林柏泉，劉彥池，曹 軒

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

煤層瓦斯是煤礦的重大危險(xiǎn)災(zāi)害源，同時(shí)又是一種不可再生能源［1-2］。針對中國煤層具有高壓力、強(qiáng)吸附、低滲透等特點(diǎn)，需要瓦斯抽采強(qiáng)化技術(shù)提高瓦斯抽采率，當(dāng)前存在較多技術(shù)，如水力壓裂［3］、密集鉆孔［4］、高壓水射流割縫［5］、CO2驅(qū)替［6-7］、N2驅(qū)替［8］等。眾多瓦斯抽采強(qiáng)化技術(shù)已經(jīng)取得廣泛的工程應(yīng)用，但是各個技術(shù)的局限性還有待解決，尋找更具普適性的瓦斯抽采強(qiáng)化技術(shù)尤為重要。

注熱開采已應(yīng)用于石油、煤炭等能源行業(yè)［9-10］，傳統(tǒng)的煤層氣注熱開采方式主要是利用水蒸氣驅(qū)替，提高煤層氣抽采量和抽采速率［11］，或利用水蒸氣產(chǎn)生的高溫環(huán)境導(dǎo)致瓦斯熱解吸、固體煤基質(zhì)破裂，從而提高煤體孔隙率和滲透率［12］。這種注熱方式主要是通過對流換熱方式，先將熱量傳遞至煤體表面，再通過熱傳導(dǎo)傳遞到煤體內(nèi)部，但熱量逐層傳遞是一個緩慢的過程，且易造成不可避免的熱損耗，其效率低，增透效果不明顯。

有學(xué)者提出利用電磁波產(chǎn)熱代替原有的熱蒸汽注熱，其中微波由于其快速、高效、即時(shí)、安全、選擇性加熱的特點(diǎn)［13］，被廣泛應(yīng)用于煤炭干燥［14］、脫硫［15］、熱解［16］等煤炭工業(yè)領(lǐng)域中。微波本身并非一種可直接加熱物體的熱源，在電磁場中的煤體受到微波輻射時(shí)，其內(nèi)富含的極性介質(zhì)粒子能夠吸收微波能量，產(chǎn)生不同的介電響應(yīng)實(shí)現(xiàn)由電磁能向熱能的轉(zhuǎn)化，從而引起材料溫度的升高，產(chǎn)生的熱效應(yīng)和煤體內(nèi)部分介質(zhì)粒子的運(yùn)動，會促進(jìn)瓦斯解吸和孔裂隙發(fā)育［17］，因而微波加熱具有致裂、增透煤體的極大潛力。洪溢都、李賀通過試驗(yàn)及模擬發(fā)現(xiàn)微波作用后煤體表面裂紋將逐漸趨于復(fù)雜，單一裂隙擴(kuò)展成具有主裂紋和分支裂紋的裂隙網(wǎng)［18-19］。張永利等設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究煤巖體在微波作用下的滲透特性，發(fā)現(xiàn)輻射功率越高，作用時(shí)間越長，滲透率越大［20-21］。

微波本身并不能作為熱源加熱。當(dāng)吸收體材料置于微波場內(nèi)時(shí)，其自身富含的帶電粒子或有磁矩的微觀粒子會產(chǎn)生束縛電荷或電位移的介電響應(yīng)，因而對外顯示出極性，從而實(shí)現(xiàn)由電磁能向熱能的轉(zhuǎn)化，這種現(xiàn)象叫做極化。常見的介電響應(yīng)有電子極化、原子極化、偶極子極化、界面極化和離子傳導(dǎo)［18］：微波頻段上交變電場變化周期為10-9～10-12s，與偶極子極化時(shí)間部分重復(fù)，因而偶極子極化是引起微波熱損耗的主要因素，當(dāng)有水溶液存在時(shí)，也要考慮到由帶電粒子定向運(yùn)動而形成的離子傳導(dǎo)損耗。除電介質(zhì)的極化效應(yīng)外，加熱材料的介電性質(zhì)和加熱環(huán)境也會影響微波熱效應(yīng)。電介質(zhì)吸收或轉(zhuǎn)化微波的能力主要取決于介電常數(shù)ε［22-23］，反映了介質(zhì)吸收微波能量的能力。介質(zhì)吸收一部分的電磁能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，在此過程中放熱功率可通過微波頻率和電場強(qiáng)度計(jì)算［24-25］。

