微波作用下煤层渗透性变化规律实验研究*

张永利，尚文龙，马玉林，苏 畅，马 凯

(1.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新，123000；2.辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁 阜新，123000)

0 引言

煤层气，又称瓦斯，是煤炭形成过程中的伴生产物，主要成分是甲烷。在矿山灾害中，以瓦斯事故危害最大，严重威胁我国煤矿安全生产[1]，同时，煤层气也是一种高效的清洁能源。因此，实现煤层气的合理开采既能满足我国大量的能源需求，又能减少因瓦斯引起的矿山灾害，对我国能源结构具有重大的战略意义。特殊的地理条件决定了我国煤层气储层高储低渗的特性，极难抽采，煤储层的渗透性是衡量煤层气开采难易程度的一个重要参数[2-3]。因此国内外学者对煤层气增产方法进行了大量的研究，如：高压注水，水力割缝，水力压裂，超声波激励法[4-8]等，并取得了一定的研究成果。

微波辐射在其他生产领域已经得到了广泛的应用，如：炼焦,岩土工程，石油开采，污水处理[9-12]等。微波作为一种超高频电磁波，最常用的微波频率为2 450 MHz，微波加热具有即时性、整体性、选择性、高效性和安全性等特点，微波加热过程就是极性分子在微波磁场中实现分子水平的“搅拌”，使其分子相互碰撞、摩擦而生热[13]。将微波辐射应用到煤层气增产方面属于新兴的研究领域。近几年国内一些学者进行了大量的研究，管伟明[14]提出了微波加热煤储层的共轭传热模型；代少华[15]，温志辉[16]就微波辐射下颗粒煤体吸附/解吸规律进行研究；李贺[17]，洪溢都[18]就微波辐射下煤体孔裂隙结构演化进行了研究。由此可见，微波辐射在煤层气增产方面的研究正在日渐完善。综上所述，文中利用自行设计的实验系统，分别进行不同微波功率、不同辐射时间条件下的煤样渗透率测定实验，实验结果为进一步研究微波辐射技术在煤层气增产领域的应用提供理论依据。

1 微波辐射实验

1.1 实验原理及装置

实验采用自行研制的微波辐射含瓦斯煤渗流实验系统，整个系统由微波发生装置、三轴加压装置、气体测量装置、手动油压泵和高压气瓶组成，如图1所示。其中，微波发生装置采用的是频率为2.45 GHz的微波发生器，微波由发生装置产生，经波导管传至三轴仪外微波导入端，由螺旋铜导线将微波导入三轴仪。其中微波发生装置的微波功率可以实现变功率调节，微波辐射时间可以按目标时间进行设定，以实现不同功率、不同辐射时间的微波作用于煤体，实验煤岩位于螺旋磁场中心。实验主要研究不同微波功率、不同辐射时间条件下，煤样渗透率的变化趋势。实验中采用惰性气体施加围压，目的是避免对微波辐射磁场的影响，轴压由手动油压泵施加。为控制实验变量，轴压、围压保持5 MPa不变。进行渗流实验时，采用排水法测定气体渗流量，计算渗透率。

1.调压阀; 2.压力表; 3.围压口; 4.甲烷气体入口; 5.轴压口; 6.甲烷气体出口; 7.阀门; 8.量筒; 9.水槽; 10.三轴渗透仪; 11.聚四氟内套; 12.煤样; 13.微波辐射导入端; 14.波导管; 15.微波发生装置;16.甲烷气瓶; 17.氮气气瓶; 18.手动油压泵。图1 实验系统示意Fig.1 Experimental device and schematic diagram of testing system

由于煤层气的主要成分是甲烷(CH4),实验采用纯度99.99%的甲烷气体，为保证实验安全，实验室内采取有效的通风措施，保证通风顺畅，对出气口甲烷进行浓度稀释处理。

