構(gòu)造煤滲透率對(duì)紅外輻射功率響應(yīng)變化試驗(yàn)研究

張永利，董毓斌，涂鈺瀅，劉 婷，馬玉林

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

中國(guó)的煤層氣資源[1]位居世界第3位，有效利用煤層氣資源是對(duì)國(guó)家能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的推動(dòng)，同時(shí)對(duì)保護(hù)環(huán)境，減少二氧化碳排放，實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源類型轉(zhuǎn)變有重大意義?，F(xiàn)有開(kāi)采手段由于對(duì)煤層解吸滲流機(jī)理的不明確，未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開(kāi)采。為了改善抽采理論及技術(shù)，提出利用紅外激勵(lì)開(kāi)采低滲透煤儲(chǔ)層煤層氣的方法，研究在不同應(yīng)力條件下，紅外輻射功率對(duì)煤體滲透率的影響，對(duì)提高煤層氣抽采率具有參考意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量關(guān)于煤巖滲透特性的研究。周世寧[2]、趙陽(yáng)升[3-4]、梁冰[5-7]等建立了關(guān)于煤層氣滲流方面的理論與模型。以此為基礎(chǔ)通過(guò)分析溫度、應(yīng)力等因素對(duì)煤巖滲透率的影響，得到在有效應(yīng)力一定的條件下，煤體滲透率隨溫度增加而減小[8-10]的結(jié)論。在圍壓一定情況下，煤巖的滲透率隨孔隙壓力的增加呈先增加后減小[11-12]的變化趨勢(shì)。文獻(xiàn)[13]探究溫度對(duì)煤體滲透率的影響，溫度對(duì)煤體滲透率的影響取決于有效應(yīng)力的大小，煤體溫度的高低會(huì)影響應(yīng)力狀態(tài)下煤體滲透率的變化。在其他激勵(lì)手段對(duì)煤層氣滲透率的影響方面，鮮學(xué)福[14]率先提出了利用可控功率超聲波通過(guò)物理激勵(lì)方法來(lái)提高抽采率的思想，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究功率聲波激勵(lì)下煤層孔隙-裂隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育情況[15]，學(xué)者們進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)超聲激勵(lì)下的煤層中甲烷的滲透機(jī)理及試驗(yàn)研究[16-17]，結(jié)果表明超聲波對(duì)煤巖存在致裂效果，可大幅度提高煤儲(chǔ)層滲透性。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上LI等[18]模擬了超聲波激勵(lì)下煤層氣藏的滲流特性，表明超聲波對(duì)煤儲(chǔ)層的滲透率及孔隙度有明顯激勵(lì)作用。張永利等[19]設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究微波輻射后煤巖的滲透特性，得到煤巖的滲透率隨微波功率與輻射時(shí)間的增加而增加的規(guī)律，以此為基礎(chǔ)開(kāi)展本文研究工作。

現(xiàn)有研究主要集中在煤層氣開(kāi)采的工藝手段、技術(shù)方法上，并取得了顯著的成果，近幾年開(kāi)始考慮煤層氣在煤巖中賦存時(shí)，通過(guò)改變煤體所處壓力、煤體溫度、煤體升溫方式等條件，進(jìn)而研究煤層氣的吸附/解吸、滲流變化規(guī)律。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)電磁輻射對(duì)開(kāi)采煤層氣有促進(jìn)作用，然而對(duì)電磁輻射的具體頻段、類型以及功率大小等因素都未進(jìn)行深入的探討。文中利用自主研發(fā)的紅外輻射三軸加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同紅外輻射功率下煤體的滲透率變化規(guī)律進(jìn)行研究，紅外輻射以電磁波的形式傳遞能量，具有均勻性，熱量傳遞不需要介質(zhì)，能夠直接深入物體的內(nèi)部，使物體受熱均勻，且具有直射與反射特性，不同的物質(zhì)振動(dòng)的固有頻率不同，對(duì)紅外輻射的吸收能力也不一樣。通過(guò)對(duì)紅外輻射作用下煤體滲流規(guī)律的研究，可為紅外輻射開(kāi)采煤層氣技術(shù)提供理論參考，對(duì)煤層氣增產(chǎn)有促進(jìn)意義。