煤作為一種混合介質(zhì)，其內(nèi)含有微波能量吸收體，主要包括水分子與部分礦物質(zhì)。水分子是一種極強(qiáng)的極性分子，微波輻射時(shí)水分子的固有結(jié)構(gòu)會發(fā)生正負(fù)極分離，產(chǎn)生偶極矩并隨電場方向排列，在高頻交變電場作用下，水分子極易發(fā)生轉(zhuǎn)向運(yùn)動，分子間的摩擦碰撞將產(chǎn)生大量熱量，熱量通過傳導(dǎo)對流等方式帶動附近區(qū)域升溫［26］。同樣地，部分礦物質(zhì)如黃鐵礦、硫酸鹽等極性分子在微波輻射下也會產(chǎn)生運(yùn)動損耗，但由于其介電常數(shù)較低，運(yùn)動不劇烈，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量不足以使煤體發(fā)生較大溫差變化。

同時(shí)，微波場內(nèi)的煤樣其熱量產(chǎn)生和傳遞方式具有選擇性加熱、高效快速加熱、瞬時(shí)性加熱、體積性加熱等特點(diǎn)，相比于常規(guī)加熱而言具有一定的優(yōu)越性。目前將微波技術(shù)應(yīng)用于礦井瓦斯抽采領(lǐng)域的研究仍處于初步探索階段，因此需要對微波加熱機(jī)理進(jìn)行較為深入的研究。煤體煤階和煤體的含水率是影響微波輻射熱效率的因素，為此，文中擬在物理試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對比不同煤階和含水率情況下的微波輻射熱效應(yīng)溫度場，闡明微波輻射熱效應(yīng)的主控因素。解釋微波輻射作用下，煤體形成熱區(qū)與冷區(qū)的原因，并進(jìn)一步分析煤體異步性升溫的傳熱機(jī)理。研究結(jié)果可為開發(fā)低透煤層瓦斯高效抽采新技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方案設(shè)計(jì)

1.1 微波加熱系統(tǒng)

采用WLD6S型多模諧振腔微波輻射系統(tǒng)，示意如圖1所示。

圖1 微波輻射系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of microwave radiation system

試驗(yàn)裝置主要由6大模塊組成：微波發(fā)生器、諧振腔、控制系統(tǒng)、注氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)。微波發(fā)生器產(chǎn)生的微波頻率為2 450 MHz，單個微波源最大功率為3 kW，可連續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)生電磁波，通過控制臺調(diào)控微波源發(fā)出的功率和作用時(shí)間，微波傳輸?shù)街C振腔作用于煤體。采用駐波場諧振腔試驗(yàn)平臺，內(nèi)壁尺寸為630 mm×650 mm×660 mm，其內(nèi)置稱重和熱電偶測溫功能，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄煤體重量及測溫點(diǎn)溫度。

1.2 試驗(yàn)煤樣選擇與制備

選用3種不同變質(zhì)程度的煤樣，分別取自陜西神木煤礦的褐煤（HM）、河南平頂山八礦的煙煤（YM）和山西陽泉煤田的無煙煤（WYM）。

采用沿層理切割打磨后直徑為50 mm，高度為100 mm的圓形煤柱，為了實(shí)際測量煤樣內(nèi)部溫度，在試驗(yàn)的圓柱煤樣上表面鉆孔，孔直徑為3～5 mm，孔深為50 mm。煤樣制備過程如圖2所示。

圖2 煤樣制備過程Fig.2 Preparation process of coal samples

上述煤樣的工業(yè)分析、元素分析及鏡質(zhì)組反射率測試結(jié)果見表1。

表1 煤樣的基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 Basic parameters of coal samples

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

首先對不同條件下的煤樣進(jìn)行微波加熱效果考察，采用紅外測溫儀和熱成像儀進(jìn)行不同位置的測溫。然后對煤樣內(nèi)外溫度變化情況及裂隙發(fā)育特征進(jìn)行記錄。整個試驗(yàn)步驟及主要設(shè)備如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)測量設(shè)施Fig.3 Experimental measurement facilities

