齊消寒,王品,侯雙榮,劉陽,朱同光

遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧葫蘆島 125105;礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(遼寧工程技術(shù)大學(xué)),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(dòng)力災(zāi)害防治形式愈加嚴(yán)峻。煤作為一種孔裂隙雙重介質(zhì),內(nèi)部裂隙交錯(cuò)分布,應(yīng)力分布情況復(fù)雜,對(duì)吸附在煤基質(zhì)孔隙中瓦斯的運(yùn)移有較大約束,也導(dǎo)致在抽采過程中經(jīng)常發(fā)生瓦斯流量衰減、抽采困難且效率低等問題[1]。強(qiáng)化瓦斯抽采是解決這些災(zāi)害事故的重要技術(shù)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(qiáng)研究急需進(jìn)一步深入和創(chuàng)新。除了水力壓裂[2-3]、水射流割縫[4]、超前鉆孔[5]、松動(dòng)爆破[6]等已經(jīng)在井下得到實(shí)際應(yīng)用的增透技術(shù)之外,近幾年國內(nèi)外學(xué)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(shù)。這些技術(shù)雖具有一定可行性,但在應(yīng)用方面還存在一定局限性。

早在20 世紀(jì)末,KINGMAN 等[11]分析了關(guān)于煤炭微波處理的研究基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)規(guī)模數(shù)據(jù)。進(jìn)入21世紀(jì),關(guān)于微波輻射對(duì)煤巖的影響有了深入的研究。王衛(wèi)東等[12]研究褐煤內(nèi)部水分在微波場(chǎng)中的變化規(guī)律,分析了微波輻射功率和初始含水率對(duì)微波干燥脫水的影響。HONG 等[13-14]通過對(duì)比分析不同功率輻射下煤樣的溫度、質(zhì)量、比熱容,研究微波輻射對(duì)煤體巖石物理特性以及對(duì)煤芯孔隙結(jié)構(gòu)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(dòng)態(tài)破壞時(shí)間、相關(guān)能量指數(shù)、單軸抗壓強(qiáng)度和縱波波速的變化規(guī)律,得出最優(yōu)化降低煤巖沖擊傾向性的微波參量范圍。單鵬飛等[16]對(duì)比不同含水率富油煤輻射前后的物理力學(xué)性質(zhì)得出,微波對(duì)煤樣性質(zhì)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(shí)驗(yàn)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(huì)加強(qiáng)水平井筒和現(xiàn)有裂縫網(wǎng)絡(luò)之間的溝通,從而提高氣體回收率及促進(jìn)CO2的注入。李賀等[18-19]通過控制對(duì)煤樣的微波輻射時(shí)間,研究煤巖孔裂隙的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)微波輻射煤巖后,由于熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致煤巖原生裂隙發(fā)育同時(shí)產(chǎn)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(fā)現(xiàn),微波輔助熱解會(huì)極大促進(jìn)煤體孔裂隙的發(fā)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(shí)間、不同能量輸入與煤的滲透性之間的關(guān)系。胡國忠等[23]探索煤樣所含水分對(duì)微波增透效果的影響,揭示了不同含水煤體經(jīng)過微波輻射后孔隙的數(shù)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(guī)律,得出微波輻射后煤體微孔的數(shù)量與體積減少、煤體中孔和大孔及微裂隙的數(shù)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(guān)。曹軒[24]在物理實(shí)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的基礎(chǔ)上,對(duì)微波脫水期內(nèi)煤體的熱梯度作用進(jìn)行研究,闡述了微波對(duì)含水煤體結(jié)構(gòu)演化和致裂增透作用的影響機(jī)制。林柏泉等[25]分析不同增透技術(shù)的應(yīng)用及理論研究現(xiàn)狀,研究了微波循環(huán)作用在煤體內(nèi)部造成熱量持續(xù)累積,對(duì)煤體孔隙結(jié)構(gòu)演化的影響。JEBELLI 等[26]考慮煤的點(diǎn)火溫度,模擬了與采礦環(huán)境非常相似的較大體積煤礦空間,設(shè)計(jì)了一種便攜式小型微波槍,為微波致裂在井下應(yīng)用提供依據(jù)。

綜上分析,目前文獻(xiàn)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(duì)煤巖的影響,而針對(duì)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(shù)(如彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等)的變化,結(jié)合不同功率微波致裂煤巖實(shí)驗(yàn)過程中的宏觀體變形演化規(guī)律對(duì)煤的力學(xué)滲流特性進(jìn)行分析,探究不同功率微波輻射前后煤巖的能量演化規(guī)律,為微波致裂技術(shù)應(yīng)用到低滲煤層瓦斯增透增產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 煤樣制備