1.2 实验煤样

实验主要研究微波辐射条件下煤样渗透率的变化规律。为了避免原始煤样的非均质性差异对实验结果的影响，实验中的试件选用自制型煤。原始煤样取自辽宁阜新海州矿。利用颚式破碎机将原始煤样粉碎，筛选出60～80目(0.25～0.18 mm)的煤粉，将煤粉与松香按50∶1的比例进行配比，搅拌均匀后，用200 t的实验压力机以100 MPa的成型压力压制成φ50 mm×100 mm的型煤标准试件，将制备好的型煤试件放入恒温箱内，在353.15 K条件下干燥36 h后备用。

1.3 实验步骤

1)利用热缩管将干燥备用的型煤试件与上下压头进行塑封，将塑封好的试件装入三轴仪，按图1所示连接实验装置，连接完成后检测整个实验系统的密闭性。

2)检测密闭性完好，对试件施加压力，为防止加载过程中因受力不均匀试件破坏，轴压和围压交替加载至目标压力值，进行稳压检测。

3)轴压、围压保持稳定后，打开甲烷高压气瓶，通过调节调压阀通入一定压力的甲烷气体，使煤样在一定孔隙压力条件下吸附至饱和，孔隙压力由小到大一次调节。

4)打开微波发生装置，设置目标微波功率和辐射时间，微波经由波导管、螺旋铜导线导入三轴仪，在三轴仪内形成稳定的微波磁场作用于煤样。

5)煤样吸附饱和后，打开三轴仪甲烷出气口阀门，测量一定时间内的气体排出量，待出气量基本稳定后，测量5组数据取平均值，作为这一实验条件下气体渗流量，用于计算煤样渗透率。

6)重新设置孔隙压力、微波功率和辐射时间，重复步骤2)～5)，得到相应实验条件下的气体渗流量，计算渗透率，具体实验参数见表1。

2 实验结果分析

实验中所用煤样试件是型煤试件，可视为均质材料， 煤层气在试件中的渗流过程基本符合达西定律，因此实验中渗透率计算可用达西定律：

(1)

式中：k为渗透率，cm2；L为煤样的长度，cm；Q为气体流量，cm3/s；μ为气体的动力粘性系数，Pa·s；A为煤样的截面积，cm2；P1为瓦斯入口压力，MPa；P2为瓦斯出口压力，MPa。

表1 实验参数Table 1 Test parameters

有效应力是影响煤样变形的重要因素，煤样所受有效应力数学张量表示为：

(2)

根据所得实验数据，得到微波功率分别为500,1 000,1 500 W,辐射时间分别为1,1.5,3 min条件下渗透率-有效应力的关系，并利用拟合软件进行实验数据的拟合处理。

2.1 微波辐射时长在不同有效应力区对煤样渗透率的影响分析

为探究微波辐射时长对煤层渗透性的影响，分析同一微波功率，不同辐射时间条件下渗透率随有效应力的变化趋势，实验数据如图2所示。

从图2(a)渗透率随有效应力的变化曲线中可见同一应力状态下随辐射时间的延长，煤样渗透率数据随之增大，并且在低有效应力区增加幅度明显；图2(b)和2(c)也满足同样的变化趋势，这是因为随辐射时间的延长，向煤样内部输入的微波能量增加，一些对微波吸收率高的矿物质受高温挥发，使得堵塞的气体运移通道畅通；由于微波加热的选择性，煤样内部产生热应力，促使煤样原生裂隙的进一步扩展以及新裂隙的产生，促进了微波的致裂效果。图2中对渗透率与有效应力的实验数据进行拟合，拟合结果如表2所示。其中R2均大于0.98，拟合度极高，由此可得相同微波功率辐射时长不同条件下，渗透率与有效应力之间遵循单调递减指数函数关系。

