張永利，劉 婷，馬玉林，尚文龍

（遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

中國煤層氣資源豐富，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，煤層氣抽采利用率逐步提升，但較發(fā)達國家差距明顯[1].國內外研究人員通過開展不同技術手段，嘗試改變煤儲層滲透性，提高單井產(chǎn)氣量[2-4].采用普適開發(fā)技術提高儲層滲流特性是提高煤層氣開發(fā)的關鍵.目前已有的增透技術均有局限[5]，選取一種適用性更好的技術很有必要.

近年來，微波技術被逐步應用到煤層氣增透促產(chǎn)中.研究表明，微波輻射誘使煤層溫度不斷升高，在煤層內部造成局部熱應力，促進孔隙-裂隙結構的發(fā)育發(fā)展[6-8].在微波輻射作用下，煤層中介電常數(shù)高的物質大量吸收微波的電磁能并將其轉化為熱能[9-10].GUANG X等[11]研究發(fā)現(xiàn)試樣的介電常數(shù)和水飽和程度直接影響微波加熱煤體的致裂效果.李賀等[12]研究發(fā)現(xiàn)微波對煤體的孔隙結構影響明顯并產(chǎn)生熱應力促使煤層中形成新的裂隙，HASSANI F 等[13]研究發(fā)現(xiàn)微波輻射對巖石溫度分布和強度變化的影響特征，裂縫密度隨微波作用深度的增加而減小，微波功率水平對巖石表面熱損傷量有較強的正向影響，從而實現(xiàn)煤層滲透率的提高.綜上可見，煤體內部孔裂隙結構對滲流特性影響極大.

本文利用掃描電子顯微鏡（SEM）對遼寧省阜新市五龍煤礦試樣從水平與豎直層理進行微觀形貌分析，探討微波作用前、后煤體的微觀孔裂隙結構演化規(guī)律，結合不同功率微波及環(huán)境應力作用下宏觀滲流實驗，對比研究微觀結構與宏觀滲透率之間的聯(lián)系，提出結構響應系數(shù)，修正煤層氣滲流經(jīng)典方程，對煤層微波增透技術的完善有一定參考價值.

1 微波輻射煤體孔裂隙結構形貌分析

1.1 實驗設備

采用型號為Quanta250的掃描電子顯微鏡（SEM）對試件進行形貌觀察，儀器放大倍數(shù)為30～300000，樣品臺移動范圍X=Y=50 mm. 為保證煤試件原始形貌，不對試件進行噴金等處理，選擇合理HV和spot數(shù)值確保圖像清晰度.

1.2 實驗樣品

原煤試樣取自遼寧省阜新市五龍煤礦，根據(jù)煤樣原生層理沉積結構的不同，在水平層理方向和垂直層理方向各取4個Ф12 mm的圓柱形試件，見圖1.

圖1 實驗樣品Fig.1 test sample

1.3 實驗步驟

（1）對原煤（輻射前）試件微觀孔裂隙結構進行定點形貌觀察，便于與不同微波條件作用后的掃描結果進行對比分析.

（2）利用常規(guī)微波輻射裝置，分別選用微波功率500 W、1000 W、1500 W和2000 W對原煤試樣進行輻射.初始作用時間選定1 min，輻照后對試件進行SEM測試，得到微波作用后煤樣微觀結構圖像.

（3）調整微波輻照時間為1.5 min和3 min，重復步驟2.

（4）綜合對比分析不同功率、不同微波輻射時間電鏡照片，得到原煤試樣微觀結構斷裂-損傷-發(fā)育狀況.

2 SEM測試結果分析

2.1 水平層理煤體微觀孔裂隙結構的SEM結果分析

水平層理試樣受不同功率微波輻射前、后電鏡照片見圖2～圖5，輻射時間分別為1 min、1.5 min、3 min.利用SEM自帶標尺工具在圖像上標出觀測點A、觀測點B和觀測點C的裂隙寬度，通過對比不同功率及輻射時間條件下微波輻射前、后原煤試樣對應位置的裂隙寬度，可得試樣孔裂隙結構的變化情況.

