張永利，涂鈺瀅，董毓斌，馬玉林

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

中國(guó)煤層氣資源位居世界第三位[1]，合理高效的開采是我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。在節(jié)能減排的號(hào)召下煤層氣的有效開采不僅保護(hù)環(huán)境，減少二氧化碳排放，也為我國(guó)能源類型轉(zhuǎn)化提供戰(zhàn)略依據(jù)。但因?yàn)槊簩託忾_采難度大，開采機(jī)理不明確，大規(guī)模開采煤層氣是一個(gè)亟待解決的問題。為了完善煤層氣開采技術(shù)及理論研究，提出微波熱采煤層氣的實(shí)驗(yàn)方案，通過改變微波輻射時(shí)間、頻率、有效應(yīng)力等條件得到微波輻射低滲透煤層的煤層氣滲透率變化規(guī)律，對(duì)增加煤層氣的開采量具有重要意義。眾多學(xué)者在煤巖滲透特性方向進(jìn)行了深入研究，在煤層氣滲流方面，周世寧[2]、趙陽(yáng)升等[3-4]、章夢(mèng)濤等[5]、梁冰等[6-7]進(jìn)行了基礎(chǔ)模型的建立，同時(shí)對(duì)滲流理論進(jìn)行了深入探討。在此基礎(chǔ)上袁梅等[8]、孫光中等[9]、曹樹剛等[10]對(duì)滲透率的影響因素進(jìn)行分析，得出滲透率與溫度及有效應(yīng)力的關(guān)系。對(duì)于通過外部激勵(lì)手段增加煤巖滲透率的工藝手段，鮮學(xué)福[11]率先提出超聲激勵(lì)增產(chǎn)的方法，此后LI et al[12]通過模擬手段模擬超聲激勵(lì)作用下煤層氣藏的滲流特性。微波輻射作為一種電磁輻射，可將電磁能快速轉(zhuǎn)化為熱能。基于注熱增產(chǎn)理論和物理場(chǎng)激勵(lì)技術(shù)，微波被認(rèn)為是一種非常有前景的煤層氣強(qiáng)化抽采技術(shù)[13]，熱效應(yīng)是微波輻射最主要的表現(xiàn)[14]。微波加熱產(chǎn)生的熱量由內(nèi)而外進(jìn)行釋放，具有快速、均勻等優(yōu)點(diǎn)，相比常規(guī)電加熱方式可節(jié)約30%～79%的成本[15-16]。微波的功率決定了單位時(shí)間內(nèi)微波能量注入的大小。微波功率增大時(shí)，煤體的溫度變化率增大。周軍等[17-18]在對(duì)低變質(zhì)煤的熱解實(shí)驗(yàn)中調(diào)整了微波功率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著功率的增加，液體產(chǎn)品的產(chǎn)收率逐漸增大。

以現(xiàn)有研究為基礎(chǔ)，張永利等[19-20]、劉婷[21]設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分別探究了煤巖在紅外輻射及微波輻射作用下的滲透特性，洪溢都[22]、李賀[23]對(duì)微波輻射作用下煤巖熱力響應(yīng)及微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及模擬研究。綜上所述，學(xué)者們進(jìn)行了一系列微波輻射煤巖的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬等研究工作，并取得了許多成果。然而，微波輻射熱采具有特殊性，微波輻射下煤層氣的滲流機(jī)理仍不夠清晰與完善，尚存在諸多問題。在眾多研究基礎(chǔ)上通過控制微波輻射參數(shù)及有效應(yīng)力分析煤樣滲透率變化情況，使微波輻射增滲機(jī)理更加明確，為微波輻射熱采技術(shù)提供理論參考，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)煤層氣開采情況進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測(cè)。

1 微波輻射作用下煤樣溫升及滲透率實(shí)驗(yàn)

