不同功率微波預處理煤樣增透效果及能量變化研究

齊消寒,王品,侯雙榮,劉陽,朱同光

遼寧工程技術大學安全科學與工程學院,遼寧葫蘆島 125105;礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室(遼寧工程技術大學),遼寧葫蘆島 125105

隨著煤炭開采深度的逐漸增加,煤與瓦斯突出動力災害防治形式愈加嚴峻。煤作為一種孔裂隙雙重介質,內部裂隙交錯分布,應力分布情況復雜,對吸附在煤基質孔隙中瓦斯的運移有較大約束,也導致在抽采過程中經常發生瓦斯流量衰減、抽采困難且效率低等問題[1]。強化瓦斯抽采是解決這些災害事故的重要技術手段,而煤巖滲透性直接決定著瓦斯抽采效率。因此,煤層透氣性增強研究急需進一步深入和創新。除了水力壓裂[2-3]、水射流割縫[4]、超前鉆孔[5]、松動爆破[6]等已經在井下得到實際應用的增透技術之外,近幾年國內外學者相繼提出了液氮致裂[7]、超臨界CO2增透[8]、高壓電脈沖沖擊法[9]、生物增透[10]等新型增透技術。這些技術雖具有一定可行性,但在應用方面還存在一定局限性。

早在20 世紀末,KINGMAN 等[11]分析了關于煤炭微波處理的研究基礎及實驗規模數據。進入21世紀,關于微波輻射對煤巖的影響有了深入的研究。王衛東等[12]研究褐煤內部水分在微波場中的變化規律,分析了微波輻射功率和初始含水率對微波干燥脫水的影響。HONG 等[13-14]通過對比分析不同功率輻射下煤樣的溫度、質量、比熱容,研究微波輻射對煤體巖石物理特性以及對煤芯孔隙結構和氣體滲透性的影響,表明微波加熱后,煤的孔隙率明顯增加,但分形維度下降。胡國忠等[15]研究煤巖在微波輻射下的動態破壞時間、相關能量指數、單軸抗壓強度和縱波波速的變化規律,得出最優化降低煤巖沖擊傾向性的微波參量范圍。單鵬飛等[16]對比不同含水率富油煤輻射前后的物理力學性質得出,微波對煤樣性質改變的影響相較于水更大。

在微波輻射提高煤巖滲透性的實驗研究方面,KUMAR 等[17]通過短脈沖、高能量的微波輻射煤巖,得出微波可能會加強水平井筒和現有裂縫網絡之間的溝通,從而提高氣體回收率及促進CO2的注入。李賀等[18-19]通過控制對煤樣的微波輻射時間,研究煤巖孔裂隙的結構演化規律,發現微波輻射煤巖后,由于熱應力會導致煤巖原生裂隙發育同時產生新裂隙,從而使煤巖滲透率增大,超聲波波速減小。LI 等[20-21]研究發現,微波輔助熱解會極大促進煤體孔裂隙的發育貫通,從而提供充足的滲流空間。MA 等[22]探討了不同微波功率、不同輻照時間、不同能量輸入與煤的滲透性之間的關系。胡國忠等[23]探索煤樣所含水分對微波增透效果的影響,揭示了不同含水煤體經過微波輻射后孔隙的數量、尺度、連通性以及煤體的核磁滲透率和表面裂隙的演化規律,得出微波輻射后煤體微孔的數量與體積減少、煤體中孔和大孔及微裂隙的數量與體積均增加,且不同孔隙之間的連通性更加完好,但與含水多少無關。曹軒[24]在物理實驗與理論分析相結合的基礎上,對微波脫水期內煤體的熱梯度作用進行研究,闡述了微波對含水煤體結構演化和致裂增透作用的影響機制。林柏泉等[25]分析不同增透技術的應用及理論研究現狀,研究了微波循環作用在煤體內部造成熱量持續累積,對煤體孔隙結構演化的影響。JEBELLI 等[26]考慮煤的點火溫度,模擬了與采礦環境非常相似的較大體積煤礦空間,設計了一種便攜式小型微波槍,為微波致裂在井下應用提供依據。

