【新锐特刊】胡国忠教授：微波辐射降低硬煤冲击倾向性试验研究（中国矿业大学）

创新点(1) 针对煤矿冲击地压防治过程中的煤岩体结构改造难题，提出了一种“微波辐射法致裂弱化煤体”的新思路和新方法，为降低煤层冲击倾向性提供了一种新的技术途径。(2) 采用自主研制的微波辐射试验装置与C46.106型MTS电液伺服试验机，开展煤体微波致裂弱化试验，揭示了微波辐射对煤体的动态破坏时间、冲击能量指数、弹性能指数、单轴抗压强度和纵波波速的影响规律，确定了降低煤体冲击倾向性的最优微波参量范围，为微波致裂弱化减冲的工艺参数设计提供了理论依据。(3) 获取了微波辐射下冲击倾向煤体的破裂特征与损伤弱化规律，确定了微波参量与微波对煤体的热效应、煤体损伤因子之间的变化关系，阐明了微波辐射下冲击倾向煤体的损伤致裂效应。

　　(4)初步揭示了煤巷微波致裂弱化防冲机理，即：通过增大冲击地压发生的临界塑性软化区半径，引起巷道围岩高应力区向深部转移，提高巷道围岩塑性软化区对弹性区释放能量的耗散能力；同时，煤体峰后软化模量显著降低，导致冲击地压发生的临界载荷增大，从而降低巷道发生冲击地压的可能性。

　　1作 者

　　胡国忠1,2,王春博2,许家林2,3,吴旭飞2,秦伟3

　　2单 位

　　1. 中国矿业大学 江苏省矿山地震监测工程实验室；2. 中国矿业大学 矿业工程学院；3. 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室

　　3研究背景

　　冲击地压防治措施分为区域性措施和局部性措施,其中局部性措施多以改变煤岩体物理力学性质为出发点,例如水力压裂、爆破卸压、煤层注水、硐室卸压及机械振动、大功率超声波卸压、煤层注入碱性溶液等。但由于冲击地压灾害的复杂性和各矿井煤岩层赋存条件的差异性,上述各类防治措施在某些条件下存在局限,亟待探寻新的冲击地压防治方法。

　　近年来,微波技术在低渗透煤层增透、页岩气增产、辅助破岩、煤炭脱硫等领域已有初步应用研究,被认为是一种极具发展前途的新方法。微波是一种频率介于无线电波与红外线之间的特殊波段,具有穿透、反射、吸收等特性。在微波辐射下,煤体中的极性矿物分子取向将随着电磁场取向的高频转换而转换,造成极性矿物分子相互摩擦而产生急速热效应,从而快速提高煤体温度;由于微波对煤体中各矿物的选择性热效应,煤体内将形成明显的局部温差而产生剧烈的热应力,导致煤体内局部拉伸和剪切变形,使之产生热破裂,从而有利于降低煤体强度,这为笔者提出“微波致裂弱化法降低煤层冲击倾向性”的新思路提供了可能。4摘 要如何有效地改变煤岩体物理力学性质是冲击地压防治领域亟待解决的关键难题,而微波致裂弱化法是解决这一难题的新途径。为探究微波致裂弱化法降低硬煤冲击倾向性的实效性,采用自主研制的微波辐射试验装置与C46.106型MTS 电液伺服试验机,开展了煤体微波致裂弱化试验,研究了微波辐射对煤体的动态破坏时间、冲击能量指数、弹性能指数、单轴抗压强度和纵波波速的影响规律,确定了降低煤体冲击倾向性的最优微波参量范围。在此基础上,研究了微波辐射下冲击倾向煤体的损伤致裂效应,分析了微波对煤体的热效应、煤体损伤因子与微波参量之间的变化关系,揭示了煤层巷道微波致裂弱化防冲机理。结果表明:
①微波致裂弱化法能有效降低或消除煤体冲击倾向性。煤体微波致裂后,煤样峰值强度大幅下降,应力-应变曲线峰后段应力降增多,使峰前积聚的总能量降低且分级释放,煤体由脆性向塑性转变;同时,煤样载荷-时间曲线峰后段表现出多台阶、分级跌落的特征,煤体积蓄的弹性能减少,从而导致煤体各项冲击倾向指标均有不同程度降低。
②微波辐射对煤体的减冲效果表现为能量阈值现象,而在微波能量恒定条件下高功率-短时间的能量组合更有利于煤体减冲。
③微波对煤体内各矿物的选择性热效应使煤体产生热破裂,表现为煤样表面出现多条纵向裂缝以及与之垂直的分支裂隙。
④煤样冲击倾向性与煤样纵波速度存在显著相关性。微波能量及其辐射强度越大,煤体纵波波速降幅越大,则煤体冲击倾向性越小。
⑤煤巷微波致裂弱化防冲机理在于,通过增大冲击地压发生的临界塑性软化区半径,引起巷道围岩高应力区向深部转移,提高巷道围岩塑性软化区对弹性区释放能量的耗散能力;同时,煤体峰后软化模量显著降低,导致冲击地压发生的临界载荷增大,从而降低巷道发生冲击地压的可能性。
5部分图片