1）采用真空干燥箱干燥煤樣，測定干燥煤樣的質(zhì)量。然后放置煤樣至真空飽水機(jī)內(nèi)，飽水不同時(shí)間獲得不同含水率的煤樣。在該過程中，通過控制加水量和加水速度，避免過量或過快的加水導(dǎo)致煤樣含水率的不均勻。飽水結(jié)束后，將煤樣快速取出并用吸水紙擦干凈表面的水分，并用合適的微波功率加熱煤樣，在試驗(yàn)過程中對煤樣進(jìn)行稱重，稱重設(shè)備內(nèi)置于測室內(nèi)。

2）在試驗(yàn)過程中需對煤體的內(nèi)部和表面進(jìn)行測溫。內(nèi)部測點(diǎn)位于煤樣內(nèi)部中心，采用熱電偶進(jìn)行單點(diǎn)測溫，用于代表煤樣內(nèi)平均溫度，外表面通過打開腔門采用手持紅外測溫儀和熱成像儀快速對煤樣進(jìn)行測溫，每次隨機(jī)在上、下表面、側(cè)面等位置選取3個溫度取平均值代表外表面溫度。熱像儀和紅外測溫儀是對物體表面的紅外輻射進(jìn)行探測，并將紅外輻射的能量轉(zhuǎn)化為溫度數(shù)據(jù)。紅外測溫儀可顯示煤體上特定單點(diǎn)的測溫值。熱像儀可測量煤體圖像中每個像素的溫度讀數(shù)，清晰直觀反應(yīng)溫度場；文中將紅外熱成像儀識別紅外輻射信號相對高的局部區(qū)域稱為熱區(qū)，將信號相對低的區(qū)域稱為冷區(qū)。溫度測試整個過程未移動測試煤樣，僅在測定表面溫度時(shí)開啟腔門，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小，外界空氣對紅外線測溫及成像的結(jié)果影響可忽略不計(jì)。

3）重復(fù)上述步驟，繼續(xù)對試驗(yàn)樣品進(jìn)行微波加熱、稱重、測溫、采集圖像等一系列操作，直至達(dá)到指定上限溫度或煤樣嚴(yán)重破裂。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 微波輻射下不同煤階的升溫規(guī)律

對3種不同煤階煤樣分別進(jìn)行內(nèi)外溫度的測量。在微波功率為2 kW，頻率為2 450 Hz的工況下對煤樣進(jìn)行循環(huán)持續(xù)性加熱，每5 s記錄一次測溫點(diǎn)溫度值，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，不同煤階煤樣的升溫曲線較為平滑，而溫差曲線有較大波動，但二者均呈現(xiàn)出階段性上升的變化規(guī)律。整個試驗(yàn)過程中煤樣加熱升溫處于脫水階段（97～200℃），說明影響煤樣升溫的主要因素為水分子運(yùn)動損耗產(chǎn)熱、蒸發(fā)散熱、熱傳導(dǎo)與對流換熱。根據(jù)溫升速率的變化可將加熱過程分為3個階段：預(yù)熱期、持續(xù)作用期、加速升溫期。

在預(yù)熱階段（約0～60 s），樣品的溫度迅速升高，此時(shí)煤樣含水率高，意味著可以吸收大量的微波能，所產(chǎn)生的熱量在60 s內(nèi)使樣品溫度迅速升到90～100℃，同時(shí)產(chǎn)生WYM樣品的升溫速率高于HM和YM的現(xiàn)象。在此階段內(nèi)從3種煤樣的內(nèi)外溫差曲線也可以看出，WYM的溫差最大，在50 s時(shí)內(nèi)外溫差值為32℃，而HM與YM溫差值僅為10℃。這是由于WYM結(jié)構(gòu)緊密，水分產(chǎn)生的熱量積聚，導(dǎo)致煤樣內(nèi)部溫度快速升高。而HM與YM的孔裂隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)育，水分子吸收微波產(chǎn)熱的同時(shí)，結(jié)構(gòu)的連通有利于水分受熱形成的水蒸氣運(yùn)移至煤體表面。這將導(dǎo)致煤體內(nèi)部傳熱能力增強(qiáng)，使熱量更快速地傳至環(huán)境中。所以盡管微波輻射下煤樣為體積性不均勻加熱，但HM與YM在初始階段其溫度場趨于均勻分布的現(xiàn)象。