1 紅外輻射溫升實(shí)驗(yàn)

1.1 紅外輻射機(jī)理

紅外輻射[20]是電磁輻射的一種，波長(zhǎng)0.72～1 000 μm，頻率(波長(zhǎng))不同的電磁波表現(xiàn)的作用不同，紅外輻射的主要作用是熱作用[21]，根據(jù)熱輻射基本定律進(jìn)行推導(dǎo)，得到紅外輻射由定性分析到定量分析的關(guān)系式。紅外輻射器的總輻射能W為

(1)

式中，ε為紅外輻射器的輻射率；Wb為黑體總輻射能，W/cm2；λ為波長(zhǎng)，m；c1為第一輻射常數(shù)，3.742×10-10W/m2；c2為第二輻射常數(shù)1.438 8×10-2W/m2；λm為光譜輻射通量密度的峰值波長(zhǎng)，μm；a為維恩位移常數(shù)，a=2 897 μm·K。

根據(jù)吸熱公式可以得到

Qr=McCΔT=W

(2)

其中，Qr為紅外輻射所釋放的能量；Mc為煤的質(zhì)量,Mc=ρV，ρ為煤的密度，V為煤的體積；C為煤的比熱容；ΔT為溫度的變化量。將式(1)代入式(2)可以得到溫度的變化量與紅外輻射率、紅外輻射波長(zhǎng)之間的關(guān)系式：

(3)

其中，t為時(shí)間，s。由式(3)可知，紅外輻射作用于煤體使煤體升溫的溫度取決于紅外輻射發(fā)生器的輻射率、紅外輻射的波長(zhǎng)、煤的密度、比熱容及加熱時(shí)間。

1.2 紅外輻射作用下煤體溫升實(shí)驗(yàn)

通過(guò)設(shè)計(jì)煤體的溫升實(shí)驗(yàn)來(lái)探究煤體在紅外輻射作用下的溫度變化規(guī)律。為了更加直觀地得到煤體溫度變化規(guī)律，利用紅外熱像儀對(duì)紅外輻射下煤體的溫度變化進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)儀器主要包括紅外發(fā)生器、石棉、保溫箱、紅外熱像儀等裝置，分別以不同紅外輻射功率進(jìn)行了5組溫升實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表1。

表1 溫升實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)IRBIS3紅外熱圖像處理軟件以及Origin軟件進(jìn)行整理分析，由此得到在不同紅外輻射功率下，煤體溫度隨紅外輻射時(shí)間增加的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同紅外輻射功率下煤樣溫度變化規(guī)律Fig.1 Temperature variation of coal sample under different infrared radiation power

由圖1可知，在紅外輻射作用下，煤體溫度隨著紅外輻射時(shí)間的增加而增加，從整體來(lái)看，在紅外輻射功率較小的情況下，煤體在紅外輻射作用后溫度增加的變化速率并不大，且較為接近，隨著輻射時(shí)間的增加，溫度穩(wěn)步上升。隨著功率的增加，輻射功率為60 W時(shí)，煤體升溫速率與增長(zhǎng)幅度是最大的。煤體在紅外輻射作用下，初始階段溫度變化幅度較大，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的升溫變化后，煤體的溫度變化在一定的時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)。不同功率達(dá)到的升溫程度也不同，紅外輻射的功率越高，煤體所能達(dá)到的溫度越高。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到在不同紅外輻射功率下實(shí)驗(yàn)煤體的溫度隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 不同紅外功率下煤體溫度與時(shí)間的擬合函數(shù)

