可控源微波电磁辐射提高煤层瓦斯解吸与渗流的作用机理

针对我国低渗透煤层瓦斯预抽困难的重大技术难题，提出"可控源微波电磁辐射促进煤层瓦斯解吸与渗流"的新思想，采用实验研究、数值模拟与理论分析相结合的方法，开展"可控源微波电磁辐射提高煤层瓦斯解吸与渗流的作用机理"的应用基础研究。本项目将获取可控源微波的频率、强度和作用时间与煤体中吸附瓦斯解吸量的变化关系，建立可控源微波电磁辐射作用下煤层瓦斯的解吸-扩散控制数学模型；确定煤体瓦斯渗透率与可控源微波的频率、强度和作用时间的变化规律，建立可控源微波电磁辐射作用下煤层瓦斯渗流的热流固耦合模型，揭示可控源微波电磁辐射作用下煤层瓦斯的解吸-扩散特征与渗流规律，从而探寻出可控源微波电磁辐射提高煤层瓦斯解吸与渗流的作用机理，为提出提高煤层瓦斯抽采率的可控源微波电磁辐射新技术奠定理论基础。本项目研究将有助于煤层瓦斯运移理论的发展和完善，对控制矿井瓦斯灾害、促进煤层瓦斯抽采与矿区温室气体减排具有十分重要的意义。

我国大部分开采煤层的透气性较低、煤层吸附瓦斯含量高且难以解吸，使得煤层瓦斯抽采率普遍偏低。针对这一问题，本项目提出了“微波场作用促进煤层瓦斯解吸与扩散”的新思路，开展了以下研究：(1) 现场采集并制备了实验用煤样，测试了各煤样的瓦斯基础参数；利用煤对甲烷的吸附解吸实验装置，开展了微波场作用对煤的瓦斯吸附与解吸特性影响的实验研究，分析了不同作用时间和不同作用功率等微波场条件下的煤试样对甲烷的吸附量和放散量的变化规律；结果表明，微波场作用能够减小煤体的吸附瓦斯能力、提高煤体的瓦斯放散速度。(2) 研究了有无微波场作用下煤的孔隙结构特性，分析了微波场作用后煤的工业组分、比表面积、孔容、孔径分布与孔隙结构形态的变化规律，获得了微波场作用对煤体的吸附瓦斯能力与渗透性的影响规律；结果表明，微波场作用改变了煤体内部的孔隙结构特性，减小了煤体的瓦斯吸附能力，有利于煤体中瓦斯的扩散与流动。(3) 开展了煤样的瓦斯渗流特性实验研究，得到了煤体渗透率的动态变化模型；推导了煤层瓦斯的渗流方程与煤体的变形场方程，建立了低渗透煤层瓦斯渗流的固气耦合数学模型。(4) 得出了微波场作用对煤体的瓦斯吸附、解吸与渗透特性影响的作用机理，即煤体吸收微波所引起的电介质损耗而产生的电磁辐射热效应和微波场对不同矿物成分的选择性作用特性所产生的热应力而引起的煤体损伤效应。本项目研究成果可为提出提高煤层瓦斯抽采率的微波场电磁激励新技术提供理论指导，对我国低渗透煤层瓦斯强化抽采、矿井瓦斯灾害防治与矿区温室气体减排具有十分重要的意义。