王亞娟，馬 濤，吳鵬飛

（1.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室－省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000；2.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719300；3.鄭州煤炭工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 大平煤礦，河南 登封 452470）

我國(guó)煤礦多為高瓦斯礦井，開(kāi)采過(guò)程中煤與瓦斯突出災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，且易造成嚴(yán)重的瓦斯事故。傳統(tǒng)意義上往往通過(guò)力學(xué)方法促進(jìn)煤層增透，采用注水注氮驅(qū)動(dòng)、高壓水力沖孔、壓裂、割縫和交叉鉆孔等措施，但受地質(zhì)構(gòu)造和技術(shù)條件的局限性較大，雖能暫時(shí)提高抽放效率，但費(fèi)用較大且耗費(fèi)大量人力和物力[1-2]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始探索通過(guò)一種非力學(xué)方法來(lái)激勵(lì)促進(jìn)煤層瓦斯的放散[3-5]。其中，何學(xué)秋、張力等[6-7]研究了外加交變電場(chǎng)對(duì)瓦斯氣體吸附特性的影響，認(rèn)為交變電磁場(chǎng)下通過(guò)提高煤瓦斯系統(tǒng)的溫度，降低了煤表面的吸附勢(shì)阱深度，使得吸附量降低，放散速度加強(qiáng)，滲透率升高；同時(shí)，在研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯吸附放散的影響具有時(shí)間效應(yīng)，一方面它不隨電磁場(chǎng)的消失而消失，另一方面又隨著重復(fù)吸附次數(shù)的增加而衰減；劉明舉[8]研究發(fā)現(xiàn)了交變電磁場(chǎng)作用后煤樣罐中瓦斯壓力在一段時(shí)間內(nèi)依然不變，出現(xiàn)了類(lèi)似的時(shí)間效應(yīng)現(xiàn)象，但影響該現(xiàn)象不是永久性的，僅僅在一段時(shí)間內(nèi)有效。在靜電場(chǎng)方面，李成武，雷東記[9-10]研究了靜電場(chǎng)對(duì)煤放散瓦斯特性影響，發(fā)現(xiàn)隨著電壓的升高煤瓦斯放散初速度而變大（變?。谀骋惶卣麟妷合逻_(dá)到最大值，其后逐漸趨近平緩，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)煤在靜電場(chǎng)后保持一定的時(shí)間記憶效應(yīng)。前人主要探究了不同電場(chǎng)作用對(duì)不同煤體瓦斯吸附解吸的影響與作用，僅僅指出了在電場(chǎng)作用后煤體仍保持著記憶效應(yīng)，并沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的機(jī)理分析。因此，在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行外加靜電場(chǎng)作用下煤體瓦斯放散特征電壓判識(shí)，并重點(diǎn)研究在特征電壓作用下探究瓦斯放散初速度在煤體記憶過(guò)程的變化特征，進(jìn)而揭示記憶效應(yīng)以及改性機(jī)理等核心問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

自行構(gòu)建并設(shè)計(jì)靜電場(chǎng)下含瓦斯煤體放散實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，瓦斯放散電場(chǎng)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。采用型號(hào)為EST802 靜電放電發(fā)生器為實(shí)驗(yàn)提供0、4、8、12、16 kV 恒定電壓，以導(dǎo)電性能較好的紫銅為電極板；通過(guò)WT-1 型瓦斯擴(kuò)散速度測(cè)定儀對(duì)靜電場(chǎng)處理前后的煤樣瓦斯放散特性進(jìn)行采集，并記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 瓦斯放散電場(chǎng)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental equipment of electric field effect of gas emission

實(shí)驗(yàn)煤樣取自四侯礦的無(wú)煙煤和麒麟礦的貧煤。各礦選取1 號(hào)、2 號(hào)2 份煤樣，其中1 號(hào)煤樣為各礦原生結(jié)構(gòu)煤進(jìn)行取樣，2 號(hào)煤樣為各礦區(qū)域構(gòu)造煤進(jìn)行取樣，每個(gè)煤樣分A、B 2 組平行樣。將煤樣進(jìn)行粉碎，篩取粒度為0.2～0.25 mm 的煤樣，每個(gè)試樣重3.5 g，其中A 組進(jìn)行靜電場(chǎng)下煤體瓦斯放散特征電壓的判定，B 組進(jìn)行在特征電壓下瓦斯放散初速度（單位mmHg，1 mmHg=133.3 Pa）在煤體記憶過(guò)程的變化特征實(shí)驗(yàn)。將制備好的煤樣進(jìn)行干燥，稱(chēng)重后將其密封保存。煤樣密度及工業(yè)分析見(jiàn)表1。

