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煤层层理对微波破煤增透效果的影响
煤层瓦斯预抽是防治瓦斯灾害、开发瓦斯资源与矿区温室气体减排的有效方法之一。然而,我国95%的高瓦斯和突出矿井开采的煤层渗透性较低,且吸附瓦斯在抽采过程中难以解吸,导致瓦斯抽采率普遍较低。近年来,微波破煤卸压增透方法以其特有的促进煤层瓦斯解吸和破煤卸压增透的双重效应,特别是在提高单孔瓦斯抽采量、缩短瓦斯抽采达标时间等方面的优势,受到了国内外学者的广泛关注。
在微波辐射下,煤体将产生整体热效应与差异性热效应,使煤体快速升温而产生剧烈的热应力,造成煤体热破裂。一方面,煤体温度升高,能够有效促进煤体内的瓦斯解吸,加速自由瓦斯的流动;另一方面,微波对煤体的破煤效应,不仅造成煤体孔裂隙结构损伤、提高煤体内孔裂隙发育水平,同时还弱化了煤体的强度、使得微波破煤范围内的煤体应力向煤体深处转移,从而产生卸压作用、提高煤层透气性。此外,微波辐射还将引起煤体中含氧官能团和脂肪烃等的分解,其产生的高温蒸气压、含硫气体与热解气体会对煤体微结构造成损伤。关于这一方法,已有文献研究了微波注热后煤体内部介质传热、应力演化及气体渗流之间的内在联系,以及微波辐射下煤的甲烷吸附特性、介电各向异性、煤体热力学机制、热解过程的微波吸收能力、含水分煤体的微波致裂特性、微波能量组合方式以及微波馈入天线的设计方法等,以上研究成果为低渗透煤层微波破煤卸压增透技术的研发发挥了积极作用。
已有研究发现,微波参量、煤质和地应力环境是影响微波破煤增透效果的主要因素。然而,层理作为一种典型的结构弱面普遍存在于煤层之中,使得煤层呈现强烈的各向异性,并对煤体的物性、力学性能与气体渗流特性产生显著影响。因而,在对层理发育的煤层进行微波破煤增透过程中,煤层增透效果除了受微波参量、煤质和地应力环境的影响之外,还取决于煤层层理与煤基质之间的相对力学性能。在煤层层理与微波破煤的叠加影响下,煤体孔裂隙结构将产生多大的损伤,以及煤体的气体渗流特性如何变化,是决定层理发育煤层微波增透效果好坏的关键。为此,笔者采用煤岩体微波辐射试验装置,对层理面与加载方向的夹角为0°、30°、45°、60°和90°的煤样开展了微波破煤试验,探究了煤体层理结构及其方向对微波破煤增透效果的影响规律,以期为微波破煤增透效果评价与工艺设计提供理论基础。
层理作为一种典型的结构弱面普遍存在于煤层之中,煤层层理与煤基质之间的相对力学性能是决定层理发育煤层微波增透效果的关键。为此,采用自主研制的微波辐射试验装置,对层理面与加载方向之间夹角为0°、30°、45°、60°和90°的煤样开展了微波破煤试验,探究了不同层理方向煤样微观孔隙结构与细观裂隙的演化特征,揭示了微波辐射下层理对煤体孔裂隙结构的数量、尺度与连通性的影响规律;对比分析了微波辐射前、后不同层理方向煤体的气体渗透特性,阐明了煤体在煤层层理与微波破煤叠加影响下的渗透率变化规律,揭示了煤层层理对微波破煤增透的影响机制。
结果表明:① 煤层层理对微波破煤增透效果的影响显著,层理面与加载方向之间夹角越大,微波辐射下煤体的束缚孔减少幅度与连通性裂隙增长幅度也更大;与原煤样相比,微波辐射后不同层理方向煤样渗透率之间的数量级差异有效减小,渗透率各向异性弱化明显。② 微波辐射下煤体中细观裂隙发育具有显著的层理效应,具体演化过程为:沿层理面原生裂隙扩展→新的沿层理面裂隙萌生→与层理面相交的裂隙扩展。③ 煤基质与层理面的介电损耗和传热性质差异,使得微波对煤体的热应力分布受制于层理面。当层理面与加载方向垂直或平行时,煤体以张拉破坏为主;当层理面与加载方向斜交时,煤体以剪切滑移破坏为主。