1.1 煤樣采集與制備

構(gòu)造煤是煤體由于構(gòu)造作用的影響，使其原生結(jié)構(gòu)被破壞，造成煤體的嚴(yán)重破損甚至粉化的一種煤巖[24]。煤樣出產(chǎn)于阜新海州露天礦，阜新盆地大地構(gòu)造位置在中朝地臺(tái)的東部，內(nèi)蒙地軸南部的燕遼臺(tái)褶帶，東西兩側(cè)的盆緣斷裂是該盆地的一級(jí)構(gòu)造，盆地次一級(jí)構(gòu)造以褶皺為主，盆地內(nèi)海州露天礦的地質(zhì)構(gòu)造在南北向力偶的作用下形成斷裂，在主應(yīng)力(方向?yàn)?0°N～30°W)和自重應(yīng)力的作用下，形成褶曲構(gòu)造并產(chǎn)生斜交正斷層。礦區(qū)煤巖以構(gòu)造煤為主，煤樣質(zhì)地疏松，承載能力較差，滲透率較低，是構(gòu)造煤礦區(qū)的典型代表[25]。國(guó)內(nèi)外大量觀測(cè)研究表明，所有發(fā)生煤與瓦斯突出的煤層都有一定厚度的構(gòu)造煤，尤其是經(jīng)受構(gòu)造作用較強(qiáng)烈的煤體更是煤與瓦斯突出的高危區(qū)[26-28]。對(duì)構(gòu)造煤這種“高危低滲”煤巖進(jìn)行瓦斯開采研究對(duì)我國(guó)煤礦安全大有裨益。

文中為控制單一變量，減小煤樣本身的因素影響，按參考文獻(xiàn)[29-30]將煤樣制成型煤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。將新露頭采煤工作面的原煤包裝取回，采用顎式破碎機(jī)進(jìn)行煤樣處理，破碎機(jī)將原煤充分粉碎，利用分級(jí)過濾篩選出足量60～80目煤粉備用。樣品特征如表1所示。稱取270 g煤粉配比8 g松香粉末充分?jǐn)嚢杈鶆蚝髮?dǎo)入模具中，用萬能試驗(yàn)機(jī)壓制，制成標(biāo)準(zhǔn)型煤試件。將型煤試件放進(jìn)干燥箱中干燥12 h并密封保存。

表1 樣品特征

1.2 微波輻射溫升實(shí)驗(yàn)

為更直觀地描述煤樣在微波輻射作用下的溫升規(guī)律，利用紅外熱成像儀對(duì)煤樣溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于微波輻射在實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)的反射特性，煤樣內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度有相對(duì)差異。為使溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際，取煤樣各表面溫度的平均值作為煤樣溫度，將溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過IRBIS3紅外熱圖像處理軟件處理，得到煤樣平均溫度與時(shí)間的關(guān)系。

圖1(a)描述4 min內(nèi)不同輻射功率下煤樣表面平均溫度變化。不同輻射功率下煤樣的升溫速率不同，輻射功率越高，煤樣升溫速度越快。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)輻射功率1 800 W作用下，煤樣表面平均溫度達(dá)到105 ℃；輻射功率600 W作用下，煤樣表面的平均溫度只能達(dá)到48 ℃.對(duì)其溫度結(jié)果進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)線性擬合結(jié)果最好，R2均在0.99以上。圖1(b)是以輻射時(shí)間、輻射功率為自變量，煤樣表面平均溫度為因變量構(gòu)建的三維數(shù)據(jù)圖，通過1stopt軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到最優(yōu)擬合曲面，曲面方程：

圖1 不同輻射功率下煤樣表面平均溫度變化趨勢(shì)

T=20+1.867 09-4t1.006 66·w1.006 66.