圖2 水平層理試樣受500 W微波輻射前后的SEM圖像Fig.2 SEM images of horizontal bedding samples before and after being radiated by 500 W microwave

圖3 水平層理試樣受1000 W微波輻射前后的SEM圖像Fig.3 SEM images of horizontal bedding samples before and after being radiated by 1000 W microwave

圖4 水平層理試樣受1500 W微波輻射前后的SEM圖像Fig.4 SEM images of horizontal bedding samples before and after being radiated by 1500 W microwave

圖5 水平層理試樣受2000 W微波輻射前后的SEM圖像Fig.5 SEM images of horizontal bedding samples before and after being radiated by 2000 W microwave

煤體微觀孔裂隙結構受微波熱輻射作用后均發(fā)生明顯變化，且與輻射作用條件緊密相關，原煤試件上大量孔裂隙結構發(fā)生斷裂和損傷，長度和寬度擴展發(fā)育明顯.還有一部分試件，由于受到擠壓和煤體骨架發(fā)生破壞或塌陷的影響，進而出現(xiàn)孔裂隙變少和滲透空間減少的情況.但是從整體來看，滲透空間總體是增加的，也說明斷裂-損傷-發(fā)育仍然是主要現(xiàn)象.

一方面，煤體內所含的礦物種類不同，而微波對不同物質的影響是由介電常數(shù)等特性參數(shù)決定的，會直接影響對微波能量的吸收程度，微波加熱過程的選擇性導致試樣中不同礦物質溫升速度差異明顯，另外煤體溫度梯度大誘發(fā)熱應力的產(chǎn)生，煤體結構發(fā)生斷裂-損傷-發(fā)育演化過程；另一方面，微波也會導致煤基質收縮，基質間的孔裂隙結構三維長度均增加，高微波吸收率的礦物質升溫急劇增加，產(chǎn)生了快速脫水的現(xiàn)象，骨架結構受到擠壓和收縮，甚至骨架支撐能力消失，使得煤體中孔裂隙空間出現(xiàn)聯(lián)結、貫通和拓展.總結上述現(xiàn)象可以看出，微波熱輻射作用對煤體同時產(chǎn)生擴孔和致裂作用，原生結構發(fā)生二次發(fā)育破壞，伴生新生結構，煤體內部結構的進一步發(fā)育直接導致原煤試樣的孔隙度增加.不同功率微波輻射條件下，水平層理試樣裂隙寬度隨微波輻射時間變化情況見表1.

表1 水平層理試樣裂隙寬度隨微波輻射時間變化Tab.1 variation of crack width of horizontal bedding specimen with microwave radiation time

由表1可知，選取的3個觀測點裂隙寬度均隨著微波熱輻射時間的延長而明顯增長，并與微波功率相關，長度和寬度的增量隨微波熱輻射作用時間增長而增大. 裂隙寬度變化最大為500 W微波功率作用的觀測點A，最大寬度增值為12.93 μm，增長率高達376.9%，對比SEM圖像可見，這是因為在微波熱輻射作用下，觀測點A原本覆蓋的大量填充礦物質發(fā)生明顯脫落，同時煤基質局部因擠壓和垮塌發(fā)生收縮，結構孔隙度突增，大量孔隙聯(lián)通為較大裂隙.變化最小為1000 W微波功率作用的觀測點A，最大寬度增值僅為1.035 μm，但增長率也達到了27.5%.特別的是，1000 W時觀測點A、觀測點B在0～1.5 min中均出現(xiàn)結構寬度縮小，對比SEM分析發(fā)現(xiàn)，微波作用下試樣其他位置結構先期變化更明顯，產(chǎn)生擠壓應力，導致兩觀測點孔隙結構寬度縮小，但隨著微波的持續(xù)作用，觀測點處產(chǎn)生的擴展應力超越環(huán)境擠壓應力，結構寬度反增.

綜合對比發(fā)現(xiàn)：觀測點裂隙寬度平均增量在微波功率為1000 W時達到1.002 μm，1500 W時為2.512 μm，2000 W時高達7.35 μm.由此可見，在不忽略其他因素作用情況下，原煤試樣微觀寬度增值與微波功率呈正相關，在一定范圍內選用高功率微波對試樣作用有利于最終致裂效果.

2.2 垂直層理煤體微觀孔裂隙結構的SEM結果分析

微波輻射時間選取1 min、1.5 min和3 min，垂直層理煤體微觀孔裂隙結構SEM照片見圖6～圖9.由圖6～圖9可知，同水平層理演化規(guī)律相似，微波作用對煤體擴孔致裂作用凸顯，但對比于水平層理作用效果，煤體試樣孔裂隙結構寬度增值在較低功率微波熱輻射作用后增量偏低，當微波功率升高后，強熱輻射直接促使煤體結構損傷破裂，孔隙和裂隙進一步拓寬，這是源于高功率微波增加電磁場的場強，電磁場場強越強，物質吸收微波的能量就越強.因此，在一定范圍內選用高功率微波同樣有利于垂直層理試樣致裂.不同功率隨微波輻射時間垂直層理試樣寬度增值數(shù)據(jù)，見表2.