通過(guò)擬合數(shù)據(jù)可知，以紅外輻射功率為10 W為例，煤體在接受紅外輻射400 s左右就達(dá)到了此功率下所能達(dá)到的最高溫度，功率越大，煤體能達(dá)到的溫度就越高。與此同時(shí)，煤體在輻射功率越大的情況下，達(dá)到最高溫度的時(shí)間越短。從煤體升溫速率與功率的擬合曲線(圖2(a))可知，在紅外功率變化范圍為0～60 W時(shí)，煤體的升溫速率與紅外輻射功率呈正相關(guān)。煤體在紅外輻射作用下所能達(dá)到的最高溫度與紅外輻射功率的關(guān)系如圖2(b)所示，并得到溫度T與紅外輻射功率w的關(guān)系式：T=20+1.673w。

圖2 煤體升溫速率和最高溫度與紅外輻射功率的關(guān)系Fig.2 Relationship between heating rate,maximum coal temperature and infrared radiation power

2 紅外輻射滲流實(shí)驗(yàn)

2.1 煤樣的采集與制備

構(gòu)造煤是煤體由于構(gòu)造作用(如斷層、褶曲、滑移等)的影響，致使其原生結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，造成煤體的嚴(yán)重破損甚至粉化的一種煤巖[22]。構(gòu)造煤質(zhì)地松軟，承載能力較差，滲透率較低。本次實(shí)驗(yàn)煤樣取自遼寧阜新五龍礦，阜新盆地大地構(gòu)造位置在中朝地臺(tái)的東部，內(nèi)蒙古地軸南部的燕遼臺(tái)褶帶。東西兩側(cè)的盆緣斷裂是阜新盆地的一級(jí)構(gòu)造，該盆地次一級(jí)構(gòu)造以褶皺為主，盆地內(nèi)的斷裂構(gòu)造主要有4組，這4組斷裂構(gòu)造對(duì)煤層有較大影響。五龍礦區(qū)位于斷裂構(gòu)造之上，礦區(qū)中存在幾條正斷層，該礦區(qū)的煤礦屬于構(gòu)造煤[23]。五龍礦區(qū)煤樣成分見(jiàn)表3。為減少煤樣的差異性，保證煤樣起始吸附量相同，控制基礎(chǔ)變量，將構(gòu)造煤制成型煤試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，參考不同文獻(xiàn)確定了本實(shí)驗(yàn)型煤的制作方法。利用顎式破碎機(jī)將煤樣充分粉碎，再利用粉末分級(jí)過(guò)濾篩對(duì)粉碎的顆粒煤體進(jìn)行分級(jí)篩選，篩選出0.25～0.18 mm(60～80目)的煤粉顆粒備用，稱取篩好煤粉270 g，再配8 g松香粉末，充分?jǐn)嚢杈鶆?，將配比好的煤粉裝入模具中，用200 t的數(shù)控液壓機(jī)以200 kN的成型壓力壓制并穩(wěn)壓30 min,制成φ50 mm×100 mm的型煤標(biāo)準(zhǔn)試件[24-25]，在成型煤樣上鉆孔以便放入紅外發(fā)射管及熱電偶，對(duì)制好的煤樣干燥處理，進(jìn)行密封保存。

表3 樣品組成

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中采用團(tuán)隊(duì)自行研發(fā)的紅外輻射三軸加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)紅外場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)對(duì)煤體同時(shí)加載的功能，完成煤體在紅外輻射及三軸應(yīng)力作用下的滲透率測(cè)定實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)由紅外輻射子系統(tǒng)、三軸加載子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)3部分組成。其中紅外輻射子系統(tǒng)可對(duì)煤體實(shí)現(xiàn)紅外輻射加熱功能，該系統(tǒng)設(shè)有功率調(diào)節(jié)裝置，可實(shí)現(xiàn)0～100 W輻射功率自由調(diào)控；三軸加載子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤體軸壓、圍壓及孔隙壓力的同時(shí)加載，確保煤樣所處應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際相符；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的軸壓、圍壓、孔隙壓力、溫度及氣體流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求對(duì)各場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)調(diào)控。其中三軸加載裝置具有較高抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性和綜合機(jī)械性能，滿足實(shí)驗(yàn)所需壓力要求，圖3為該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意。