表1 煤樣密度及工業(yè)分析Table 1 Coal samples density and industrial analysis

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 煤樣放散瓦斯電場(chǎng)響應(yīng)特征

為了研究不同變質(zhì)程度煤體在靜電場(chǎng)下放散瓦斯的電場(chǎng)響應(yīng)特征，選用四侯煤礦和麒麟煤礦中1號(hào)、2 號(hào)煤樣的A 組平行樣。在常溫常壓的情況下，分別設(shè)定0、4、8、12、16 kV 的不同特征電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析靜電場(chǎng)下放散初速度與施加電壓存在的關(guān)聯(lián)，對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出如下結(jié)果：研究發(fā)現(xiàn)，電壓為0～8 kV，均為上升過(guò)程且增幅明顯，8～16 kV 區(qū)間均為波動(dòng)狀，且變化幅度有所降低，最終趨于較穩(wěn)定狀態(tài)。這表明施加不同電壓均對(duì)煤樣瓦斯放散初速度具有促進(jìn)的效果，但隨著施加電壓的增大，在達(dá)到一定特征電壓后，瓦斯放散初速度有所回落，且趨于平緩，仍保持高于未加電時(shí)的狀態(tài)。

不同煤樣電場(chǎng)響應(yīng)特征圖如圖2。由圖2 可知，靜電場(chǎng)可以明顯作用于瓦斯放散初速度的放散，無(wú)煙煤和貧煤加電后的瓦斯放散初速度△p 相對(duì)于加電前均有增大，且趨勢(shì)變化不同，說(shuō)明不同變質(zhì)程度煤樣靜電場(chǎng)下的響應(yīng)特征也不相同，但在電壓8 kV 時(shí)，不同煤種均表現(xiàn)出較高的瓦斯放散初速度，因此將其作為優(yōu)勢(shì)特征電壓進(jìn)行記憶效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

圖2 不同煤樣電場(chǎng)響應(yīng)特征圖Fig.2 Electric field response characteristics of different coal samples

2.2 含瓦斯煤體的放散初速度時(shí)間記憶響應(yīng)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了解煤體不同電壓下瓦斯放散響應(yīng)特性后，選用1 號(hào)、2 號(hào)煤樣中的B 平行樣，選擇各煤樣電場(chǎng)響應(yīng)變化幅度最大的8 kV 優(yōu)勢(shì)特征電壓進(jìn)行不同加電時(shí)間下瓦斯放散特性效果試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了常溫常壓下不同變質(zhì)程度煤樣在加電時(shí)間為0、2、4、6、8、10、12 h 瓦斯放散初速度△p 并對(duì)未加電壓后的6 h 進(jìn)行了放散初速度的測(cè)定，得到了施加靜電場(chǎng)后煤體仍作用于瓦斯放散的時(shí)間記憶效應(yīng)特征。8 kV 電壓下不同煤樣時(shí)間記憶效應(yīng)特征圖如圖3。

圖3 8 kV 電壓下不同煤樣時(shí)間記憶效應(yīng)特征圖Fig.3 Time memory effect of different coal samples under 8 kV voltage

對(duì)無(wú)煙煤和貧煤的瓦斯放散初速度在特征電壓作用下研究發(fā)現(xiàn)，不同加電時(shí)間對(duì)瓦斯放散也具有一定的影響，呈波動(dòng)狀且隨著加電時(shí)間增加煤樣瓦斯放散能力構(gòu)造煤均高于原生結(jié)構(gòu)煤；在撤掉外加電壓后，瓦斯放散初速度仍能夠保持增大（減小）趨勢(shì)，且放散初速度值均保持高于未加電場(chǎng)時(shí)的狀態(tài)。

可以得出，不同變質(zhì)程度和破壞類(lèi)型煤樣均受加電時(shí)間影響放散初速度有所變化，隨加電時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)波動(dòng)狀變化且規(guī)律性不強(qiáng)，但可以明確的是會(huì)對(duì)煤樣放散瓦斯能力產(chǎn)生一定的增強(qiáng)（減弱）。同時(shí)，加電時(shí)間結(jié)束后，煤樣的瓦斯放散初速度仍能夠保持繼續(xù)增加（減?。┶厔?shì)，且其值均大于未加電時(shí)的瓦斯放散初速度，使得煤體能夠保持施加電壓時(shí)的狀態(tài)，產(chǎn)生記憶效應(yīng)，繼續(xù)作用于對(duì)瓦斯的放散，增大煤樣放散瓦斯的能力。