實(shí)驗(yàn)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(dòng)鉆孔取芯機(jī)抽取成直徑50 mm 的圓柱煤芯,然后利用切割磨平一體機(jī)和雙端面磨平機(jī)將煤柱兩端切割磨平,加工為符合國家標(biāo)準(zhǔn)的50 mm×100 mm 煤樣(圖1)。使用HC-U7系列非金屬超聲檢測(cè)分析儀對(duì)煤樣進(jìn)行超聲檢測(cè),將縱波波速在1.75 ～1.95 km/s 范圍內(nèi)的煤樣作為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果,將煤樣放置鼓風(fēng)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(tài)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

相關(guān)實(shí)驗(yàn)均在遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括微波設(shè)備、力學(xué)滲流實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。

微波設(shè)備為常規(guī)可調(diào)節(jié)功率微波加熱器,預(yù)處理后煤樣溫度使用高精度熱電偶溫度計(jì)測(cè)量。具體測(cè)溫方式為:將煤樣與測(cè)溫件(測(cè)溫件上端向煤樣內(nèi)部打入直徑5 mm,深度50 mm 的孔洞,用來插入測(cè)溫探頭讀取煤樣內(nèi)部溫度)一起放入微波加熱器,輻射結(jié)束后立即將測(cè)溫探頭插入測(cè)溫件上端孔洞進(jìn)行溫度測(cè)量,取出煤樣冷卻至室溫后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

力學(xué)滲流實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括伺服萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)和高圍壓三維可視測(cè)量系統(tǒng)兩部分,均由計(jì)算機(jī)主控且實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。伺服萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)以油壓為動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)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(jī)拍攝煤樣在壓縮過程中包裹在外層圖測(cè)膜上的192 個(gè)角點(diǎn)的位移變化,利用軟件將角點(diǎn)位移變化繪制成煤樣體應(yīng)變場(chǎng)等值線變化圖,可直觀呈現(xiàn)煤樣破環(huán)前后的變形情況(圖2)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Experimental setup

1.3 實(shí)驗(yàn)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(jìn)行分批存放,選其中一批作為本次實(shí)驗(yàn)所用煤樣。

其次,分別進(jìn)行4 組實(shí)驗(yàn),每組煤樣不少于3個(gè)。設(shè)置其中1 組作為對(duì)照組,不進(jìn)行微波輻射;其余3 組煤樣分別進(jìn)行功率200 W、400 W、600 W的微波輻射預(yù)處理,輻射時(shí)間為3 min,微波處理后煤樣內(nèi)部溫度遠(yuǎn)低于煤的燃點(diǎn)(表1)。

表1 預(yù)處理煤樣參數(shù)Table 1 Parameters of pre-treated coal samples

最后,煤樣制備完成后進(jìn)行力學(xué)滲流實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作步驟如下:

(1) 首先借助承膜筒先將黃色橡膠膜和圖測(cè)膜依次包裹在煤樣外側(cè),并在煤樣兩端各墊一張細(xì)紗網(wǎng),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(cè)膜正面四列白色方塊正對(duì)攝像機(jī)鏡頭;然后將帶有進(jìn)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(shí)用密封蓋封住缸體上端,當(dāng)水從密封蓋上端出水口緩緩流出時(shí),表明水位已達(dá)實(shí)驗(yàn)要求,關(guān)閉注水口和出水口,此時(shí)缸體密封。

(2) 通過計(jì)算機(jī)控制4 組實(shí)驗(yàn)的圍壓,加載方式及速率和氣體壓力均保持不變。在計(jì)算機(jī)中輸入相應(yīng)參數(shù),以0.02 MPa/s 的速率將密封缸中的靜水壓力加載至預(yù)設(shè)值3 MPa,此時(shí)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(jì)監(jiān)測(cè)流量,待穩(wěn)定后采用位移加載的方式施加軸壓,設(shè)定速率為0.2 mm/s,加載至煤樣破碎。

其余煤樣重復(fù)上述步驟,相應(yīng)參數(shù)依照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行輸入,實(shí)驗(yàn)流程如圖4 所示。

2 力學(xué)滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微波作用下煤樣力學(xué)參數(shù)

整理應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù),計(jì)算得到煤樣在不同功率微波輻射下的力學(xué)參數(shù)(表2)。表2 中4 組方案對(duì)應(yīng)試件的彈性模量與泊松比是多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。

表2 煤樣力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of coal samples

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

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

建立冪函數(shù)關(guān)系式(1)來表征峰值應(yīng)力隨微波功率的變化趨勢(shì):