　　煤样的XRD测试结果

　　试验流程

　　不同能量大小的微波辐射后煤样的载荷Pc-时间t曲线

　　不同能量组合的微波辐射后煤样的载荷Pc-时间t曲线

　　煤样的tD增量与微波能量的变化关系

　　恒定微波能量下煤样的tD增量与微波功率的关系

　　微波辐射后煤样的应力-应变曲线

　　冲击能量指数减量ΔKE与微波能量E的变化关系

　　微波辐射后煤样的加载-卸载曲线

　　微波辐射后煤样的单轴抗压强度冲击等级分布

　　微波辐射下煤样表面最大温度差的变化规律

　　微波辐射下典型煤样的宏观破裂特征

　　煤样损伤因子与微波参量的关系

　　煤样的纵波波速与冲击倾向性的关系

　　圆形巷道微波致裂弱化减冲的基本原理示意

　　微波致裂弱化前后临界塑性区半径与临界载荷

　　作者简介

　　胡国忠，1981年10月生，湖南衡阳人，教授，博士生导师，中国矿业大学青年学术带头人，国家注册安全工程师，现任江苏省矿山地震监测工程实验室副主任。曾获全国“煤炭青年科技奖”、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师、江苏省“双创计划”人才等荣誉称号。兼任《煤炭学报》科学编辑、《Geofluids》编委。主要从事岩层移动与绿色开采(煤与瓦斯共采)、煤岩动力灾害防治、煤矿瓦斯治理等方面的科研与教学工作。针对高瓦斯煤层增透、巷道卸压、冲击地压防治、煤层消突等涉及的煤岩结构改造难题，建立了"煤岩微波致裂"理论与技术方法；结合岩层移动的关键层理论，研发了覆盖煤矿规划区、开拓区、生产区和废弃采空区的深部开采全生命周期瓦斯抽采成套技术与装备。研究成果在煤矿现场实践中得到了广泛应用。

　　主持国家自然科学基金项目3项、江苏省自然科学基金面上项目1项、教育部博士点基金1项、中国博士后基金面上项目1项、江苏省普通高校优势学科建设项目子课题2项以及企业创新项目等课题30余项。在《煤炭学报》、《岩石力学与工程学报》和《International Journalof Rock Mechanics and Mining Science》等行业顶级刊物上发表学术论文60余篇，其中1篇入选"F5000中国精品科技期刊顶尖学术论文"；出版专著2部，参编著作2部；获得授权国家发明专利8项。研究成果获得省部级科技奖励一等奖1项、二等奖5项、三等奖2项。

　　胡国忠,王春博,许家林,等. 微波辐射降低硬煤冲击倾向性试验研究[J]. 煤炭学报,2021,46(2):450-465.

　　HU Guozhong,WANG Chunbo,XU Jialin,et al. Experimental investigation on decreasing burst tendency of hardcoal using microwave irradiation[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(2):450-465.

　　
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