有所回升，其热效应主要为这几个方面相互作用的结果；微波非热效应来描述除微波热效应以外的其他系统响应，非热效应非等同于和温度有相关性的特殊效应，非热效应方面：甲烷分子在微波场的作用下，可能会由于共价键振动或转动甚至断裂，造成分子间的碰撞频率和有效碰撞频率大大增加，从而加速了瓦斯解吸过程；同时也有可能微波辐射作用下沿电场强度方向瓦斯分子的定向移动从而增加了扩散速率。微波场作用中热效应和非热效应相互影响，致使其作用下瓦斯解吸速率高于同等条件下的水浴加热作用。在微波连续加载时间段内，由于热效应和非热效应叠加作用，瓦斯解吸速率迅速升高。在间断时间内，无微波作用，其热效应等同于水浴模拟条件下热效应，因此微波连续-间断辐射作用下瓦斯解吸速率波动较为剧烈，而在水浴模拟微波作用下由于连续时间段内温度变化不大，其解吸速率曲线较为平缓。上述分析表明，微波作用和纯升温作用都能促进甲烷解吸，在相同升温过程条件下，微波对甲烷解吸的促进作用要优于纯升温作用。

4　结论

1)通过自主搭建实验平台研究了不同时间微波连续-间断作用下瓦斯解吸规律，利用水浴装置研究了微波辐照作用下产生的热效应对瓦斯解吸的影响。

2)瓦斯解吸初期，对于每个微波连续加载时间内，瓦斯解吸量及解吸速率均迅速增加，然而衰减很快，最终瓦斯解吸总量趋于一常数；120 min内，微波连续-间断辐照作用下瓦斯解吸量是无微波作用下的瓦斯解吸量的1.83～3.93倍。

3)微波辐照作用条件对瓦斯解吸的促进作用要优于水浴模拟微波热效应升温作用，微波热效应对瓦斯解吸影响较为显著，权重占82%以上，然而微波非热效应的影响也不可忽视。

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