1—三軸滲透儀；2—紅外加熱管；3—圍壓入口；4—溫度傳感器； 5—軸壓入口；6—?dú)怏w出口；7—量筒；8—水池；9—數(shù)據(jù)采集器； 10—壓力表；11—壓力閥門(mén)；12—孔隙壓氣瓶；13—軸壓、圍壓氣瓶； 14—六通閥；15—出氣口閥門(mén)圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意Fig.3 Schematic diagram of experimental equipment

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

對(duì)照文獻(xiàn)中提出的關(guān)于三軸加載下煤體解吸滲流實(shí)驗(yàn)及紅外輻射作用對(duì)煤體的孔隙結(jié)構(gòu)及吸附/解吸特性實(shí)驗(yàn)研究的方案[26-29]，考慮實(shí)際構(gòu)造煤層的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑檠芯繎?yīng)力加載及紅外輻射作用下煤體滲透率的變化規(guī)律，特制定以下實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表4，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

① 將制備好的型煤試樣與紅外輻射裝置進(jìn)行連接，放入三軸夾持器中密封固定，將處理好的試件放入實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3將各個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行連接。② 檢查實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接無(wú)誤后對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的試件進(jìn)行施壓，為了避免實(shí)驗(yàn)時(shí)因施壓不穩(wěn)導(dǎo)致試件破壞的情況，應(yīng)使軸壓、圍壓交替加載至指定壓力，后進(jìn)行穩(wěn)壓處理。③ 在圍壓和軸壓穩(wěn)定的情況下，對(duì)孔隙壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后打開(kāi)實(shí)驗(yàn)裝置的出氣口閥門(mén)，利用排水法測(cè)量氣體流量。④ 待出氣量穩(wěn)定時(shí)，打開(kāi)紅外輻射裝置，設(shè)置紅外輻射裝置的輻射功率與輻射時(shí)間，對(duì)煤體施加紅外輻射。⑤ 根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案選取輻射功率，紅外輻射作用后，出氣口速率出現(xiàn)變化，利用排水法測(cè)量其氣體滲流量，并進(jìn)行記錄。⑥ 重新設(shè)置紅外功率、孔隙壓力、軸圍壓，重復(fù)步驟②～⑤，得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算其滲透率。

表4 實(shí)驗(yàn)方案

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案，可以得到不同應(yīng)力條件下施加不同功率紅外輻射煤體的滲流量，按式(4)[30]計(jì)算煤體在不同紅外輻射功率下的滲透率:

(4)

其中，L為煤樣的長(zhǎng)度，cm；Q為氣體流量，cm3/s；μ為氣體的動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa·s；A為煤樣的截面積，cm2；P1為瓦斯入口壓力，MPa；P2為瓦斯出口壓力，MPa。式(4)中氣體的動(dòng)力黏性系數(shù)μ按公式(5)計(jì)算:

μ=1.36×10-4T0.77

(5)

圖4描述了不同孔隙壓力下煤體滲透率隨輻射功率的變化趨勢(shì)，整體上看，功率增加時(shí)，煤樣滲透率整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，孔隙壓力相同時(shí)，低圍壓條件下煤體的滲透率普遍大于高圍壓條件下煤體的滲透率。

當(dāng)煤體未受紅外輻射作用時(shí)，相同圍壓條件下，滲透率隨孔隙壓力增大而減小，在孔隙壓力為0.2 MPa時(shí)滲透率最大，在1 MPa時(shí)滲透率最小，這是由于孔隙壓力較小時(shí)，孔隙壓力對(duì)煤體的固體骨架變形以及孔裂隙張開(kāi)度影響較小，致使常溫滲流實(shí)驗(yàn)中，有效滲流通道主要受到煤體總應(yīng)力的影響，從而使?jié)B流通道變窄，氣體分子運(yùn)移阻力加大，氣體分子通過(guò)煤體的速率變緩[31]，在此孔隙壓力范圍內(nèi)滲透率隨孔隙壓力增加而減小，并且隨圍壓的增高，滲透率也減小，該規(guī)律與前人研究的規(guī)律大體一致[32]。