圖6 垂直層理試樣受500 W微波輻射前后的SEM圖像Fig.6 SEM images of vertical bedding samples before and after being irradiated by 500 W microwave

由表2可知，隨著微波熱輻射時間的延長，圖7～圖9中觀測點A、觀測點B、觀測點C的裂隙寬度均明顯產(chǎn)生不同程度的增長，寬度的增量隨微波輻照時間增長而增大.圖6中觀測點A隨微波作用時間延長基質上的礦物質附著物大量脫落消失，露出煤基質骨架觀測點B、觀測點C.但由于前期附著物覆蓋過厚，無法準確標注尺寸變化，但依托微波的加熱特性和電磁波的波動特性協(xié)同作用，眾多堵塞試樣表面孔隙和裂隙的粘附礦物質消失，結構發(fā)生聯(lián)結-貫通-拓展，煤體滲流容積大幅提升，也將實現(xiàn)煤體孔隙度增加的結果.

圖7 垂直層理試樣受1000 W微波輻射前后的SEM圖像Fig.7 SEM images of vertical bedding samples before and after being irradiated by 1000 W microwave

圖9 垂直層理試樣受2000 W微波輻射前后的SEM圖像Fig.9 SEM images of vertical bedding samples before and after being irradiated by 2000 W microwave

表2 垂直層理試樣裂隙寬度隨微波輻射時間變化Tab.2 variation of crack width of vertical bedding specimen with microwave radiation time

裂縫寬度變化中，增值變化最大為2000 W微波作用的觀測點A，最大寬度增值為12.365 μm，增長率高達207.6%，對比SEM圖像可見，這是由于高功率微波致裂和填充礦物質全面脫落造成的.變化最小為2000 W微波作用的觀測點C，最大寬度增值僅為0.66 μm，增長率為3.5%，這是由于觀測點C為新生點，初始作用不明顯.

圖8 垂直層理試樣受 1500 W微波輻射前后的SEM圖像Fig.8 SEM images of vertical bedding samples before and after being irradiated by 1500 W microwave

綜合對比分析不同條件微波熱輻射作用前后水平層理試樣和垂直層理試樣結構的變化規(guī)律，結果表明：水平層理原煤試樣雙重介質結構斷裂-損傷-發(fā)育過程更加明顯，影響范圍更大. 微觀形貌表明：水平層理試樣受微波熱輻射作用反應明顯，基質結構均發(fā)生了斷裂和損傷，孔隙-裂隙長度和寬度擴展發(fā)育明顯，同時大量新的孔裂隙結構伴生；而垂直層理試樣結構僅在高功率條件下發(fā)生拓展.這是由于微波對煤體結構的致裂擴展等二次發(fā)育影響效果主要源于煤體熱應力，熱應力受微波加熱選擇性影響，而熱應力的分布與試樣層理結構分布直接相關，垂直層理熱應力貫穿能力較弱，因此對于不同原生層理沉積結構試樣在微波熱輻射作用后影響效果差距明顯.

3 微波輻射煤體滲流特性研究

3.1 微波輻射作用下煤體增滲規(guī)律實驗研究

為了深入研究不同功率、輻射時間微波作用下試樣結構孔裂隙、滲透率、有效應力之間的關系，利用自行研制的微波輻射含瓦斯煤滲流實驗系統(tǒng)（見圖10），進行了不同耦合環(huán)境條件下試樣滲透率測定實驗.

圖10 微波輻射含瓦斯煤滲流實驗系統(tǒng)Fig.10 microwave radiation experiment system for gas-containing coal seepage

考慮煤巖的應力敏感性和基質收縮效應，根據(jù)前人研究成果，建立滲透率與有效應力和孔隙度間關系為

式中，K為試樣滲透率，cm2；K0為試樣初始滲透率，cm2；φ0為初始孔隙度，無量綱；φ為孔隙度，無量綱；σij為有效應力，MPa；η為孔隙度轉變系數(shù)；x為材料參數(shù)，取3；c為擬合參數(shù).

實驗采用Ф50 mm×100 mm原煤試件，在相同微波作用時間下改變微波功率，測定不同應力（圍壓及有效應力組合）環(huán)境試樣滲透率變化規(guī)律，實驗方案見表3.

表3 微波作用下煤體滲流實驗方案Tab.3 mechanical parameters and phase change criteria of primitive

微波輻射作用下原煤試件滲流實驗中，在微波輻射作用條件下，試樣的宏觀滲透率隨有效應力變化而變化，在圍壓不變情況下，得到有效應力與滲透率的關系見圖11.

圖11 不同微波功率下滲透率與有效應力關系Fig.11 relationship between permeability and effective stress under different microwave power

由圖11可知，曲線變化規(guī)律大致相同，煤體滲透率隨有效應力的增加呈指數(shù)遞減趨勢.在有效應力不變的情況下，煤體的滲透率隨微波功率的增加而增大.