在持續(xù)作用期樣品內(nèi)部溫度已基本超過100℃，水分子隨微波變頻運(yùn)動損耗產(chǎn)熱仍在繼續(xù)，故溫度仍在上升，但由于水分大量蒸發(fā)，產(chǎn)生的高溫蒸汽在溫差作用下不斷向外部擴(kuò)散，導(dǎo)致溫升速率相比于第1階段有所下降，但同時(shí)向外傳導(dǎo)的熱量也縮小了樣品的內(nèi)外溫差。當(dāng)在100 s時(shí)HM的內(nèi)外溫差又緩慢上升，同樣地YM與WYM也在120 s和100 s時(shí)出現(xiàn)類似的上升情況，這是隨著微波加熱的進(jìn)行，煤樣內(nèi)的水分不斷蒸發(fā)，特別是自由水的含量大幅減少，導(dǎo)致一定時(shí)刻內(nèi)蒸發(fā)趨于停滯，蒸發(fā)耗散熱量也不斷減少甚至趨于零值，反映出微波輻射下水分蒸發(fā)是影響煤體內(nèi)外溫度演化與溫差分布的重要因素。

當(dāng)處于加速升溫階段，煤體升溫速率增大，熱源主要來源于煤體孔隙內(nèi)的結(jié)合水運(yùn)動損耗產(chǎn)熱，結(jié)合水含量豐富導(dǎo)致內(nèi)部溫度迅速穩(wěn)定升高。對于煤樣表面而言，熱量主要是由水分蒸發(fā)散熱與熱傳導(dǎo)而來，在此時(shí)間段內(nèi)3種樣品的表面溫度均已達(dá)到100℃，故煤體表面與周圍空氣的對流換熱也是影響升溫的因素之一。從圖4可以看出，煤體溫度不斷升高，說明水分子產(chǎn)熱作用大于熱傳導(dǎo)與對流換熱的散熱作用，熱量不斷積累，內(nèi)外溫差也隨之增大，反映出冷熱區(qū)溫度變化的差異，體現(xiàn)微波輻射下煤體升溫的異步性。同時(shí)在第3階段的初期，樣品內(nèi)外溫差曲線均存在一定程度的波動甚至下降，這是由于部分水分在氣壓驅(qū)動下以液態(tài)水的形式遷移運(yùn)動至煤樣表面，物質(zhì)及結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致部分區(qū)域溫升減緩。

圖4 微波輻射下煤樣升溫規(guī)律Fig.4 Heating law of coal samples under microwave radiation

2.2 微波輻射下不同含水率煤樣的升溫規(guī)律

為獲取煤樣內(nèi)部水分含量的變化，采用諧振腔內(nèi)的稱重功能，對不同輻射時(shí)間樣品的質(zhì)量進(jìn)行記錄。結(jié)合完全干燥樣品的質(zhì)量，采用稱重法理論計(jì)算樣品含水率。樣品含水率計(jì)算見式（1）

式中 M為某一時(shí)刻的含水率；Wt為某一時(shí)刻樣品的質(zhì)量，kg；Wd為完全干燥后樣品的質(zhì)量，kg。

為闡述不同含水率對煤樣加熱過程的影響，首先對HM煤樣的試驗(yàn)進(jìn)行分析，如圖5所示，在預(yù)熱階段樣品含水率均呈現(xiàn)微弱下降趨勢，不同的是含水率越高，曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的時(shí)間越短，但對比該階段的溫升速率發(fā)現(xiàn)，并非含水率越高升溫速率越快。體現(xiàn)在初始含水率為15.37%和11.46%的煤樣升溫速率大于25.28%的樣品，這是由于微波輻射下水分充分受熱蒸發(fā)的結(jié)果，初始含水率為25.28%的煤樣短時(shí)間內(nèi)在相同的功率條件下微波能穩(wěn)定，水分子吸收微波能產(chǎn)生的熱量不足以使大量水分子狀態(tài)發(fā)生改變，水分子運(yùn)動產(chǎn)熱不充分，而含水率為15.37%和11.46%的樣品相比更容易使其大部分水分子隨微波運(yùn)動損耗，產(chǎn)熱效果更佳，因而溫升速率快。對于初始含水率為3.41%的樣品，由于水分含量少，不存在微波輻射下水分子過余而無法產(chǎn)熱的情況，因此溫度上升相對緩慢。