(1)

其中，T為煤樣表面平均溫度，℃；t為輻射時(shí)間，s；w為輻射功率，W；擬合結(jié)果R2=0.991 36，擬合效果良好。該方程可合理預(yù)測(cè)不同輻射功率及輻射時(shí)間下煤樣的表面平均溫度。

1.3 滲流實(shí)驗(yàn)裝置

滲流實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)設(shè)備為自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微波輻射三軸加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由微波輻射子系統(tǒng)、三軸加載子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)三部分構(gòu)成。微波輻射子系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)提供微波場(chǎng)輸入，該系統(tǒng)可對(duì)微波輻射功率及輻射時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)壓力、溫度等數(shù)據(jù)；其中三軸加載子系統(tǒng)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要部分，N2為實(shí)驗(yàn)提供軸圍壓，為保證實(shí)驗(yàn)安全，選擇與CH4有相似理化性質(zhì)的CO2作為滲流實(shí)驗(yàn)氣體。滲透實(shí)驗(yàn)儀腔體內(nèi)嵌有聚四氟乙烯套筒，既保證了微波輻射的射入，又保證了實(shí)驗(yàn)中壓力的穩(wěn)定。三軸加載子系統(tǒng)各部件采用不銹鋼管線連接，具有較高抗壓強(qiáng)度，滿足實(shí)驗(yàn)的壓力需求[31]。

1-煤樣；2-滲透實(shí)驗(yàn)儀；3-N2氣瓶；4-CO2氣瓶；5-氣體閥門；6-壓力表；7-六通閥；8-圍壓入口；9-氣體入口；10-熱電偶；11-軸壓入口；12-溫度采集裝置；13-微波發(fā)生器；14-量筒；15-波導(dǎo)管

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

1) 將制備好的型煤試樣用熱塑套包裹后放在三軸夾持器上，用熱塑槍密封裝入三軸試驗(yàn)儀器內(nèi)，連接好實(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行密閉性測(cè)試。

2) 對(duì)照文獻(xiàn)[32-34]中提出的關(guān)于三軸加載下煤體解吸滲流實(shí)驗(yàn)的方案，并參考實(shí)際構(gòu)造煤層的應(yīng)力狀態(tài)，確定實(shí)驗(yàn)壓力加載數(shù)值。將軸壓、圍壓逐級(jí)交替加載至實(shí)驗(yàn)指定壓力，打開CO2氣瓶控制進(jìn)出口壓力，待出氣速率穩(wěn)定后用排水法測(cè)量氣體平均流速并計(jì)算常溫時(shí)煤樣滲透率。

3) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)定微波輻射功率及微波輻射時(shí)間，在不同實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量煤樣的滲流情況，以此得出煤樣的滲透率。

4) 重復(fù)步驟3)，取3次結(jié)果計(jì)算平均值，得到該實(shí)驗(yàn)條件下煤樣的滲透率。

表2 實(shí)驗(yàn)方案

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

孔隙壓力計(jì)算公式：

(2)

有效應(yīng)力計(jì)算公式[35]：

(3)

式中：σ為有效應(yīng)力，MPa；σ1為軸壓，MPa；σ2為圍壓，MPa；P1為入口壓力，MPa；P2為出口壓力，MPa.

實(shí)驗(yàn)通過控制入口壓力與出口壓力達(dá)到調(diào)節(jié)孔隙壓力的作用，從而在軸圍壓固定的前提下使煤樣處于不同的有效應(yīng)力狀態(tài)。