對實驗數(shù)據(jù)以式（2）進行擬合，R2均大于0.97，擬合度較高.

式中，K為因變量；A、b為擬合參數(shù)；σij為有效應力（自變量），MPa；C為待定常數(shù).

3.2 微波作用煤體微觀結構變化與宏觀增滲的關聯(lián)

綜合分析煤體微觀孔裂隙結構受微波熱輻射作用前后演化規(guī)律，結合不同功率微波及環(huán)境應力作用下宏觀滲流實驗，對比分析可知：煤體受微波熱輻射作用后，其內部微觀孔裂隙的原有結構受到破壞，發(fā)生斷裂、損傷或發(fā)育等現(xiàn)象，這種破壞導致孔裂隙等微觀尺寸的增加.微波的這種影響效果使原煤試樣孔裂隙結構體積增加，煤樣內部自由空間體積變大導致孔隙度增加.已知孔隙度的增加將增大滲透率（見式1），改善煤體滲透性；宏觀滲流實驗中，在微波輻射作用影響下，通過數(shù)據(jù)結果可以明顯地表明試件的絕對滲透率與微波熱輻射時間、功率等相關參數(shù)之間有一定的關聯(lián)性.經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計和擬合后，數(shù)據(jù)間符合非線性正相關關系.由此可以得出，實驗樣品的滲透特性會隨著微波熱輻射相關因素的改變而發(fā)生變化.

為進一步確立滲透率與微波影響間的函數(shù)關系，從微觀與宏觀角度建立滲透率的力學模型，綜合考慮有效應力和微波作用等各種影響因素，選取指數(shù)函數(shù)表征微波輻射作用對試樣滲透率的影響，提出微波輻射作用煤巖結構響應系數(shù)，將經(jīng)典方程修正為

式中，?為微波輻射作用煤巖結構響應系數(shù)，無量綱.

綜合分析微觀和宏觀實驗，繪制功率與試樣結構響應系數(shù)擬合曲線，見圖12.對實驗數(shù)據(jù)進行擬合（見表4），擬合方程中R2均大于0.96，擬合度較高.

圖12 微波功率與試樣結構響應系數(shù)擬合情況Fig.12 fitting of microwave power and sample structure response coefficient

表4 微波功率與試樣結構響應系數(shù)擬合結果Tab.4 fitting results of microwave power and sample structure response coefficient

由圖12可知，在不同圍壓條件下，微波輻射作用煤巖結構響應系數(shù)與微波功率呈正比關系.微波輻射作用煤巖結構響應系數(shù)?與煤巖結構尺寸增量dΔ 以及環(huán)境應力直接相關，dΔ 則與微波熱輻射時間t、微波功率P、煤體應力敏感性、煤巖礦物質組成和煤基質收縮特性等多種因素有關.根據(jù)量綱分析原理可知

式中，dΔ 為煤巖結構尺寸增量，μm；Cm為基質收縮系數(shù)，無量綱；Q為微波熱輻射作用產(chǎn)生的熱應力，MPa；j為煤體層理結構面尺寸，m；t為微波熱輻射作用時間，min；P為微波功率，W；F為結構閉合力，kN；C為常數(shù).

通過分析微、宏觀實驗得到的數(shù)據(jù)，得到相應的力學規(guī)律：在原巖應力穩(wěn)定和溫度、應力等外界因素固定的情況下，微波熱輻射產(chǎn)生的力學效應會對煤體內部微觀的孔裂隙結構產(chǎn)生直接影響.?增大將導致原煤試樣的滲透率K增大，提升開采效率.

4 結論

（1）微波輻照作用造成煤體微觀孔裂隙結構發(fā)生損傷和發(fā)育，微波致裂的效果隨微波作用時間的延長而更加明顯，相同的輻照時間，在一定范圍內微波的致裂、擴孔效果與微波功率呈正相關，水平層理試樣微觀結構損傷發(fā)育情況更加明顯，裂縫寬度增值最大達到300%以上，結構損傷發(fā)育占主導地位.

（2）微波輻射時間一定，隨微波功率的增加試樣滲透率單調遞增，在一定范圍內隨向煤體內部輸入能量的增加微波增滲效果更加明顯.

（3）定量化分析微波輻射作用對煤層滲透率的影響，在一定的應力環(huán)境條件下，改善微波熱輻射參量，煤巖的滲透率增加.建立了微觀結構與宏觀滲透率增加之間的聯(lián)系，通過引入微波輻射作用煤巖結構響應系數(shù)對經(jīng)典方程進行了修正，擬合結果R2均大于0.96.