圖5 不同初始含水率煤樣的水分變化及溫升規(guī)律Fig.5 Moisture change and temperature rising law of coal samples with different initial moisture content

當(dāng)進(jìn)入第2階段后，樣品含水率越高，水分下降速率越大，溫升速率也越大，在此階段內(nèi)隨著水分子持續(xù)不斷的運(yùn)動產(chǎn)熱，熱量快速積累傳遞，水分蒸發(fā)散熱與熱傳導(dǎo)等方式提升了整個煤體內(nèi)的溫度，使溫度呈線性增長，而在部分時(shí)間段內(nèi)溫度微小波動上升，原因在于煤體本身的非均質(zhì)性與試驗(yàn)過程中溫度測量的偏差，整體而言水分對煤樣溫升曲線有顯著影響。

另一方面，水分的大量蒸發(fā)也導(dǎo)致水分含量的快速減少，當(dāng)微波加熱150 s時(shí)煤樣最低脫水效率也已達(dá)到32.01%，水蒸氣的運(yùn)動促使煤體內(nèi)形成較大的氣壓梯度與溫度梯度，熱效應(yīng)使煤體的溫度演化更加劇烈。隨著煤中水分的大量脫除，含水率呈現(xiàn)出線性下降的變化特征，反映出此時(shí)煤體內(nèi)水分蒸發(fā)運(yùn)動仍以一個相對恒定的速率進(jìn)行，同時(shí)溫度也保持穩(wěn)定增長的變化趨勢。

通過對比其余2種煤樣的水分變化和升溫過程，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了相似的規(guī)律。如圖6所示，水分下降與溫度上升的階段相互對應(yīng)，從而證明水分蒸發(fā)是影響煤體升溫過程及熱效應(yīng)的重要因素，微波輻射下煤體升溫過程呈現(xiàn)“快—慢—快”的變化特征，這與水分含量的階段性變化息息相關(guān)。煤體水分分布的不均勻性導(dǎo)致溫度變化也呈現(xiàn)異步性，同時(shí)蒸發(fā)形成的氣壓梯度與溫度梯度極易形成壓差，在壓差作用下流體發(fā)生相對流動，熱流體作用極可能造成煤體損傷變形［27-28］。

圖6 微波輻射下不同煤樣的水分變化及溫升規(guī)律Fig.6 Moisture change and temperature rising law of different coal samples under microwave radiation

2.3 微波輻射下煤體的熱效應(yīng)

在分析研究煤體在微波場內(nèi)的熱傳導(dǎo)特性時(shí)，考慮到選擇性與體積性加熱的特點(diǎn)，需對煤體溫度場及溫度梯度的演化規(guī)律做出闡述?？紤]到煤中熱傳導(dǎo)、對流換熱等方式將熱量向四周傳遞，因此借助紅外熱成像儀進(jìn)行溫度場表征，如圖7所示，通過煤體表面溫度分布來展現(xiàn)微波加熱過程中不同煤階煤樣的溫度演化規(guī)律，并通過統(tǒng)一的溫度圖例將最低、最高溫度顯示出來。

從圖7可以看出，微波加熱過程中煤體普遍存在冷熱分區(qū)，對于HM而言在微波加熱初期整體受熱較為均勻，這是由于HM中水分含量高、分布廣，受熱面積大，而在煤體中心區(qū)域出現(xiàn)豎直的高溫帶，此時(shí)最高溫度達(dá)到65.8℃，最低溫度僅為20.9℃；當(dāng)微波輻射90 s后，煤樣右側(cè)區(qū)域溫度上升減緩，這是由于在持續(xù)微波作用下該表面區(qū)域溫度已達(dá)100℃，水分蒸發(fā)減少導(dǎo)致熱源損失。而左側(cè)區(qū)域與高溫帶則迅速擴(kuò)展延伸，反映出煤體內(nèi)水分損耗產(chǎn)熱與熱傳導(dǎo)的加劇，溫差形成的對流換熱也導(dǎo)致熱區(qū)逐步向上發(fā)育。120～150 s時(shí)間段內(nèi)，在煤體內(nèi)部水分蒸發(fā)散熱等熱量傳遞過程中，煤體右側(cè)區(qū)域溫度隨之快速上升，但整體熱區(qū)逐步停止擴(kuò)展。與此同時(shí)，包括高溫帶與溫區(qū)、冷熱區(qū)間的溫差均進(jìn)一步增大。高溫帶處也出現(xiàn)明顯的垂直裂隙發(fā)育，反映出溫度梯度的存在會促使煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，溫差對煤體有明顯的致裂效果。當(dāng)?shù)竭_(dá)180 s時(shí)，熱區(qū)反而縮小并逐漸向煤體兩側(cè)移動，一方面是由于熱源的減少導(dǎo)致溫升減緩，另一方面也反映出熱傳導(dǎo)能夠均化溫度場。此外，原本的高溫帶隨著裂隙的發(fā)育擴(kuò)展，熱量快速散失，溫度梯度也逐漸減小甚至消失。

