微波輻射降低硬煤沖擊傾向性試驗研究

胡國忠，王春博，許家林,，吳旭飛，秦 偉

(1.中國礦業大學 江蘇省礦山地震監測工程實驗室,江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業大學 礦業工程學院,江蘇 徐州 221116; 3.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

煤礦沖擊地壓是指井下巷道、工作面等處的煤巖體突然破壞而產生的一種劇烈動力災害[1-2]。據統計[3-4]，截至2019年6月我國正在生產的沖擊地壓礦井的數目為121座、產能約4億t/a，在煤炭供應保障中發揮著重要作用。因此，如何有效防治沖擊地壓是煤礦安全生產中亟待解決的關鍵難題。沖擊地壓防治措施分為區域性措施和局部性措施，其中局部性措施多以改變煤巖體物理力學性質為出發點，例如水力壓裂、爆破卸壓、煤層注水、硐室卸壓及機械振動、大功率超聲波卸壓、煤層注入堿性溶液等[5-11]。但由于沖擊地壓災害的復雜性和各礦井煤巖層賦存條件的差異性，上述各類防治措施在某些條件下存在局限，亟待探尋新的沖擊地壓防治方法。

近年來，微波技術在低滲透煤層增透、頁巖氣增產、輔助破巖、煤炭脫硫等領域已有初步應用研究，被認為是一種極具發展前途的新方法[12-14]。微波是一種頻率介于無線電波與紅外線之間的特殊波段，具有穿透、反射、吸收等特性[15]。在微波輻射下，煤體中的極性礦物分子取向將隨著電磁場取向的高頻轉換而轉換，造成極性礦物分子相互摩擦而產生急速熱效應，從而快速提高煤體溫度;由于微波對煤體中各礦物的選擇性熱效應，煤體內將形成明顯的局部溫差而產生劇烈的熱應力，導致煤體內局部拉伸和剪切變形，使之產生熱破裂，從而有利于降低煤體強度，這為筆者提出“微波致裂弱化法降低煤層沖擊傾向性”的新思路提供了可能。

因此，筆者選取強沖擊傾向煤樣，利用自主研制的微波輻射試驗裝置開展煤體微波致裂弱化試驗，研究微波輻射對煤體的沖擊傾向指標和縱波速度的影響規律，獲取煤體沖擊傾向性、微波對煤體的熱效應、煤體損傷破裂特征與微波參量的變化關系，揭示煤層巷道微波致裂弱化減沖機理，為煤層微波致裂弱化減沖的工藝參數設計提供依據。

1 試驗方法

1.1 煤樣制備

實驗煤樣取自陜西神木礦區某礦的強沖擊傾向性煤層，是一種高揮發分的長焰煤，且具有含碳量高、低硫等特點，其工業組分及礦物成分如圖1和表1所示。根據試驗要求，將井下取回的大塊煤樣沿垂直層理方向鉆取φ50 mm×100 mm的標準煤樣。由于煤樣制備過程均在淋水狀態下進行，為避免含水狀態對試驗結果造成影響，將制備煤樣在相同的自然通風環境下平衡水分1周。

圖1 煤樣的XRD測試結果Fig.1 XRD test results of coal samples

表1 煤樣的工業分析Table 1 Proximate analysis of coal samples

1.2 試驗方案

為了探索微波致裂弱化法降低煤體沖擊傾向性的實施效果以及最優微波參量，本次試驗設計了原始煤樣對照組(N組)、微波能量遞增組(T組)、微波能量組合方式組(P組)，研究不同工況微波致裂弱化后煤樣的沖擊傾向性變化規律，試驗方案見表2。在試驗過程中，通過調整微波功率P和輻射時間t便可產生不同大小和不同組合方式的微波能量。根據能量守恒定理，在忽略微波加載腔體能量耗散的條件下，作用在煤樣上的微波能量E為

E=Pt

(1)

