微波辐射下煤体分级热响应与微观结构损伤演化机制研究

针对煤层气高效开采中微波加热增透机制不明的问题，研究人员通过红外测温、核磁共振(NMR)和CT扫描等技术，揭示了煤体在微波辐射下的三阶段升温特性（快速-减速-再加速）及矿物分解(<200°C)诱发的孔隙-裂隙网络扩展规律，发现总孔隙率提升0.59%、损伤度(D)达0.9，为煤层热激励增透技术提供理论支撑。

　　

煤层气作为兼具灾害风险与清洁能源价值的资源，其高效开采依赖于煤层渗透率的提升。传统热注入技术存在能量损失快、传热效率低等瓶颈，而微波加热技术通过极性介质（如水分子和矿物）的介电损耗(dielectric loss)产热，能同步实现水分脱除和结构增透。然而，煤体在微波场中的分级热响应机制与微观结构损伤演化规律尚不明确，制约了该技术的工程应用。

中国矿业大学的研究团队以山西阳城无烟煤为对象，通过红外热像仪、核磁共振(NMR)、微焦点X射线计算机断层扫描(μ-CT)和声发射技术，系统研究了微波辐射下煤体的动态热行为与结构损伤特征。研究发现，煤体升温呈现"快速-减速-再加速"三阶段特征，200°C为关键阈值：低温阶段(<200°C)以自由水/结合水(bound water)脱除为主，高温阶段则引发矿物分解和界面损伤。核磁共振T₂谱显示，微波处理后总孔隙率增加0.59%，结合水孔隙率降低0.33%，孤立孔隙从1.15%降至0.61%，而连通孔隙增加2.11%。CT三维重建表明裂隙平均长度、宽度和面积显著增大，形成复杂网络结构。声波测试显示纵波/横波速度下降，损伤度D达0.9，证实内部结构发生实质性破坏。

关键技术方法

研究采用标准圆柱煤样(Φ50×50mm)进行微波辐射实验，通过钻孔嵌入式热电偶实时监测温度场；利用低场核磁共振分析仪测定T₂弛豫谱表征孔隙结构变化；采用μ-CT扫描仪(分辨率3μm)三维重建裂隙网络；结合超声波探伤仪量化结构损伤程度。

主要研究结果

1. 煤体热效应变化特征：发现冷-热边界区的持续存在，矿物吸收微波能产生热应力(thermal stress)，加速孔隙-裂隙扩展。

2. 孔隙结构损伤特性：T₂谱显示微波处理后>100ms的宏孔隙信号增强，证实水分蒸发产生的蒸汽压(vapor pressure)促进微裂隙贯通。

3. 声学响应规律：纵波速度下降23.7%，横波速度降低19.8%，表明各向异性损伤主要源于矿物相变和裂隙扩展。

该研究首次阐明微波辐射下煤体"水蒸发-矿物分解"双阶段损伤机制，为煤层气开采中微波参数优化（功率、时长）提供理论依据。成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，获国家自然科学基金(52274239)和江苏省杰出青年基金(BK20230046)资助。论文通讯作者为Lin Baiquan（林柏泉），第一作者Zhong Yuting（钟玉婷）的贡献包括实验实施与数据分析。研究团队特别指出，微波诱导的矿物选择性加热特性可针对性改造低渗透煤层，这对实现"双碳"目标下的非常规天然气开发具有重要实践价值。