分析滲透率變化曲線可知，在不同輻射功率及輻射時(shí)間作用下，煤樣的滲透率隨有效應(yīng)力的增加而減小，且減小趨勢(shì)相同。在輻射功率及有效應(yīng)力相同的條件下，輻射時(shí)間越長(zhǎng)其滲透率越大。因?yàn)檩椛鋾r(shí)間越長(zhǎng)煤樣的溫度越高，煤體內(nèi)部氣體分子的動(dòng)能更大，運(yùn)移活性更強(qiáng)；在輻射時(shí)間及有效應(yīng)力相同的條件下，輻射功率越高，煤樣的滲透率越大。因?yàn)檩椛涔β试礁?，煤樣升溫速度越快，同時(shí)間內(nèi)煤樣的溫度也就越高，氣體分子運(yùn)移能力更強(qiáng)，并且在高溫條件下，煤中存在的礦物質(zhì)及灰分等物質(zhì)會(huì)發(fā)生熔融甚至揮發(fā)的現(xiàn)象，致使煤體內(nèi)部運(yùn)移通道增加，增加煤的滲透性能。對(duì)比4組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)存在一種共同現(xiàn)象：無論是對(duì)比相同輻射時(shí)間或是相同輻射功率條件下的滲透率結(jié)果，在低有效應(yīng)力條件下差異較大，隨有效應(yīng)力的增加，差異性逐漸減小。這是因?yàn)橛行?yīng)力的增加使內(nèi)部孔隙壓縮，降低煤的滲透性能，并且該擠壓效果對(duì)煤樣滲透率起主導(dǎo)作用，故在高有效應(yīng)力條件下，微波輻射的增滲效果沒有低有效應(yīng)力條件下的效果顯著。將滲透率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以公式(4)進(jìn)行擬合，R2均在0.97以上，擬合效果良好。

k=Ae(-P/b)+c.

(4)

為研究滲透率的應(yīng)力敏感性，分析有效應(yīng)力對(duì)滲透率的影響效果，定義了滲透率的應(yīng)力敏感系數(shù)：

(5)

其中，Cσ的正負(fù)表示有效應(yīng)力的增加對(duì)滲透率起促進(jìn)/抑制作用，其數(shù)值的大小表示滲透率對(duì)有效應(yīng)力的響應(yīng)效果，Cσ的絕對(duì)值越大即滲透率的響應(yīng)越敏感。對(duì)圖3中4組數(shù)據(jù)的應(yīng)力敏感性結(jié)果分析可知，隨著有效應(yīng)力的增加，應(yīng)力敏感系數(shù)都為負(fù)值，即有效應(yīng)力的增加會(huì)減小煤樣的滲透率。對(duì)比相同輻射功率不同輻射時(shí)間下煤樣的應(yīng)力敏感性結(jié)果可知，隨著有效應(yīng)力的增加，Cσ的絕對(duì)值逐漸減小，并且不同輻射時(shí)間Cσ的差異也逐漸減小。因?yàn)殡S有效應(yīng)力的增加，煤樣內(nèi)部的孔隙及滲流通道逐漸被壓縮，煤體結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí)，氣體流通受阻，此時(shí)微小的應(yīng)力改變對(duì)滲透率的影響遠(yuǎn)不如低有效應(yīng)力狀態(tài)下的影響。輻射功率相同時(shí)，輻射時(shí)間長(zhǎng)的煤樣的Cσ數(shù)值始終大于輻射時(shí)間短的煤樣的Cσ數(shù)值。因?yàn)檠芯堪l(fā)現(xiàn)微波輻射對(duì)煤樣有致裂效果[36]，且輻射時(shí)間越長(zhǎng)，該效果越顯著。由于微波輻射的作用，煤樣內(nèi)產(chǎn)生新的裂隙，增加了氣體運(yùn)移通道，一定程度上抵消了有效應(yīng)力的擠壓作用，使得煤樣內(nèi)部仍存在一定孔隙，孔裂隙的出現(xiàn)使得有效應(yīng)力對(duì)煤樣滲透率的影響相對(duì)顯著。對(duì)比相同輻射時(shí)間不同輻射功率下煤樣的Cσ值可以發(fā)現(xiàn)，輻射功率高的Cσ值在低應(yīng)力或高應(yīng)力時(shí)都是大于低輻射功率的Cσ值，且隨有效應(yīng)力升高過程中煤樣的ΔCσ隨輻射功率增加而增大。產(chǎn)生此種結(jié)果的原因與前文相似，相同輻射時(shí)間作用下，輻射功率越高，其致裂效果越強(qiáng)，滲透率對(duì)有效應(yīng)力的響應(yīng)越明顯。