式中，P為微波功率，W;t為微波輻射時間，s。

表2 微波輻射試驗方案Table 2 Experimental scheme of microwave irradiation

1.3 煤樣微波致裂弱化試驗

煤樣微波致裂弱化試驗是在自主研制的微波輻射試驗裝置上開展的，該裝置由微波發生系統(頻率2.45 GHz、單源最大功率3 kW)、微電腦控制系統、波導管、微波加載腔體、水循環冷卻系統、注氣與排氣系統、溫度監測系統和圖像采集系統等組成。實驗前對微波加載腔體抽真空后注入CO2氣體以保護微波發生系統和波導管，微波產生后經波導傳輸至微波加載腔體形成正交微波場對腔體內煤樣進行微波致裂，微波輻射試驗裝置及試驗流程如圖2所示。

1.4 煤樣沖擊傾向性測試

煤樣沖擊傾向性測試采用C46.106型MTS電液伺服試驗機，該試驗機能夠實時顯示被加載試件的應力-應變曲線以及進行力、變形、位移等速率控制和恒力、恒變形、恒位移控制的試驗。

試驗過程中，按照國家標準《沖擊地壓測定、監測與防治方法第2部分:煤的沖擊傾向性分類及指數的測定方法》(GB/T 25217.2)的規定[16]，對試驗煤樣分別測定動態破壞時間tD、彈性能量指數WET、沖擊能量指數KE、單軸抗壓強度Rc等指標。

1.5 試驗步驟

(1)對表面完整無明顯裂隙的煤樣，使用C61型非金屬超聲波測速儀測試煤樣的P波速度。而后，選取P波速度接近的煤樣作為同一組試驗煤樣，測量煤樣的尺寸、質量等參數，并使用高分辨率相機采集原始煤樣的表面圖像。

(2)將煤樣放置于微波加載腔體內，按照微波輻射試驗方案進行微波致裂弱化試驗，并采用FLIR A6753sc型紅外線熱成像儀獲取微波輻射后煤樣的表面溫度。待煤樣冷卻后，再次采集煤樣表面圖像，并測試微波輻射后煤樣的P波速度。

(3)對原煤對照組和微波輻射后的煤樣，使用MTS 電液伺服試驗機測試煤樣的動態破壞時間tD、沖擊能量指數KE、彈性能量指數WET、單軸抗壓強度Rc等4個沖擊傾向性指標。

圖2 試驗流程Fig.2 Experiment procedure

2 微波輻射對煤體沖擊傾向指標的影響規律

2.1 原始煤樣對照組(N組)的沖擊傾向性指標

由表3可知，N組原始煤樣的動態破壞時間為86.67 ms、沖擊能量指數為40.16、彈性能量指數為3.18、單軸抗壓強度為15.81 MPa。按照文獻[16]的沖擊傾向性等級判定方法，原始煤樣的沖擊傾向性為III類強沖擊傾向性。

2.2 微波輻射對煤的動態破壞時間tD的影響

煤的動態破壞時間是評價煤體沖擊傾向性的關鍵指標之一。沖擊地壓發生時往往伴隨著煤體突然失穩，煤體迅速釋放彈性能，而動態破壞時間能夠表征煤體突然失穩情況下釋放彈性能的劇烈程度。

2.2.1微波能量遞增條件下煤樣的動態破壞時間

微波能量遞增條件下煤樣的載荷-時間曲線以及動態破壞時間tD，如圖3所示。

在54 kJ的微波能量作用后，tD-T1,tD-T2煤樣的峰值載荷較原始煤樣分別降低了27.3%，25.9%;而對于tD-T3煤樣，由于與其他煤樣的結構差異性，54 kJ微波能量對煤體結構的影響較為有限，仍表現出峰值載荷高、峰值后應力急速跌落、動態破壞時間極短等強沖擊傾向性的破壞特征。

表3 N組原始煤樣的沖擊傾向性指標測試結果Table 3 Test result of impact tendency index of N-group raw coal

圖3 不同能量大小的微波輻射后煤樣的載荷Pc-時間t曲線Fig.3 Load-time curve of coal after microwave irradiation with different energy

圖4 不同能量組合的微波輻射后煤樣的載荷Pc-時間t曲線Fig.4 Load-time curve of coal samples after microwave irradiation with different energy structure