煤體經(jīng)受紅外輻射作用后，從紅外輻射功率與圍壓對(duì)滲透率影響的角度分析，如圖4(a)所示，當(dāng)孔隙壓力為0.2 MPa、紅外功率為0～10 W時(shí)，煤體滲透率隨著功率的增加而減小，然后在功率10～60 W的階段，滲透率是呈上升趨勢(shì)的。出現(xiàn)此種情況，考慮在孔隙壓力較低情況下，煤體所受有效應(yīng)力較大，低功率紅外輻射所引起的升溫及孔隙擴(kuò)張效果小于有效應(yīng)力作用下骨架壓縮變形效果，且煤基質(zhì)顆粒受紅外輻射作用，體積膨脹，同樣壓縮孔隙，致使煤體滲透率降低。隨著紅外輻射功率逐漸升高，升溫速率與孔隙擴(kuò)張效果增強(qiáng)，此時(shí)滲透率呈上升趨勢(shì)，且與輻射功率呈正相關(guān)。當(dāng)孔隙壓力為0.4 MPa時(shí)，如圖4(b)所示，滲透率隨功率的增加持續(xù)增長(zhǎng)，在功率10～25 W時(shí)，滲透率增長(zhǎng)速率普遍大于其他階段，煤體升溫及孔隙擴(kuò)張的協(xié)同增滲效果作用明顯。

在孔隙壓力為0.6～0.8 MPa時(shí)，如圖4(c)，(d)所示，在圍壓較高時(shí)，煤體的滲透率在紅外輻射功率為10～30 W時(shí)出現(xiàn)降低的情況，可能在此情況下，煤體的溫度變化對(duì)此范圍內(nèi)的紅外輻射功率更為敏感，在此功率范圍內(nèi)，煤體接受紅外輻射，溫度升高，在熱應(yīng)力的作用下膨脹，由于圍壓與孔隙壓的作用導(dǎo)致煤樣不能向外擴(kuò)張膨脹，只能向內(nèi)擠壓孔隙和裂隙，從煤體的滲透率有一定程度的下降。如圖4(e)所示，在孔隙壓力為1.0 MPa時(shí)，圍壓較高的情況下，煤體的滲透率在0～25 W隨功率的增加變化程度不大，在25～60 W功率范圍，煤體的滲透率隨功率的增加而增加。

圖4 相同孔隙壓下滲透率隨功率變化關(guān)系Fig.4 Relationship between permeability and power at the same pore pressure

現(xiàn)有研究認(rèn)為溫度對(duì)煤體滲透率的影響是多種因素共同作用的結(jié)果，溫度升高時(shí)，煤體中瓦斯分子吸熱，內(nèi)能增加，活性增強(qiáng)，有利于滲透率增加；同時(shí)在溫度升高過(guò)程中煤體產(chǎn)生膨脹變形，壓縮孔隙，抑制煤體中氣體流動(dòng)，從而降低滲透率[9]。紅外輻射對(duì)煤體有致裂效果，使煤體在溫度上升的同時(shí)內(nèi)部孔裂隙擴(kuò)展，連通性增強(qiáng)，致使煤體滲透性增強(qiáng)。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，對(duì)煤體施加紅外輻射，在孔隙壓力較低的范圍內(nèi)，煤體滲透率隨紅外輻射功率的增強(qiáng)整體呈增加趨勢(shì)，該結(jié)果與學(xué)者們輻射增滲所得規(guī)律一致[28]。

紅外輻射下改變煤樣溫度產(chǎn)生的應(yīng)力σm為

(6)