同時(shí)，根據(jù)圖3 時(shí)間記憶效應(yīng)階段對(duì)比不同變質(zhì)程度煤樣的原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤發(fā)現(xiàn)，無(wú)煙煤經(jīng)過(guò)電場(chǎng)作用后相較于未加電場(chǎng)在時(shí)間記憶效應(yīng)內(nèi)，瓦斯放散初速度增長(zhǎng)均在5%～9%之間，原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤變化量沒(méi)有明顯的區(qū)別；而貧煤則變化非常明顯，其中原生結(jié)構(gòu)煤在記憶效應(yīng)內(nèi)變化在5%～8%，而構(gòu)造煤則變化13%～18%，這也反映出電場(chǎng)對(duì)不同變質(zhì)程度和破化程度煤影響具有差異。

3 記憶效應(yīng)及改性機(jī)理

3.1 煤體電場(chǎng)記憶效應(yīng)

煤樣吸附瓦斯的本質(zhì)是煤表面分子與瓦斯氣體分子之間存在作用力（德拜誘導(dǎo)力和倫敦色散力）相互吸引的結(jié)果，煤體吸附能力的強(qiáng)弱以表面吸附勢(shì)阱深度表現(xiàn)出來(lái)[11]；而從微觀角度來(lái)看，煤吸附瓦斯是源于瓦斯氣體分子與煤體表面分布的電位基團(tuán)間存在電引力作用，牽引瓦斯分子吸附于煤體表面。前人在研究中發(fā)現(xiàn)煤體表面化學(xué)結(jié)構(gòu)是由相同或相似的煤分子片段（相同或相似的苯環(huán)骨架及側(cè)鏈）組成的集合體[12]，煤表面的化學(xué)特性及離子、分子間的相互作用主要受表面極性官能團(tuán)控制，隨變質(zhì)程度的增加，煤中大分子結(jié)構(gòu)縮合度也會(huì)增加。同時(shí)，正是由于這些極性官能團(tuán)使得煤分子原子核內(nèi)部正負(fù)電荷發(fā)生錯(cuò)位，導(dǎo)致煤體表面電位分布不均勻，而煤體吸附瓦斯特性、電場(chǎng)磁化效應(yīng)、瓦斯放散記憶效應(yīng)等均是煤體本身微觀性質(zhì)引起的。

利用電場(chǎng)作用對(duì)煤體改性已初見(jiàn)端倪，一方面電場(chǎng)作為能量流改變價(jià)電子的勢(shì)能、動(dòng)能、分布等，另一方面通過(guò)電場(chǎng)開(kāi)放出現(xiàn)物質(zhì)流[13]。煤樣本身屬于能量開(kāi)放和物質(zhì)孤立系統(tǒng)，系統(tǒng)價(jià)電子總量恒定，與物質(zhì)之間只有能量流，不存在物質(zhì)流。煤體施加電場(chǎng)，煤樣與電源接通，電子結(jié)構(gòu)的改變使晶界和空位等結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生相應(yīng)變化，價(jià)電子濃度下降，出現(xiàn)瞬間物質(zhì)流，系統(tǒng)與環(huán)境之間出現(xiàn)物質(zhì)流和能量流，屬于物質(zhì)開(kāi)放和能量開(kāi)放系統(tǒng)。唯象理論表明，電場(chǎng)具有阻礙溶質(zhì)、空位簇聚于晶界，增強(qiáng)晶內(nèi)溶質(zhì)固溶能力，強(qiáng)化晶界效應(yīng)[13]。通過(guò)外加電場(chǎng)強(qiáng)化煤體表面間電位信號(hào)，宏觀引起煤體孔隙尺寸引起變化，發(fā)生塑性損傷，同時(shí)使孔隙數(shù)量有所增加，提高瓦斯吸附量，而煤表面產(chǎn)生的電位信號(hào)較初次條件下的電位信號(hào)相比產(chǎn)生記憶效應(yīng)。煤體放散瓦斯時(shí)間記憶效應(yīng)表現(xiàn)為撤掉電場(chǎng)后煤體放散瓦斯能力仍強(qiáng)于初始狀態(tài)，電場(chǎng)對(duì)煤體造成的塑性損傷是引起記憶效應(yīng)的根本原因。