图 1 取样工程背景及煤样制备示意
图 2 试验流程
图 3 微波辐射前后煤样饱和水 T 2 谱和残余水 T 2 谱对比
图 4 微波辐射前后煤样核磁共振 T 2 谱分布情况
图 5 微波辐射下煤体孔隙演化示意
图 6 微波辐射前后煤样 T 2 截止值
图 7 微波辐射后煤样 T 2 截止值变化情况
图 8 CT 扫描图像处理过程
图 9 微波辐射下煤样二维裂隙演化过程
图 10 微波辐射前后煤体二维 CT 扫描图像分形维数
朱健,男, 1997 年 2 月生,山西寿阳人,中共党员,中国矿业大学矿业工程专业博士研究生。从事煤矿瓦斯治理、微波破煤增透、矿井灾害防治等方面研究。参与国家自然科学基金项目 3 项、企业科研创新项目 10 余项。
研究方向
煤矿瓦斯治理、微波破煤增透、矿井灾害防治
主要成果
在《煤炭学报》、《 Journal of Natural Gas Science and Engineering 》期刊发表 EI/SCI 学术论文 5 篇;申请国内发明专利 4 项,授权 3 项。
胡国忠,男, 1 981 年 1 0 月生,湖南衡阳人,中国矿业大学教授、博士生导师、青年学术带头人,江苏省矿山地震监测工程实验室副主任。曾任澳大利亚 University of Wollongong 访问学者。主持国家自然科学基金联合重点项目、面上项目等国家级项目 4 项,以及省部级基金与企业创新课题 5 0 余项。获中国煤炭工业协会一等奖、山西省科技进步二等奖等省部级科技奖励 8 项,发表学术论文 70 余篇,出版专著 2 部,授权发明专利 10 余项。曾获全国煤炭青年科技奖、江苏省 " 青蓝工程 " 中青年学术带头人、江苏省 " 六大人才高峰 " 高层次人才等荣誉。现任中国煤炭工业协会煤炭工业技术委员会煤矿通风与安全专委会委员、国际矿业青年科学家论坛学术委员会委员,以及《煤炭学报》《采矿与安全工程学报》《矿业研究与开发》《 Geofluids 》等期刊青年编委或编委。
研究方向
煤矿瓦斯治理、煤层气开发、岩层移动与绿色开采
主要成果
长期致力于煤层增透理论与成套技术研究,研制了一套大功率开放式钻孔微波破煤装置,建立了微波破煤卸压增透理论与技术方法,为低渗煤层增透、煤层弱化减冲、坚硬顶板切顶卸压提供新的解决途径和基础支撑;研发了基于覆岩运动原位监测的采空区覆岩卸压瓦斯储集区精准辨识技术,建立了顶板瓦斯抽采孔 ( 巷 ) 布置精准设计方法,开发了以构造带地面井压裂靶向预抽技术、单一煤层采空区卸压瓦斯顶板梳状定向长钻孔“以孔代巷”抽采技术、近距离煤层群开采卸压瓦斯“阻 - 减 - 控”协同治理技术、煤层群开采采空区卸压瓦斯组合顶板巷抽采技术、废弃采空区瓦斯地面开发等技术为代表的煤矿深部开采全生命周期瓦斯抽采成套技术与装备,为煤矿瓦斯高效抽采与治理提供了技术保障。
来源:
朱健 , 胡国忠 , 许家林 , 等 . 煤层层理对微波破煤增透效果的影响 [J]. 煤炭学报 , 2024 , 49(5) : 2324−2337.