取不同有效应力区的渗透率实验数据进行分析，如图2(d)和表3所示，由表3的拟合结果可以得出渗透率与微波辐射时长之间满足线性递增关系，在低有效应力区拟合度极高。在有效应力为0.5 MPa时拟合直线的斜率明显大于有效应力为4 MPa时拟合直线的斜率，即在低有效应力区煤样在微波作用下渗透率增长速率大于高有效应力区。分析原因：低有效应力区，随输入微波能量增加煤样内部应力增大，所产生的应力大于外部约束，煤样内部孔裂隙发育，导致渗透率增大。而当有效应力增加，试件外部约束大于试件内部所产生的应力，扩张受到约束，导致渗透率增长缓慢。

2.2 微波功率在不同有效应力区对煤样渗透率的影响分析

改变微波功率，对实验中煤样进行相同时间的间断辐射，分析相同辐射时间，微波功率对煤样渗透率的影响，如图3所示。图3中对实验数据进行负指数拟合，拟合结果如表2中所示，R2均大于0.98，拟合度极高。分析可以得出，不同微波功率辐射相同时长的条件下，煤样渗透率与有效应力之间依然满足负指数函数关系。

表2 不同有效应力条件下渗透率拟合结果Table 2 Permeability fitting results under different effective stress conditions

图2 不同微波辐射时间渗透率随有效应力变化曲线Fig.2 Curves of permeability versus effective stress under different microwave radiation time

表3 不同辐射时间条件下渗透率拟合结果Table 3 Permeability fitting results under different irradiation time conditions

由图3(d)中的实验数据和表4中的拟合结果可以分析得出：应力状态一定，相同的辐射时间，煤样渗透率与微波功率呈线性相关。分析表4中拟合得到的直线斜率，在低有效应力区的斜率远大于高有效应力区，在低有效应力区煤样渗透率随微波功率增长迅速。分析原因，是由于调高微波功率使得作用于煤样的微波磁场强度增加，温度场的温度梯度增大，热应力随之增大，导致煤样内部孔隙结构破坏，即孔裂隙进一步发育，气体运移通道增加，煤样渗透率增大。

保持向煤样输入相同的微波能量，分析渗透率变化情况，如图4所示，微波功率1 500 W时的渗透率曲线明显高于微波功率500 W时的渗透率曲线，可以得出，煤样在微波作用下，相同的能量输入，选择大功率输入有助于增加煤样渗透率。这是由于微波辐射加热的特点导致：同一频率的微波，改变功率不影响微波磁场的整体分布，只是改变了微波磁场的强弱。增加微波功率，微波辐射效率提高，减少微波辐射后能量在煤体内部的损耗，微波致裂效率提高，增渗效果明显。关于作用于煤体的最优微波功率，有待于后续的实验研究。

图3 不同微波功率下渗透率随有效应力变化曲线Fig.3 Curves of permeability versus effective stress under different microwave power

表4 不同微波功率条件下渗透率拟合结果Table 4 Permeability fitting results under different microwave power conditions

图4 相同能量输入渗透率变化曲线Fig.4 Permeability curve under the same energy input

3 结论

1)不同微波功率、不同微波辐射时间渗透率与有效应力遵循单调递减指数函数关系，拟合结果R2均在0.98以上。

2)一定功率条件下，随微波辐射时间的延长煤样渗透率增大，即微波增渗效果与辐射时间呈正相关。

3)高有效应力区煤样渗透率的增长速率比低有效应力区的小，在低有效应力区更有利于提高微波增渗效率。因此在现场开采时，设法降低煤储层有效应力，可以提高微波辐射增产的效率。

4)辐射时间一定，随微波功率的增加煤样渗透率单调递增。微波作用于煤样，当能量输入相同时，微波功率越高，微波增渗效果越好。消耗相同的能量，选取高功率微波对煤样进行作用，增渗效果明显并且有助于提高作业效率，这一结论对微波辐射在煤层气增产方面的应用是极为重要的。煤层气的合理开采可以有效避免矿井瓦斯灾害的发生，对煤矿安全生产具有重要意义。