3.2 改性機(jī)理

煤與瓦斯均為電介質(zhì)，煤體在靜電場(chǎng)作用后仍會(huì)整體呈現(xiàn)出帶靜電狀態(tài)，煤分子與瓦斯氣體分子之間的作用勢(shì)依然被提高，使煤和瓦斯分子的引力增加，導(dǎo)致煤表面的吸附勢(shì)阱增加，從而可引起吸附量增加，使煤體內(nèi)部瓦斯壓力梯度增大進(jìn)而對(duì)放散瓦斯具有促進(jìn)作用。靜電吸附瓦斯原理是基于電場(chǎng)下煤電介質(zhì)發(fā)生極化現(xiàn)象，煤為極性大分子，煤基質(zhì)表面的偶極子或含氧官能團(tuán)等極性基團(tuán)在電場(chǎng)下會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向極化，造成吸附瓦斯位間電負(fù)性增強(qiáng)，煤分子極性得到增強(qiáng)，利于對(duì)瓦斯的吸附。在電介質(zhì)物理學(xué)中，經(jīng)典模型對(duì)于電介質(zhì)在電場(chǎng)中具有以下線(xiàn)性關(guān)系：

式中：P 為介質(zhì)中某一點(diǎn)的極化強(qiáng)度；χe為電介質(zhì)的電極化率；ε0為真空介電常數(shù)是1 個(gè)定值；E 為該點(diǎn)處的總場(chǎng)強(qiáng)。

當(dāng)煤電介質(zhì)在靜電場(chǎng)作用下，施加電場(chǎng)強(qiáng)度為E0，則會(huì)在煤體內(nèi)部產(chǎn)生E0的場(chǎng)強(qiáng)，根據(jù)式（1）可知：

式中：P0為施加場(chǎng)強(qiáng)為E0時(shí)介質(zhì)中的極化強(qiáng)度；E0為煤體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)。

但此時(shí)的P0并非為煤體內(nèi)部最終的極化強(qiáng)度，因?yàn)槭紼0中并不包含煤在被極化后極化電荷產(chǎn)生的激發(fā)電場(chǎng)，極化電荷產(chǎn)生的激發(fā)電荷場(chǎng)強(qiáng)E1為[14]：

式中：E1為極化電荷產(chǎn)生的激發(fā)電荷場(chǎng)強(qiáng)。

而產(chǎn)生的激發(fā)電場(chǎng)E1同時(shí)也會(huì)作用于煤體，再次引起煤電介質(zhì)的進(jìn)一步極化：

式中：P1為內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為E1時(shí)介質(zhì)的極化強(qiáng)度。

同理，每次極化后產(chǎn)生的激發(fā)電場(chǎng)P2、P3、…、Pn均會(huì)引起下一次的極化，這樣循環(huán)下去，則第n 次極化電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為：

式中：E2、…、En為疊加極化電荷產(chǎn)生的激發(fā)電荷場(chǎng)強(qiáng)。

根據(jù)上式可知煤電介質(zhì)在極化后產(chǎn)生的極化電荷也會(huì)產(chǎn)生激發(fā)電場(chǎng)并改變內(nèi)部電場(chǎng)的分布，而重排后的極化電荷的電場(chǎng)反過(guò)來(lái)又作用于電介質(zhì)，如此循環(huán)往復(fù)，直到達(dá)到最終的極化狀態(tài)[15]。因此認(rèn)為，在撤掉靜電場(chǎng)后，由極化電荷構(gòu)成的激發(fā)電場(chǎng)在一定的時(shí)間內(nèi)仍有電導(dǎo)電流和極化電流的存在，會(huì)繼續(xù)影響煤體瓦斯的放散初速度，并保持著高于未加電場(chǎng)時(shí)的狀態(tài)。

4 結(jié) 論

1）不同變質(zhì)程度和破壞類(lèi)型煤樣在靜電場(chǎng)下的電場(chǎng)響應(yīng)特征不盡相同，隨電壓增大瓦斯放散初速度具有先增大后減小的趨勢(shì)，存在特征優(yōu)勢(shì)電壓。

2）在撤掉靜電場(chǎng)后，瓦斯放散初速度并未回落至未加電時(shí)的狀態(tài)且均高于初始狀態(tài)，具有一定時(shí)間記憶效應(yīng)，且不同類(lèi)型煤樣電場(chǎng)記憶特征響應(yīng)不相同。

3）靜電場(chǎng)下煤體記憶效應(yīng)其實(shí)質(zhì)是宏觀上引起煤體孔隙尺寸發(fā)生變化，造成塑性損傷，同時(shí)使孔數(shù)量發(fā)生變化，改變煤體吸附量，進(jìn)而引起瓦斯放散初速度的變化。

4）靜電場(chǎng)能夠引起煤體與瓦斯發(fā)生極化，極化電荷在煤體內(nèi)構(gòu)成的激發(fā)電場(chǎng)在撤掉電場(chǎng)后仍會(huì)繼續(xù)作用于瓦斯的放散。