其中，T為煤樣溫度，℃；E為煤樣彈性模量；ν為泊松比；α為線熱膨脹系數(shù)。煤樣總應(yīng)力σ為

σ=σn-δσm

(7)

式中，σn為溫度不變時(shí)由壓應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力，MPa；δ為與溫度相關(guān)的系數(shù)。

滲透率公式可表示為

k∝φ3/(1-φ2)

(8)

式中,φ為孔隙率。

假設(shè)煤體有無(wú)數(shù)個(gè)單元體，每個(gè)單元體的體積為常數(shù)，因此體積變化可認(rèn)為是孔隙率的變化，所產(chǎn)生的有效應(yīng)力變化為

dφ=-φCp(1-φ)dσ

(9)

(10)

式中，σ0為初始應(yīng)力，MPa；φ0為初始孔隙率。

將式(10)與式(8)結(jié)合化簡(jiǎn)[33]可得

(11)

聯(lián)立式(7)，(9)，(11)并化簡(jiǎn)得滲透率與溫度的關(guān)系式：

(12)

由紅外輻射下煤樣溫升實(shí)驗(yàn)得到的溫度與紅外輻射功率擬合關(guān)系式T=20+1.673w代入式(12)可以得到煤體滲透率與紅外輻射功率的關(guān)系式：

(13)

k=k0eb(w-c)

(14)

表5給出不同功率下煤樣滲透率變化的擬合結(jié)果，其中R2在0.9左右，表明擬合效果較好。

表5 煤樣滲透率與功率參數(shù)擬合結(jié)果

以孔隙壓力1.0 MPa時(shí)為例，其擬合曲線如圖5所示。對(duì)不同圍壓下k0與b的擬合如圖6所示，從圖6(a)可知，k0隨著圍壓的增加整體呈下降趨勢(shì)。在孔隙壓力為1.0 MPa，k0最低,在孔隙壓力為0.8 MPa時(shí)，有一個(gè)小范圍的波動(dòng)變化。由圖6(b)可知參數(shù)b的變化范圍集中于0.004 5～0.003 0，但在孔隙壓力為1.0 MPa時(shí)，參數(shù)b隨圍壓的增加而增加，在0.6，0.8 MPa時(shí)隨著圍壓的增加而有小幅度的增加，在孔隙壓力為0.4 MPa時(shí)隨著圍壓的增加而減小，在孔隙壓力為0.2 MPa時(shí)，呈現(xiàn)緩慢減小后又增加的趨勢(shì)。整體符合當(dāng)孔隙壓力減小時(shí)，b隨圍壓增大而減小的變化趨勢(shì)。分析其原因，得出孔隙壓力越低時(shí)，在有效應(yīng)力的擠壓作用下，受輻射煤體熱膨脹能力越小。因此參數(shù)b不僅受到圍壓與輻射功率的影響，孔隙壓力、煤基質(zhì)對(duì)紅外輻射的吸收力等因素共同作用才導(dǎo)致如圖6所示的變化規(guī)律。

圖5 孔隙壓力1.0 MPa下煤體滲透率與功率的擬合Fig.5 Fitting of coal permeability and power under pore pressure of 1.0 MPa

圖6 擬合參數(shù)隨圍壓的變化規(guī)律Fig.6 Variation of fitting parameters with confining pressure

4 紅外輻射功率敏感性分析

在進(jìn)行紅外輻射作用下的煤體滲流實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)煤體滲透率發(fā)生改變，該結(jié)果不僅是紅外輻射的作用，圍壓與孔隙壓力同樣對(duì)煤體的滲透率存在影響。為探究紅外輻射功率對(duì)滲透率的影響，文中引入紅外輻射功率敏感性分析，從滲透率損失率及紅外輻射敏感系數(shù)2個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)滲透率進(jìn)行研究。

4.1 滲透率損失率

滲透率損失率表示煤體在紅外輻射作用后，煤體滲透率減少的百分?jǐn)?shù)，可以表示為

(15)