圖7 微波加熱過程中煤體紅外熱成像Fig.7 Infrared thermal image of coal during microwave heating

對于YM而言，溫度梯度主要存在于煤樣水平方向，這取決于煤體內(nèi)水分的分布，但普遍的現(xiàn)象是冷熱區(qū)交界處溫度梯度最大，在該位置處也有新的裂隙產(chǎn)生。說明冷熱區(qū)交界處，特別是圖7中所示的高溫帶區(qū)域極大可能是熱應(yīng)力集中區(qū)和裂隙衍生區(qū)。在微波加熱過程中，初始階段煙煤底部升溫迅速；90～120 s時(shí)間段底部的熱區(qū)逐漸延伸，原本升溫幅度小的頂部也出現(xiàn)熱區(qū)，這是內(nèi)部的水分蒸發(fā)向外運(yùn)動和熱傳導(dǎo)共同作用的結(jié)果；隨著加熱時(shí)間的延長，熱量在溫差作用下向冷區(qū)傳遞擴(kuò)散，導(dǎo)致煙煤表面的冷區(qū)逐漸減小、溫度快速上升，最后表面溫度分布較為均勻，也體現(xiàn)出熱傳導(dǎo)與煤樣內(nèi)部的對流換熱使溫度趨向于均勻化分布。WYM與上述2種煤樣相同的特征在于：微波輻射下煤樣熱區(qū)均是從底部開始擴(kuò)展延伸，這與微波場底部為高能域的特點(diǎn)關(guān)聯(lián)較強(qiáng)。不同的是WYM冷熱分區(qū)更明顯。由于WYM物質(zhì)結(jié)構(gòu)相對緊密，蒸發(fā)散熱與熱傳遞效果不顯著，同時(shí)煤體內(nèi)水分含量少、分布不均勻，因而在整個微波加熱過程中始終存在明顯的冷區(qū)，在180 s時(shí)最低溫度也僅為32.7℃；在熱區(qū)內(nèi)溫度梯度隨微波加熱的進(jìn)行而逐漸增強(qiáng)，區(qū)域性受熱升溫特征顯著。

在直觀了解煤樣表面溫度分布的基礎(chǔ)上，需對煤樣不同位置處的溫度進(jìn)行測量并定量分析，選取煤樣上下表面、冷熱區(qū)、裂隙處等位置的溫度來展現(xiàn)微波輻射下煤體升溫的特點(diǎn)。圖8為微波加熱過程中不同煤階煤樣的不同位置處的升溫情況。從圖8可以看出微波輻射下煤體脫水期的升溫過程根據(jù)其升溫速率的大小變化大體分為3段式變化，表明煤體升溫的階段性，同時(shí)不同位置處溫度曲線的差異也反映煤體升溫的異步性。

圖8 微波加熱過程中煤體不同位置處的升溫曲線Fig.8 Temperature rise curves at different positions of coal during microwave heating

首先，煤體上下表面的溫度曲線顯示出，下表面溫度始終高于上表面溫度，這是由于試驗(yàn)環(huán)境下微波電場自身的場強(qiáng)及能域分布特點(diǎn)所決定的，煤體下表面處于微波波動密集處，更容易吸收微波能并轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致溫度上升迅速。但不同的是3種煤樣上下表面的溫度差值有明顯區(qū)別，HM由于其水分含量高、結(jié)構(gòu)較為連通松散，有利于熱量的產(chǎn)生及傳導(dǎo)，故上下表面溫度差最小，結(jié)合圖8的溫度分布也可以看出HM整體受熱效果好，溫度演化較為平緩。而YM該位置處的溫差呈現(xiàn)“升—降—升”的變化趨勢，這與煤體內(nèi)外溫差的變化極為相似，體現(xiàn)微波體積性加熱的特點(diǎn)，反映水分的變化與熱傳導(dǎo)的過程。水分的蒸發(fā)散熱運(yùn)動及含量的減少導(dǎo)致溫度的波動上升，熱量的傳遞影響上下表面間的溫差。對于WYM而言，下表面的升溫速率遠(yuǎn)高于上表面，溫差逐步升高，因而溫度梯度較大，但上下表面間熱傳導(dǎo)緩慢。