圖3 滲透率及應(yīng)力敏感性隨有效應(yīng)力變化曲線圖

圖4是不同輻射時(shí)間及有效應(yīng)力作用下煤樣滲透率隨輻射功率的變化曲線。由于曲線變化趨勢(shì)相似，此處對(duì)輻射時(shí)間1 min和4 min的結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)描述。從圖4可以看出，滲透率隨輻射功率的增加總體呈指數(shù)形式增長(zhǎng)，在較低有效應(yīng)力時(shí)，該增長(zhǎng)趨勢(shì)較為明顯，隨著有效應(yīng)力的增加，該增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸平緩。在有效應(yīng)力較低的情況下，輻射時(shí)間增加所引起的滲透率增加效果好于高有效應(yīng)力狀態(tài)下的增加效果。因?yàn)樵谳^低有效應(yīng)力時(shí)，煤體內(nèi)部的孔裂隙及運(yùn)移通道分布仍較為廣泛，此時(shí)輻射功率及輻射時(shí)間的增加會(huì)較大地促進(jìn)煤體滲透率的增長(zhǎng)。隨著有效應(yīng)力的增加，煤體內(nèi)部孔隙壓縮，該增滲效果減弱。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以(6)公式進(jìn)行擬合，R2均大于0.96，擬合效果良好。

圖4 滲透率隨輻射功率變化曲線

k=Ae(w/b)+c.

(6)

為了探討滲透率對(duì)輻射功率的相應(yīng)效果，定義了功率敏感性：

(7)

其中，Cw為滲透率的功率敏感系數(shù)，其代表的意義與Cσ相似，Cw數(shù)值越大意味著功率對(duì)滲透率影響的效果越明顯。圖5為不同輻射時(shí)間下的Cw變化曲線。由圖可知，隨輻射功率的增加，Cw呈增大的趨勢(shì)，且都為正值，即輻射功率增加對(duì)煤樣的滲透性能起促進(jìn)作用，輻射功率越大，滲透率對(duì)功率的響應(yīng)越明顯。對(duì)比相同輻射時(shí)間的結(jié)果來看，低有效應(yīng)力條件下，Cw隨輻射功率升高變化明顯，隨有效應(yīng)力升高，Cw增大的趨勢(shì)逐漸平緩。因?yàn)槊后w有效應(yīng)力越高，內(nèi)部被壓縮的效果越強(qiáng)，煤體外部受軸圍壓限制，輻射導(dǎo)致煤體內(nèi)部礦物質(zhì)等成分受熱膨脹，內(nèi)應(yīng)力增加，加劇了煤體內(nèi)部擠壓效果，隨輻射時(shí)間越長(zhǎng)，擠壓效果越明顯。在較低有效應(yīng)力時(shí)，孔裂隙空間較為豐富，氣體分子在獲得能量后運(yùn)移較為通暢，所以在較低有效應(yīng)力時(shí)滲透率隨輻射功率的變化較為明顯，響應(yīng)效果更高。隨有效應(yīng)力的增加，微波輻射雖然有致裂效果，但此種促進(jìn)作用小于有效應(yīng)力增加帶來的抑制作用，故在較高有效應(yīng)力時(shí)，滲透率對(duì)于微波輻射的響應(yīng)均不明顯。

由圖5中的數(shù)據(jù)可看出，某些情況下Cw會(huì)發(fā)生突變，此種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是在特定狀態(tài)下，煤中部分礦物成分吸收微波輻射能力突增，導(dǎo)致該礦物成分受熱體積快速膨脹，對(duì)周圍的煤基質(zhì)形成壓裂作用，致使煤體內(nèi)部孔裂隙增加，滲透性能增強(qiáng)。