隨著微波能量增加到108 kJ，tD-T4～tD-T6煤樣峰前積聚的總能量持續降低，其平均峰值載荷較原始煤樣降低了48.3%，下降幅度增大，使得煤樣平均動態破壞時間增大到883 ms，轉變為無沖擊傾向性。同時，該組煤樣的載荷-時間曲線的峰后階段均出現了臺階狀破壞特征，如tD-T4煤樣出現3個階梯狀壓降臺階，且持續時間較短，其動態破壞時間為1 020 ms；雖然tD-T5，tD-T6煤樣均只出現1個壓降臺階，但tD-T5煤樣的壓降臺階持續時間較長。由此可見，對于微波輻射后的煤樣，其載荷-時間曲線峰后段出現的壓降臺階在一定程度上增加了煤樣動態破壞時間，且壓降臺階的數目、持續時間取決于煤樣自身的性質，具有一定離散性。

當微波能量持續增加到162，216 kJ時，2組煤樣的平均峰值載荷較原始煤樣分別降低了63.4%，63.6%，動態破壞時間在690～3 450 ms波動，均大于該指標的無沖擊傾向性臨界值。由此可看出，當微波能量超過162 kJ后，隨著微波能量持續增加，煤樣的峰值載荷和動態破壞時間的變化幅度較小，表現為微波能量的閾值現象。

2.2.2不同微波能量組合下煤樣的動態破壞時間

微波能量組合是指在微波能量恒定條件下微波功率和輻射時間的占比情況，它決定了微波能量輸出速率。不同能量組合條件下tD-P組煤樣的載荷-時間曲線及煤樣動態破壞時間，如圖4所示。

在微波能量恒定為216 kJ條件下，不同能量組合的微波輻射后煤樣的動態破壞時間較原始煤樣均有大幅提高，且峰值載荷顯著降低。其中，tD-P1～P3(P=450 W,t=480 s)，tD-P4～P6(P=900 W,t=240 s)組煤樣的平均峰值載荷較原始煤樣分別降低了51.9%，63.1%，其動態破壞時間分別提高至1 127，1 163 ms。對于tD-P7～P9(P=1 350 W,t=160 s)組和tD-P10～P12(P=1 350 W,t=160 s)組煤樣，雖然其平均峰值載荷較原始煤樣的降幅均在64%左右，但對應的動態破壞時間存在較大差異。

2.2.3煤樣tD增量與微波能量、能量組合的關系

根據圖3的試驗結果，可得到微波輻射后煤樣的動態破壞時間較原始煤樣的增量ΔtD與微波能量E的變化關系(圖5)，即

(2)

圖5 煤樣的tD增量與微波能量的變化關系Fig.5 Relationship between dynamic failure time increase and microwave energy

由圖5可知，在微波輻射作用下，煤樣的動態破壞時間增量ΔtD與微波能量E總體上呈Boltzmann函數關系。54 kJ的微波能量對煤樣的動態破壞時間的影響較小，此時煤樣的動態破壞時間介于強沖擊傾向性與弱沖擊傾向性等級間;隨著微波能量持續增加，煤樣的動態破壞時間的增幅迅速增大，其指標值趨于弱沖擊傾向性、直至無沖擊傾向性;當微波能量大于162 kJ后，煤樣的動態破壞時間均大于500 ms(無沖擊傾向性臨界值)，但此時微波輻射對煤樣的沖擊傾向弱化效果趨于平緩。

同時，在恒定微波能量條件下，煤樣的動態破壞時間增量ΔtD與微波功率整體上呈明顯的正相關的變化關系(圖6)，微波功率越大，煤體的動態破壞時間提高幅度越大。由此可知，在微波能量恒定條件下，高功率、短時間的微波能量組合的弱化減沖效果要好于低功率、長時間的能量組合。

圖6 恒定微波能量下煤樣的tD增量與微波功率的關系Fig.6 Relationship between dynamic failure time increase and microwave power under equal microwave energy