煤體冷熱區(qū)與上下表面的溫度演化規(guī)律相似，冷熱區(qū)的形成是由煤體內(nèi)部水分含量決定的，水分含量高意味著可吸收更多的微波能，水分子運(yùn)動損耗產(chǎn)熱也更劇烈；而冷熱區(qū)間的溫度梯度與蒸發(fā)散熱、熱傳導(dǎo)對流能力及煤樣固有結(jié)構(gòu)等有關(guān)，水分大量蒸發(fā)有利于熱量向裂隙末端及裂隙邊緣積聚，可形成更高的溫度梯度，極大地促進(jìn)裂隙的擴(kuò)張和發(fā)育，而熱量的傳遞可促使煤體溫度加速升高，煤體松散多孔的結(jié)構(gòu)有助于高溫的擴(kuò)散，使煤體受熱作用面更廣。另外，通過對比煤體的裂隙溫度與熱區(qū)溫度，發(fā)現(xiàn)在初始階段二者近似相等，這是因?yàn)樵诖藭r(shí)間段雖溫度逐漸上升，但仍屬于熱量累積階段，形成的溫度梯度及熱應(yīng)力不足以撕裂煤體形成新裂隙；在60～120 s時(shí)，裂隙逐漸形成發(fā)育，此時(shí)裂隙附近溫度高、升溫快、溫度梯度大，但熱量會隨著裂隙的擴(kuò)張延伸而散失，裂隙處熱量損失的速率高于熱區(qū)對流換熱速率，因而在后2個階段裂隙溫度低于熱區(qū)溫度，但溫度梯度仍在逐步增大。

綜上所述，微波輻射后，煤體內(nèi)不同組分具有微波吸收異質(zhì)性，在冷熱區(qū)交界處煤體溫度梯度大，產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力撕裂原生裂隙并催生出新裂隙［29］。熱區(qū)與冷區(qū)的形成主要是取決于煤體內(nèi)水等極性分子的含量和分布，同時(shí)，伴隨著蒸發(fā)散熱與熱傳導(dǎo)、對流換熱等熱量傳遞方式，煤體表面的溫度場趨于均勻分布，但水分損耗產(chǎn)熱效果始終強(qiáng)于熱傳導(dǎo)，因而即使熱區(qū)逐漸擴(kuò)散延伸，但煤樣整體仍呈現(xiàn)出異步性加熱、不均勻受熱的特點(diǎn)。

3 結(jié) 論

1）在微波輻射脫水期（溫度范圍為97～200℃）內(nèi)，不同煤階的煤樣根據(jù)溫升速率的變化均可將加熱過程分為3個階段：預(yù)熱期、持續(xù)作用期、加速升溫期。脫水期溫度變化的主控因素為運(yùn)動損耗、蒸發(fā)散熱以及煤體的熱傳導(dǎo)性能。

2）在煤樣加熱過程中水分含量的變化呈現(xiàn)出“慢—快—慢”的規(guī)律，水分的變化與煤體升溫過程相互對應(yīng)，反映出水分是影響煤體熱效應(yīng)的主要因素。

3）微波輻射下煤體熱區(qū)與冷區(qū)的形成主要取決于煤體內(nèi)水等極性分子的含量和分布，而溫度梯度主要存在于冷熱區(qū)交界處，它與蒸發(fā)散熱、熱傳導(dǎo)對流能力及煤樣固有結(jié)構(gòu)等有關(guān)。水分大量蒸發(fā)有利于熱量向裂隙末端及裂隙邊緣積聚，可形成更高的溫度梯度，而熱量的傳遞可促使附近溫度加速升高，煤體受熱破裂后裂隙內(nèi)產(chǎn)生對流換熱增加煤體傳熱能力，使煤體受熱作用面更廣，溫度場更均勻。