圖5 應(yīng)力敏感性隨有效應(yīng)力變化曲線

圖6表述各應(yīng)力范圍下不同微波輻射功率作用時(shí)滲透率的一種追趕情況。圖6分別為有效應(yīng)力0.5～2 MPa和2.5～4 MPa范圍的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，在較低有效應(yīng)力時(shí)，低微波輻射功率可以通過增加輻射時(shí)間來達(dá)到與高微波輻射功率同樣的滲透率效果，但是隨著有效應(yīng)力的增加，這種“追趕”會(huì)越來越困難。如有效應(yīng)力為0.5 MPa時(shí)，輻射功率600 W作用時(shí)間4 min的滲透率可以達(dá)到輻射功率1 400 W作用1 min時(shí)的滲透率；但在有效應(yīng)力大于3 MPa后，輻射功率600 W作用4 min則無法達(dá)到輻射功率1 400 W作用1 min的滲透率。并且從耗能的角度來說，輻射功率600 W作用4 min所消耗的電能大于輻射功率1 400 W作用1 min所消耗的電能。所以從量產(chǎn)的角度來說，微波輻射功率越大，其能耗比越高，越適用于實(shí)際生產(chǎn)。

柱形圖：600 W～1 800 W輻射功率；分界：輻射時(shí)間為2 min時(shí)的滲透率；黃色：輻射時(shí)間1 min的滲透率；綠色：輻射時(shí)間3 min、4 min時(shí)的滲透率

3 數(shù)值模擬

電磁波在煤儲(chǔ)層中的傳播規(guī)律遵循麥克斯韋方程，它是描述特定場(chǎng)源下電場(chǎng)及磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的傳播規(guī)律。

(8)

式中：E表示電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；B為磁通量密度，Wb/m2；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；D為電通量密度，C/m2；J為電流密度，A/m2；ρe為電荷密度，C/m3.

時(shí)變電磁場(chǎng)本構(gòu)關(guān)系為：

D=ε0εrE,B=μ0μrH,J=σEE.

(9)

其中，ε0為真空介電常數(shù)，F(xiàn)/m；εr為相對(duì)介電常數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率，H/m；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；σE為材料的電導(dǎo)率，S/m.

將式(9)的本構(gòu)模型代入麥克斯韋方程式，得到時(shí)變電磁場(chǎng)分布的亥姆霍茲矢量方程：

(10)

其中，k0為自由空間波數(shù)，ω為角頻率，rad/s.

(11)

根據(jù)能量方程，微波與煤體相互作用時(shí)，部分電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的方程式為：

(12)

式中：Qh為電阻損耗；Qmc為磁損耗；E*為電場(chǎng)強(qiáng)度E的共軛；H*為磁場(chǎng)強(qiáng)度H的共軛。

通過模擬對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，不僅可以確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，更能詳細(xì)地觀察實(shí)驗(yàn)對(duì)象內(nèi)部各參量的變化趨勢(shì)。本文利用多物理場(chǎng)耦合軟件(Comsol Multiphysics)，仿照實(shí)驗(yàn)條件對(duì)微波輻射作用下煤樣滲流過程進(jìn)行模擬，探究煤樣在不同輻射功率、輻射時(shí)間及有效應(yīng)力作用下的電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)及滲流場(chǎng)的變化情況。圖7(a)為所構(gòu)建的模型，煤樣大小Φ50 mm×100 mm，微波場(chǎng)由右側(cè)鋁制波導(dǎo)管射入鋼制實(shí)驗(yàn)腔體，經(jīng)腔體內(nèi)壁反射后作用于中心煤樣，煤樣所處應(yīng)力條件仿照實(shí)驗(yàn)，下端設(shè)置固定約束對(duì)照實(shí)驗(yàn)三軸夾持器固定，四周及頂端設(shè)置邊界載荷對(duì)照試驗(yàn)中所設(shè)軸圍壓，滲流氣體從煤樣上端進(jìn)入，下端流出并對(duì)照實(shí)驗(yàn)設(shè)置入口壓力與出口壓力。圖7(b)為輻射頻率2.45 GHz、輻射功率1 400 W時(shí)模型內(nèi)部的電場(chǎng)分布。從模擬結(jié)果可以看出，由于微波在實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)反射，所以煤樣內(nèi)部會(huì)存在電場(chǎng)匯集的區(qū)域，致使此區(qū)域溫度驟升，該現(xiàn)象與文中考慮一致。