綜上分析,目前文獻大多基于微波輻射原理及煤巖自身物性變化來研究微波輻射對煤巖的影響,而針對不同功率微波在煤巖破壞過程的影響研究較少。因此,本文基于煤樣特征參數(如彈性模量、泊松比、抗壓強度等)的變化,結合不同功率微波致裂煤巖實驗過程中的宏觀體變形演化規律對煤的力學滲流特性進行分析,探究不同功率微波輻射前后煤巖的能量演化規律,為微波致裂技術應用到低滲煤層瓦斯增透增產提供參考。

1 實驗設備及方案

1.1 煤樣制備

實驗煤樣為貧煤,取自潞安王莊煤礦9106 工作面。將大塊煤通過電動鉆孔取芯機抽取成直徑50 mm 的圓柱煤芯,然后利用切割磨平一體機和雙端面磨平機將煤柱兩端切割磨平,加工為符合國家標準的50 mm×100 mm 煤樣(圖1)。使用HC-U7系列非金屬超聲檢測分析儀對煤樣進行超聲檢測,將縱波波速在1.75 ～1.95 km/s 范圍內的煤樣作為實驗用件。在制取煤樣過程中煤樣被水浸濕,為避免煤樣含水率差異影響實驗結果,將煤樣放置鼓風干燥箱中維持40 ℃烘干48 h 以上,從而讓煤樣含水率接近原始狀態。

1.2 實驗設備

相關實驗均在遼寧工程技術大學安全科學與工程學院重點實驗室進行,實驗設備包括微波設備、力學滲流實驗設備等。

微波設備為常規可調節功率微波加熱器,預處理后煤樣溫度使用高精度熱電偶溫度計測量。具體測溫方式為:將煤樣與測溫件(測溫件上端向煤樣內部打入直徑5 mm,深度50 mm 的孔洞,用來插入測溫探頭讀取煤樣內部溫度)一起放入微波加熱器,輻射結束后立即將測溫探頭插入測溫件上端孔洞進行溫度測量,取出煤樣冷卻至室溫后進行實驗。

力學滲流實驗設備包括伺服萬能實驗機和高圍壓三維可視測量系統兩部分,均由計算機主控且實時記錄數據。伺服萬能實驗機以油壓為動力向煤樣提供軸向載荷,最大可提供軸向力150 MPa。高圍壓三維可視測量系統以密封缸體注水飽和的方式輸出靜水壓,最大可提供圍壓10 MPa。通過高速攝像機拍攝煤樣在壓縮過程中包裹在外層圖測膜上的192 個角點的位移變化,利用軟件將角點位移變化繪制成煤樣體應變場等值線變化圖,可直觀呈現煤樣破環前后的變形情況(圖2)。

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Experimental setup

1.3 實驗方案及步驟

首先,制備的煤樣烘干后,按照取自同一煤塊作為分類條件進行分批存放,選其中一批作為本次實驗所用煤樣。

其次,分別進行4 組實驗,每組煤樣不少于3個。設置其中1 組作為對照組,不進行微波輻射;其余3 組煤樣分別進行功率200 W、400 W、600 W的微波輻射預處理,輻射時間為3 min,微波處理后煤樣內部溫度遠低于煤的燃點(表1)。

表1 預處理煤樣參數Table 1 Parameters of pre-treated coal samples

最后,煤樣制備完成后進行力學滲流實驗。實驗操作步驟如下:

(1) 首先借助承膜筒先將黃色橡膠膜和圖測膜依次包裹在煤樣外側,并在煤樣兩端各墊一張細紗網,防止煤樣破碎后煤渣堵塞氣體通道;其次,將煤樣放置在密封缸中出氣孔上,圖測膜正面四列白色方塊正對攝像機鏡頭;然后將帶有進氣孔的透水石放置在煤樣上方,用橡皮筋勒住上下兩端,保證煤樣與水隔絕;最后,通過注水口向密封缸注水,同時用密封蓋封住缸體上端,當水從密封蓋上端出水口緩緩流出時,表明水位已達實驗要求,關閉注水口和出水口,此時缸體密封。

