摘要
我国煤层普遍面临的孔隙结构发达、瓦斯含量高、渗透性差等低透气性难题是制约煤炭高效安全开采和瓦斯资源化利用的主要因素，也严重影响着国家低碳减排的发展进程，其中，强化瓦斯抽采技术是煤层增透必不可少的手段。考虑到微波加热的高效与优越性，本文提出了一种微波循环注热致裂增透煤体的方法，结合物理实验和理论分析，研究了微波脱水期内煤体的热梯度作用，阐述了微波对含水煤体结构演化和致裂增透作用的影响机制，主要成果如下： （1）对微波循环辐射下煤体热响应特性进行深入分析，发现在微波脱水期内不同煤阶煤样的温升过程按升温速率的大小均可分为预热期、持续作用期与加速升温期，而煤样含水率变化速率则呈现出“慢-快-慢”的下降趋势，二者各个阶段相互对应且时间吻合，证实了水分是影响微波辐射下煤体升温的主要因素；同时水分的区域性分布导致煤样在微波辐射过程中表现出异步性加热、不均匀受热的特点，而传导、对流等热量传递方式则趋向于匀化温度场。 （2）对多相煤体在微波场内的热驱动特性进行研究，发现煤在微波场内主要受到气压驱动和热应力的作用，气压驱动力主要来自于水分不均匀受热蒸发形成的气压差，微观上可表现为冲击含水孔壁导致孔隙打开扩张，宏观上驱使部分水分以液态水的形式向外运移，导致煤体表面出现明显的水滴和水迹；而不均匀受热形成的温度梯度极大地促进了孔裂隙的发育扩展，同时也为水分等物质的运移提供了通道条件，形成了裂隙与水分运移相互依存、相互作用的现象。 （3）对微波辐射下煤体结构演化规律进行探究，发现微波注热可有效致裂煤体，而含水率的提高显著提升了致裂效果。从微观孔隙结构来看微波辐射后含水煤体孔径增大、孔隙连通性增强，伴随着部分矿物质的脱离和水分运移，微小孔隙得以扩展；从分子结构来看微波热效应可导致煤中分子基团脱除，其中羟基与含氧官能团的变化导致煤体亲水性下降，气液流通性增强，而脂肪度的减小和芳香度的增加反映出煤体结构的改善；从宏观裂隙结构来看微波注热提高了煤体裂隙密度和裂隙分形维数，促进裂隙网的发育和连通，且煤体内部损伤程度随辐射时间和含水率的增加而不断加剧。 （4）探究了微波辐射下煤体内瓦斯储运特征，通过瓦斯解吸实验分析微波辐射时间和含水率对煤体解吸量、解吸速率和初始有效扩散系数的影响，发现了辐射时间与含水率的提高有助于增加累计瓦斯解吸量，提高解吸速率和初始有效扩散系数，但在一定的辐射时间下含水率存在一个最佳适配值；基于微波注热技术的原理和优势，提出了一种微波协同水力化措施强化抽采的应用设想，致力于将微波对煤体的改造增透作用做进一步的实践深化。 基于上述研究内容，硕士期间发表SCI论文1篇，影响因子3.42；申请发明专利4项，授权1项。
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