其中，kΔ為煤體在紅外輻射功率變化下滲透率損失率，%；kj為煤體在不加紅外輻射時(shí)的初始滲透率，10-15m2；ki為紅外輻射任一功率下所測(cè)得的滲透率10-15m2。

對(duì)在相同孔隙壓力不同圍壓條件下的煤體進(jìn)行紅外輻射，對(duì)其滲透率損失率進(jìn)行計(jì)算，其變化規(guī)律如圖7所示。從圖7(a)可知，當(dāng)孔隙壓力為0.2 MPa、紅外輻射功率為10 W時(shí)，煤體滲透率損失率是正值，說(shuō)明在此功率下煤體的滲透率損失10%左右；在圍壓為6 MPa時(shí)，煤體的滲透率損失率最高，達(dá)到了15%左右。然后隨著紅外輻射功率的增加，煤體的滲透率損失率變?yōu)樨?fù)數(shù)，說(shuō)明在紅外輻射作用下，煤體的滲透率增加，在功率為60 W時(shí)，無(wú)論圍壓大小，滲透率損失率集中在-15%～-20%。當(dāng)孔隙壓力為0.4 MPa時(shí)(圖7(b))，煤體的滲透率損失率隨著紅外輻射功率的增加而降低，在紅外輻射功率為10 W時(shí)已經(jīng)為負(fù)值，在圍壓為2 MPa時(shí)，其下降幅度最大。在功率為40 ～50 W時(shí)，其下降幅度比較平緩。在孔隙壓力為0.6～1.0 MPa且紅外輻射功率較低時(shí)，煤體滲透率損失率呈平緩上升趨勢(shì)，隨功率增加，滲透率損失率呈下降趨勢(shì)。分析原因，煤體在此應(yīng)力條件下，對(duì)紅外輻射功率響應(yīng)較強(qiáng)，致使煤體體積膨脹，并向內(nèi)壓縮，滲透率出現(xiàn)不變甚至降低的現(xiàn)象。煤體當(dāng)孔隙壓力為1.0 MPa時(shí)，圍壓較低為2，3，4 MPa煤體的滲透率損失率在10～25 W，保持平緩不動(dòng)，在圍壓較高的范圍內(nèi)直接下降?？紫秹毫?.4 MPa時(shí)滲透率損失率持續(xù)下降，滲透率增加效果最為理想。

分析結(jié)果可知，在孔隙壓力較低的情況下，煤體滲透率損失率在紅外輻射作用下，不同圍壓下滲透率損失率變化趨勢(shì)近似相同，因此滲透率損失率受圍壓的影響不大。

4.2 紅外輻射功率敏感系數(shù)

借鑒前人研究成果[34-35]，在溫度敏感系數(shù)的基礎(chǔ)上，將紅外輻射功率引入關(guān)系式中，得到紅外輻射功率敏感系數(shù)，即在其他影響因素保持不變的情況下，紅外輻射功率每增加1 W所對(duì)煤體滲透率引起的變化。

溫度引起的煤體滲透率的相對(duì)變化量為

(16)

式中，CT為溫度敏感系數(shù)，℃-1；?k為煤體的滲透率隨溫度的變化量，10-15m2；?T為溫度變化量，℃；kc為第1個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的煤巖滲透率，10-15m2。

將煤體溫度與紅外輻射功率的關(guān)系式T=20+1.673w代入式(16)得到紅外輻射功率敏感系數(shù)為

(17)

其中，Cw為紅外輻射功率敏感系數(shù)。再將式(14)代入式(17)得到

(18)