式中,a、b為擬合參數(shù);σmax為峰值應(yīng)力,MPa;P為微波功率,W。

煤樣微波預(yù)處理后外表面裂隙不斷發(fā)育擴(kuò)展,隨微波功率增加這種現(xiàn)象更加明顯(圖6)。內(nèi)部由于極性物質(zhì)分布錯(cuò)亂,微波作用導(dǎo)致極性分子高速旋轉(zhuǎn)、摩擦及碰撞現(xiàn)象更加顯著,電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?并通過熱對(duì)流與熱傳導(dǎo)的方式向外部煤基質(zhì)釋放,煤內(nèi)水分蒸發(fā)使裂隙坍塌崩壞。不同位置的水分子及礦物質(zhì)對(duì)微波輻射能的接收程度不同,形成不同溫度梯度,從而產(chǎn)生熱應(yīng)力撕裂煤體,最終導(dǎo)致煤樣抗壓強(qiáng)度減弱(圖7)。

圖6 不同功率微波預(yù)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(qiáng)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(xiàn)先降后升趨勢(shì),相對(duì)原煤樣,200 W、400 W 和600 W 預(yù)處理煤樣彈性模量分別下降了 31.24%、37.98%、26.04% ,400 W 微波對(duì)煤樣力學(xué)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(xué)曲線

圖8 為煤樣加載過程中軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變、體應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系曲線的總體變化趨勢(shì)。

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

圖中煤樣整體應(yīng)變以壓縮為“正”,膨脹為“負(fù)”。分析4 組煤樣軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出,在破壞的4 個(gè)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(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系曲線的斜率均呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì),接近二次函數(shù)關(guān)系;在彈性階段,煤樣內(nèi)部裂隙大部分發(fā)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(jīng)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(nèi)部已產(chǎn)生損傷,煤樣彈性階段持續(xù)時(shí)間變短,煤樣的力學(xué)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(jìn)入屈服階段的時(shí)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(duì)照組分別降低了13.44 %、28.26 %、15.14 % ,達(dá)到應(yīng)力峰值后,煤樣所受應(yīng)力瞬間跌落,應(yīng)變達(dá)到最大程度,最終達(dá)到某一穩(wěn)定范圍,即煤樣受壓破壞后的殘余強(qiáng)度。綜合分析,微波功率越高,煤樣徑向及體應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體應(yīng)變值越大,煤樣擴(kuò)容膨脹越明顯。

體應(yīng)變等值線及煤樣破壞形態(tài)如圖9、圖10所示。

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

圖10 煤樣破壞形態(tài)實(shí)物Fig.10 Physical destruction of coal samples

由圖9、圖10 可知,原煤樣體應(yīng)變等值線場(chǎng)圖雜亂程度輕,破碎程度低,破壞位置集中,破壞模式為標(biāo)準(zhǔn)剪切破壞;200 W 微波作用下,體應(yīng)變等值線場(chǎng)上端出現(xiàn)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(tài)碎屑增加;400 W 微波作用下,體應(yīng)變等值線場(chǎng)從上端至下端明顯貫穿,煤樣破碎程度更高,出現(xiàn)不規(guī)則網(wǎng)狀裂隙;600 W 微波作用下,體應(yīng)變等值線場(chǎng)上端部分出現(xiàn)多個(gè)明顯凸出,煤樣破壞后產(chǎn)生更多粉末。

綜上所述,相比原煤樣的體應(yīng)變等值線場(chǎng),微波作用后煤樣的體應(yīng)變等值線場(chǎng)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(tài)下產(chǎn)生粉末越多。

2.3 微波作用下煤樣滲流規(guī)律

假定煤樣內(nèi)氣體流動(dòng)符合Darcy 定律[27],根據(jù)式(2),可將流量轉(zhuǎn)化為滲透率(圖11),從而對(duì)比分析4 組煤樣的滲流規(guī)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓0.1 MPa;L為煤樣高度,cm;μ為25 ℃下氣體的動(dòng)力黏度,MPa·s;A為煤樣端面面積,cm2;p1為實(shí)驗(yàn)設(shè)定氣體壓力,MPa。

4 組煤樣的滲透率在煤樣破壞過程的四個(gè)階段均呈現(xiàn)先緩慢下降、然后穩(wěn)定、最后急速上升的演化趨勢(shì)(圖11)。壓密階段煤樣內(nèi)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(shì)逐漸緩和,最終達(dá)到最小值,并在屈服階段依然持續(xù),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(yù)處理煤樣初始滲透率,發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)擬合的相關(guān)性系數(shù)最佳:

式中,a、b、c為擬合參數(shù);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(guān)系的擬合曲線。煤樣經(jīng)過微波預(yù)處理后初始滲透率隨著微波功率的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì),主要由于原煤樣中含有一定的水,微波作用下煤樣內(nèi)部溫度升高能夠有效干燥煤體,解除水鎖效應(yīng),從而疏通瓦斯運(yùn)移通道,擴(kuò)大滲流空間;同時(shí),微波作用還會(huì)促進(jìn)煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷,擴(kuò)大氣體運(yùn)移通道。這表明微波功率越高,對(duì)煤層瓦斯高效抽采的促進(jìn)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(duì)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(jié)果。煤樣在加載實(shí)驗(yàn)過程中,各能量變化始終發(fā)生在密封缸體中,近似認(rèn)為煤樣與外界沒有發(fā)生能量交換[29]。根據(jù)熱力學(xué)第一定律,煤樣在加載過程中吸收的總能量滿足以下關(guān)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(gè)方向應(yīng)力,MPa;ε1、ε2、ε3分別為煤樣軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變、體應(yīng)變,%。

煤樣在加卸載過程中會(huì)產(chǎn)生軸向與徑向兩部分彈性能,依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[29]可知后者遠(yuǎn)小于前者,在計(jì)算過程可忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)過程中,煤樣彈性能計(jì)算式如下:

彈性應(yīng)變的計(jì)算式如下:

式中,Ei為煤樣3 個(gè)方向的彈性模量,MPa;νi為煤樣3 個(gè)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(guī)律

利用式(4)、式(5)、式(8),結(jié)合煤樣破壞過程應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù),計(jì)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(nèi)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(zhuǎn)化成彈性能Ue,兩種能量變化曲線近乎重合,此時(shí)煤樣耗散能Ud可忽略不計(jì)。

在彈性階段,煤樣能量變化主要以總能量U轉(zhuǎn)化為彈性能Ue為主導(dǎo),耗散能曲線呈緩慢上升趨勢(shì),主要表現(xiàn)在煤樣產(chǎn)生彈性形變,變形后能夠完全恢復(fù),煤樣不會(huì)發(fā)生破壞,此時(shí)煤樣內(nèi)部不斷積累彈性能Ue。隨著軸向力的不斷增加內(nèi)部顆粒之間產(chǎn)生相對(duì)位移,煤樣吸收的總能量U在這一過程部分轉(zhuǎn)化為耗散能Ud。值得注意的是,當(dāng)微波功率為600 W 時(shí),出現(xiàn)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(yù)處理煤樣相比,600 W 預(yù)處理煤樣的彈性模量更高,強(qiáng)度最低,在承受應(yīng)力較低時(shí),煤樣更多地發(fā)生彈性變形,此時(shí)煤樣彈性能Ue積聚過多。隨著應(yīng)力增加,煤樣開始進(jìn)入屈服階段,彈性能Ue減少,耗散能Ud增加,與總能量U關(guān)系恢復(fù)正常。

在屈服階段,煤樣內(nèi)部發(fā)生明顯的裂隙擴(kuò)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(dá)到抗壓強(qiáng)度后瞬間發(fā)生破壞,此時(shí)煤樣在加載過程中儲(chǔ)存的彈性能Ue瞬間得到釋放,轉(zhuǎn)化成耗散能Ud。

煤樣峰值應(yīng)力處各能量特征見表3。隨著微波功率增加,煤樣達(dá)到破壞峰值應(yīng)力處的總能量U與彈性能Ue呈降低趨勢(shì),微波作用導(dǎo)致煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)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(shí),相比0 W 各能量變化量較小。當(dāng)微波功率達(dá)到400 W 時(shí),各能量變化量明顯變大,此時(shí)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(jié)合圖9 可看出,煤樣破壞的過程較為緩慢和平穩(wěn),逐漸形成不規(guī)則網(wǎng)狀裂隙,具有較高韌性,不會(huì)瞬間發(fā)生破壞。

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

4 結(jié) 論

(1) 微波功率增大,煤樣彈性模量呈先降后升趨勢(shì),泊松比呈下降趨勢(shì),抗壓強(qiáng)度減弱。峰值應(yīng)力與微波功率呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系,400 W 微波預(yù)處理對(duì)煤樣的力學(xué)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(fā)育程度大,煤樣更容易壓密。彈性階段微波后煤樣軸向應(yīng)力-應(yīng)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(jìn)入屈服階段的時(shí)間更早。相同應(yīng)力下,微波功率越大,煤樣徑向及體應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值越大,煤樣擴(kuò)容膨脹越明顯。

(3) 微波功率對(duì)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(duì)數(shù)函數(shù)上升趨勢(shì),微波功率越高對(duì)煤層中瓦斯高效抽采的促進(jìn)作用越明顯。

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

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