圖7 煤樣模型及電場(chǎng)分布

圖8為模擬得出不同輻射功率作用下煤樣溫度場(chǎng)變化情況及表面平均溫度的變化趨勢(shì)。從溫度場(chǎng)結(jié)果來看，電場(chǎng)匯集部分的溫度明顯高于其他區(qū)域，并且隨輻射時(shí)間的增加，由于電磁輻射及熱傳導(dǎo)的作用，高溫區(qū)域由兩端向中間逐漸擴(kuò)散，煤樣中心溫度逐漸升高。

圖8 煤樣溫度場(chǎng)及表面平均溫度變化趨勢(shì)

對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)與模擬的煤樣溫升結(jié)果可知，隨輻射時(shí)間的增加，煤樣表面平均溫度增長(zhǎng)趨勢(shì)相同，都呈線性增長(zhǎng)，對(duì)各時(shí)間點(diǎn)的溫升結(jié)果分析得出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，溫升結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)與模擬的準(zhǔn)確性，為下文滲流模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性奠定了基礎(chǔ)。

圖9為軸圍壓5 MPa、有效應(yīng)力0.5 MPa、輻射功率1 400 W、輻射時(shí)間1～4 min的滲流場(chǎng)模擬結(jié)果。由模擬結(jié)果可以直觀看出，煤樣兩端的滲流速度明顯大于中間滲流速度，隨輻射時(shí)間的增加，煤樣內(nèi)部及底端滲流速度明顯增加。對(duì)煤樣整體滲流速度的平均值進(jìn)行計(jì)算，隨輻射時(shí)間的增加，平均滲流速度逐漸增加。滲流速度的高低宏觀上表現(xiàn)為滲透率的大小，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)與模擬的滲流結(jié)果，兩種結(jié)果在數(shù)值范圍及變化趨勢(shì)上均呈現(xiàn)一致的趨勢(shì)，驗(yàn)證了微波輻射對(duì)煤樣的增滲效果，該結(jié)論與前人研究結(jié)果一致[37]。

圖9 滲流場(chǎng)變化情況

4 結(jié)論

1) 通過微波輻射作用下煤樣的溫升實(shí)驗(yàn)可知，微波輻射升溫過程中煤樣表面平均溫度與輻射時(shí)間呈線性關(guān)系，對(duì)溫度、輻射時(shí)間及輻射功率進(jìn)行三維擬合得到擬合方程T=20+1.867 09-4t1.006 66·w1.006 66.

2) 微波輻射作用下煤樣的滲透率隨有效應(yīng)力的增加而減?。幌嗤椛鋾r(shí)間及有效應(yīng)力條件下，輻射功率越高，滲透率越大；相同輻射功率及有效應(yīng)力條件下，輻射時(shí)間越長(zhǎng)，滲透率越大。隨著有效應(yīng)力的增加，滲透率的應(yīng)力敏感性逐漸減小，即滲透率對(duì)有效應(yīng)力的響應(yīng)逐漸減弱，輻射功率越高、輻射時(shí)間越長(zhǎng)的煤樣應(yīng)力敏感性越高；隨輻射功率的增加，滲透率的功率敏感性逐漸增大，即滲透率對(duì)輻射功率的響應(yīng)逐漸增強(qiáng)，煤樣所受的有效應(yīng)力越小，同條件下其功率敏感性越高。對(duì)輻射功率與輻射時(shí)間的協(xié)同增滲能力進(jìn)行分析，在較低有效應(yīng)力時(shí)，低輻射功率可通過延長(zhǎng)輻射時(shí)間達(dá)到與高輻射功率一樣的效果，但此舉的能耗比低，故在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量選擇高輻射功率進(jìn)行增產(chǎn)。

3) 通過模擬的手段驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以直觀地了解微波輻射過程中煤樣內(nèi)部各參量變化情況，為實(shí)際生產(chǎn)提供科學(xué)合理的預(yù)測(cè)。