對(duì)紅外輻射功率敏感系數(shù)Cw與功率之間的關(guān)系進(jìn)行量化分析，在相同孔隙壓力不同圍壓條件下，紅外輻射功率敏感系數(shù)Cw隨功率變化的關(guān)系曲線如圖8所示。由圖8可以看出，在孔隙壓力一定的條件下，煤體紅外輻射功率敏感系數(shù)隨著紅外輻射功率的增加而增加，即煤體對(duì)紅外輻射功率的敏感性越來(lái)越高。不同孔隙壓力條件下的紅外輻射功率敏感系數(shù)存在差異，如在孔隙壓力為0.2，0.4 MPa時(shí)，圍壓為2 MPa的煤體紅外輻射功率敏感性最高，在孔隙壓力為0.6 MPa，煤體所受圍壓為5 MPa時(shí)其功率敏感性最高，在孔隙壓力為0.8 MPa時(shí)，圍壓為4 MPa的煤體紅外輻射功率敏感性最高，而在孔隙壓力為1.0 MPa、圍壓為2 MPa時(shí)，煤體的紅外輻射功率敏感性最低。

圖7 滲透率損失率隨功率的變化規(guī)律Fig.7 Variation of permeability loss rate with power

綜上所述，紅外輻射功率敏感性不僅與紅外輻射的功率有關(guān)，也受孔隙壓力與圍壓的影響。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)紅外輻射下煤體溫升結(jié)果與輻射功率進(jìn)行擬合,得到煤體溫度與紅外輻射功率的關(guān)系式T=20+1.673w，煤體溫度與紅外輻射功率呈一次線性關(guān)系，紅外輻射功率升高煤體溫度增加，其擬合相關(guān)度為0.997 44，該公式為紅外輻射下煤樣的溫升規(guī)律研究提供參考。

(2)利用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的紅外輻射三軸加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了不同軸圍壓、孔隙壓力下的構(gòu)造煤型煤滲流實(shí)驗(yàn)。常溫滲流實(shí)驗(yàn)中，在圍壓一定的情況下，煤體的滲透率隨著孔隙壓力的增大而減小，在孔隙壓力為0.2 MPa時(shí)，煤樣的滲透率達(dá)到最大；對(duì)煤體施加紅外輻射時(shí)，滲透率隨紅外輻射功率的增加而增加，煤體滲透率與紅外輻射功率呈正相關(guān)，紅外輻射功率增大煤樣滲透率增加。

圖8 功率敏感系數(shù)隨功率變化曲線Fig.8 Curves of power sensitivity coefficient changing with power

(3)依據(jù)滲透率公式、煤體所受有效應(yīng)力及溫升實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出紅外輻射功率與溫度的關(guān)系式，提出煤體滲透率與紅外輻射功率的關(guān)系式k=k0eb(w-c)，通過(guò)煤體滲流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該公式進(jìn)行驗(yàn)證，擬合度良好，對(duì)孔隙率相關(guān)擬合參數(shù)k0及熱膨脹相關(guān)參數(shù)b進(jìn)行分析可知，在紅外輻射影響下，煤體孔隙率相關(guān)的擬合參數(shù)k0隨著圍壓的增加而下降，煤體膨脹相關(guān)參數(shù)b在孔隙壓力一定的條件下，隨圍壓的增加其變化范圍在0.004 5～0.003 0。

(4)煤體滲透率損失率隨紅外輻射功率的增加整體呈減小趨勢(shì)，煤體受到紅外輻射功率越大，其滲透率損失率越低，在孔隙壓力為0.6～1.0 MPa，紅外輻射功率較小情況時(shí)，會(huì)出現(xiàn)滲透率變化平緩甚至減小的趨勢(shì)，整體分析，在孔隙壓力較低情況下滲透率損失率受圍壓的影響不大，變化趨勢(shì)近似相同。

(5)當(dāng)孔隙壓力一定的條件下，煤體的紅外輻射功率敏感系數(shù)隨著紅外輻射功率的增加而增加，即煤體對(duì)紅外輻射功率的敏感性越來(lái)越高。在孔隙壓力不同的條件下，煤體的紅外輻射功率敏感性存在差異，煤體紅外輻射功率敏感系數(shù)不僅與紅外輻射的功率有關(guān)，同時(shí)也是孔隙壓力與圍壓共同作用的結(jié)果。