(2) 通過計算機控制4 組實驗的圍壓,加載方式及速率和氣體壓力均保持不變。在計算機中輸入相應參數,以0.02 MPa/s 的速率將密封缸中的靜水壓力加載至預設值3 MPa,此時保持σ1=σ2=σ3(圖3)。

圖3 煤樣受力情況示意圖Fig.3 Force analysis on the coal sample

(3) 通入壓力1 MPa 的氣體,打開電子流量計監測流量,待穩定后采用位移加載的方式施加軸壓,設定速率為0.2 mm/s,加載至煤樣破碎。

其余煤樣重復上述步驟,相應參數依照實驗方案進行輸入,實驗流程如圖4 所示。

2 力學滲流實驗結果與分析

2.1 微波作用下煤樣力學參數

整理應力-應變數據,計算得到煤樣在不同功率微波輻射下的力學參數(表2)。表2 中4 組方案對應試件的彈性模量與泊松比是多次實驗結果的平均值。

表2 煤樣力學參數Table 2 Mechanical parameters of coal samples

對照原煤樣,破壞后煤樣的峰值應力與泊松比隨著微波功率的增加均呈下降趨勢(圖5)。

圖5 不同功率微波下煤樣峰值應力變化曲線Fig.5 Curves of peak stress in coal samples under different power microwaves

建立冪函數關系式(1)來表征峰值應力隨微波功率的變化趨勢:

式中,a、b為擬合參數;σmax為峰值應力,MPa;P為微波功率,W。

煤樣微波預處理后外表面裂隙不斷發育擴展,隨微波功率增加這種現象更加明顯(圖6)。內部由于極性物質分布錯亂,微波作用導致極性分子高速旋轉、摩擦及碰撞現象更加顯著,電磁能轉變為熱能,并通過熱對流與熱傳導的方式向外部煤基質釋放,煤內水分蒸發使裂隙坍塌崩壞。不同位置的水分子及礦物質對微波輻射能的接收程度不同,形成不同溫度梯度,從而產生熱應力撕裂煤體,最終導致煤樣抗壓強度減弱(圖7)。

圖6 不同功率微波預處理煤樣表面裂紋分布Fig.6 Distribution of cracks on the surface of coal samples pretreated with different power microwave

圖7 微波降低煤樣抗壓強度原理示意圖Fig.7 The mechanism of microwave reducing the compressive strength of coal samples

隨微波功率上升,彈性模量呈現先降后升趨勢,相對原煤樣,200 W、400 W 和600 W 預處理煤樣彈性模量分別下降了 31.24%、37.98%、26.04% ,400 W 微波對煤樣力學性能影響最大,受壓變形程度更明顯。

2.2 微波作用下煤樣力學曲線

圖8 為煤樣加載過程中軸向應變、徑向應變、體應變與應力關系曲線的總體變化趨勢。

圖8 不同功率微波輻射下煤樣應力-應變曲線Fig.8 Stress-strain curves of coal samples under different power microwave radiation

圖中煤樣整體應變以壓縮為“正”,膨脹為“負”。分析4 組煤樣軸向應力-應變曲線可以看出,在破壞的4 個階段(壓密階段、彈性階段、屈服階段、破壞階段)中:在壓密階段,4 組軸向應變與應力關系曲線的斜率均呈現逐漸增大趨勢,接近二次函數關系;在彈性階段,煤樣內部裂隙大部分發生閉合,曲線呈線性增長,微波作用后此階段曲線的斜率均低于不經過微波處理的曲線斜率,微波注熱處理后煤樣干燥,脆性增加,且內部已產生損傷,煤樣彈性階段持續時間變短,煤樣的力學性能受微波作用影響較大;在屈服階段,煤樣受微波輻射影響抗壓能力減弱,隨微波功率增加煤樣進入屈服階段的時間更早;在破壞階段,隨微波功率增加,煤樣破壞峰值降低,相比對照組分別降低了13.44 %、28.26 %、15.14 % ,達到應力峰值后,煤樣所受應力瞬間跌落,應變達到最大程度,最終達到某一穩定范圍,即煤樣受壓破壞后的殘余強度。綜合分析,微波功率越高,煤樣徑向及體應力-應變曲線整體應變值越大,煤樣擴容膨脹越明顯。

體應變等值線及煤樣破壞形態如圖9、圖10所示。

圖9 煤樣破壞變形狀態等值線場Fig.9 Contour field of coal sample damage deformation state

圖10 煤樣破壞形態實物Fig.10 Physical destruction of coal samples

由圖9、圖10 可知,原煤樣體應變等值線場圖雜亂程度輕,破碎程度低,破壞位置集中,破壞模式為標準剪切破壞;200 W 微波作用下,體應變等值線場上端出現明顯凹凸,煤樣破壞位置相比原煤樣更加分散,破碎程度較高,最終破壞狀態碎屑增加;400 W 微波作用下,體應變等值線場從上端至下端明顯貫穿,煤樣破碎程度更高,出現不規則網狀裂隙;600 W 微波作用下,體應變等值線場上端部分出現多個明顯凸出,煤樣破壞后產生更多粉末。

綜上所述,相比原煤樣的體應變等值線場,微波作用后煤樣的體應變等值線場分布明顯更加雜亂,且隨功率增加破碎程度越顯著,破壞狀態下產生粉末越多。

2.3 微波作用下煤樣滲流規律

假定煤樣內氣體流動符合Darcy 定律[27],根據式(2),可將流量轉化為滲透率(圖11),從而對比分析4 組煤樣的滲流規律。

圖11 不同功率微波作用下煤樣滲透率變化曲線Fig.11 Variation curve of coal sample permeability under the action of microwave with different power

式中,k為滲透率,10-10cm2;Q為標準狀況下通過煤樣的氣體流量,cm3/s;p0為出氣口氣體壓力,取標準大氣壓0.1 MPa;L為煤樣高度,cm;μ為25 ℃下氣體的動力黏度,MPa·s;A為煤樣端面面積,cm2;p1為實驗設定氣體壓力,MPa。

4 組煤樣的滲透率在煤樣破壞過程的四個階段均呈現先緩慢下降、然后穩定、最后急速上升的演化趨勢(圖11)。壓密階段煤樣內部孔裂隙隨著加載不斷壓縮閉合,滲透率下降;彈性階段滲透率下降趨勢逐漸緩和,最終達到最小值,并在屈服階段依然持續,無明顯變化;直至煤樣破壞,滲透率迅速提高。

擬合不同功率微波預處理煤樣初始滲透率,發現對數函數擬合的相關性系數最佳:

式中,a、b、c為擬合參數;k0為初始滲透率,10-10cm2。

圖12 為煤樣初始滲透率隨微波功率變化關系的擬合曲線。煤樣經過微波預處理后初始滲透率隨著微波功率的增加呈現上升趨勢,主要由于原煤樣中含有一定的水,微波作用下煤樣內部溫度升高能夠有效干燥煤體,解除水鎖效應,從而疏通瓦斯運移通道,擴大滲流空間;同時,微波作用還會促進煤樣內部結構發生損傷,擴大氣體運移通道。這表明微波功率越高,對煤層瓦斯高效抽采的促進作用越明顯。

圖12 微波功率與煤樣初始滲透率擬合曲線Fig.12 Fitting curve of microwave power to initial permeability of coal samples

3 微波功率對煤樣能量演化的影響

3.1 煤樣能量演化模型

謝和平等[28]指出,煤巖破壞是能量耗散與能量釋放的綜合結果。煤樣在加載實驗過程中,各能量變化始終發生在密封缸體中,近似認為煤樣與外界沒有發生能量交換[29]。根據熱力學第一定律,煤樣在加載過程中吸收的總能量滿足以下關系:

式中,U為煤樣吸收的總能量,MJ/m3;Ud為煤樣耗散能,MJ/m3;Ue為煤樣釋放的彈性能,MJ/m3。

展開式(4)可表示為

式中,σ1、σ2、σ3分別為煤樣3 個方向應力,MPa;ε1、ε2、ε3分別為煤樣軸向應變、徑向應變、體應變,%。

煤樣在加卸載過程中會產生軸向與徑向兩部分彈性能,依據相關文獻[29]可知后者遠小于前者,在計算過程可忽略不計。實驗過程中,煤樣彈性能計算式如下:

彈性應變的計算式如下:

式中,Ei為煤樣3 個方向的彈性模量,MPa;νi為煤樣3 個方向的泊松比。

將式(7)代入式(6),可得

3.2 不同微波功率下煤樣能量演化規律

利用式(4)、式(5)、式(8),結合煤樣破壞過程應力-應變數據,計算得到4 組煤樣各能量變化曲線(圖13)。由圖13 可知:

圖13 不同功率微波作用下煤樣能量演化曲線Fig.13 Energy evolution curve of coal sample under the action of microwave with different power

在壓密階段,由于外部載荷影響,煤樣內部主要是孔裂隙壓縮閉合的過程,幾乎所有吸收的總能量U都轉化成彈性能Ue,兩種能量變化曲線近乎重合,此時煤樣耗散能Ud可忽略不計。

在彈性階段,煤樣能量變化主要以總能量U轉化為彈性能Ue為主導,耗散能曲線呈緩慢上升趨勢,主要表現在煤樣產生彈性形變,變形后能夠完全恢復,煤樣不會發生破壞,此時煤樣內部不斷積累彈性能Ue。隨著軸向力的不斷增加內部顆粒之間產生相對位移,煤樣吸收的總能量U在這一過程部分轉化為耗散能Ud。值得注意的是,當微波功率為600 W 時,出現彈性能Ue大于總能量U的情況。原因可能為:與200 W 和400 W 預處理煤樣相比,600 W 預處理煤樣的彈性模量更高,強度最低,在承受應力較低時,煤樣更多地發生彈性變形,此時煤樣彈性能Ue積聚過多。隨著應力增加,煤樣開始進入屈服階段,彈性能Ue減少,耗散能Ud增加,與總能量U關系恢復正常。

在屈服階段,煤樣內部發生明顯的裂隙擴張及塑性變形,耗散能Ud顯著增加,彈性能曲線增長速率逐漸緩和。

在破壞階段,煤樣達到抗壓強度后瞬間發生破壞,此時煤樣在加載過程中儲存的彈性能Ue瞬間得到釋放,轉化成耗散能Ud。

煤樣峰值應力處各能量特征見表3。隨著微波功率增加,煤樣達到破壞峰值應力處的總能量U與彈性能Ue呈降低趨勢,微波作用導致煤樣內部結構發生損傷,抗壓能力減弱,煤樣積聚彈性能Ue的能力減弱。微波功率為200 W 時,相比0 W 各能量變化量較小。當微波功率達到400 W 時,各能量變化量明顯變大,此時煤樣耗散能Ud最小,占總能量U比值為24% ,煤樣積聚的彈性能Ue占總能量U比值最大,為76%。結合圖9 可看出,煤樣破壞的過程較為緩慢和平穩,逐漸形成不規則網狀裂隙,具有較高韌性,不會瞬間發生破壞。

表3 煤樣峰值應力處各能量特征Table 3 Characteristics of each energy at the peak stress of coal samples

4 結 論

(1) 微波功率增大,煤樣彈性模量呈先降后升趨勢,泊松比呈下降趨勢,抗壓強度減弱。峰值應力與微波功率呈負冪函數關系,400 W 微波預處理對煤樣的力學性能影響最大,煤樣受壓變形程度更加明顯。

(2) 微波功率增加,煤樣裂隙發育程度大,煤樣更容易壓密。彈性階段微波后煤樣軸向應力-應變曲線斜率低于原煤樣的曲線斜率,且隨微波功率增加煤樣進入屈服階段的時間更早。相同應力下,微波功率越大,煤樣徑向及體應力-應變曲線對應的應變值越大,煤樣擴容膨脹越明顯。

(3) 微波功率對煤樣滲透率影響程度明顯。隨著微波功率的增加,煤樣初始滲透率呈對數函數上升趨勢,微波功率越高對煤層中瓦斯高效抽采的促進作用越明顯。

(4) 煤樣峰值應力處總能量U與彈性能Ue隨著微波功率增加呈減小趨勢,且各能量變化量明顯變大。

(5) 在相同時間照射下,相比200 W 和600 W預處理,400 W 預處理煤樣耗散能Ud最小。