由此可知，無論是微波能量遞增或各種能量組合條件，微波輻射后煤樣的動態破壞時間均大幅上升，且峰值載荷顯著降低;同時，微波輻射后煤樣的載荷-時間曲線的峰后段均出現壓降臺階，峰前積聚的彈性能得到分段釋放。這表明在微波輻射下煤體內部骨架結構發生變化，且煤樣破壞過程中部分塊體發生剝離、釋放能量，此時煤樣仍具有穩定的結構并有一定承載能力;但是，隨著應力的持續增加，煤樣再次發生破裂直至完全失去承載能力，臺階式破壞導致煤樣動態破壞時間增加，使得該指標沖擊等級由“強沖擊”轉為“弱沖擊”和“無沖擊”。

2.3 微波輻射對煤的沖擊能量指數的影響

根據面積積分法，分別計算KE-T1～T12和KE-P1～P12煤樣應力-應變曲線(圖7)的峰值前應變能與峰后應變能，得到了微波輻射后煤樣的沖擊能量指數，見表4。由表4和圖7可知，微波輻射對煤的沖擊能量指數具有顯著的弱化效果。與原始煤樣相比，微波輻射后煤樣的應力-應變曲線整體表現出孔隙壓密階段的軸向位移增加的趨勢，此時應力-應變曲線呈上凹狀、曲線的曲率逐漸減小，這表明微波輻射后煤體內部有大量裂隙產生，使得在應力加載條件下變形能力增強。同時，微波輻射后煤樣的應力-應變曲線在峰值前劇烈應力降現象的出現次數增多，釋放了部分能量，使得煤樣峰值前積聚能量減少;而在應力-應變曲線峰后段，均出現了2次以上的臺階下降，且每次臺階下降曲線斜率較前1次臺階下降要小，使峰前積聚的彈性能得到了分級釋放。

隨著微波能量不斷增加，煤樣積聚能量的能力大幅度下降，表現為煤樣的沖擊能量指數逐漸降低，其沖擊傾向性等級也由“強”逐步轉變為“弱”。當微波能量增加到216 kJ時，煤樣的沖擊能量指數降為2.62，趨近于該指標的弱-無沖擊傾向性分界值。其中，微波輻射后KE-T組煤樣的沖擊能量指數較原始煤樣平均降低了67.2%～93.5%，且微波輻射后煤樣的沖擊能量指數較原始煤樣的減量ΔKE與微波能量E呈指數函數關系(圖8)，即

圖7 微波輻射后煤樣的應力-應變曲線Fig.7 Stress-strain curves of coal samples after microwave irradiation

表4 微波輻射后KE-T和KE-P組煤樣的沖擊能量指數Table 4 Test results of impact energy index of KE-T & KE-P group coal after microwave irradiation

ΔKE=37.702-37.753e-E/41.556

(3)

同時，在微波能量恒定條件下，不同能量組合的微波輻射后煤樣的沖擊能量指數在1.73～14.35，77%的煤樣沖擊能量指數等級由強沖擊傾向性轉為弱沖擊傾向性。其中，KE-P1～P3(P=450 W,t=480 s)組、KE-P7～P9(P=1 350 W,t=160 s)組煤樣的沖擊能量指數分別為7.76，10.51，仍表現出強沖擊性;而KE-P4～P6(P=900 W,t=240 s)組、KE-P10～P12(P=1 800 W,t=120 s)組煤樣的沖擊能量指數分別為2.38，2.62，表現為弱沖擊傾向性。這表明不同微波功率-輻射時間的能量組合對煤樣沖擊能量指數的弱化效果存在較大的離散性。

圖8 沖擊能量指數減量ΔKE與微波能量E的變化關系Fig.8 Relationship between impact energy index ΔKE and microwave energy E

2.4 微波輻射對煤的彈性能量指數的影響

煤樣的彈性能指數是反映煤樣在破壞前儲蓄能量的重要指標。試驗得到的煤樣加載-卸載曲線及其彈性能量指數結果如圖9和表5所示。

圖9 微波輻射后煤樣的加載-卸載曲線Fig.9 Loading-unloading curves of coal samples after microwave irradiation

表5 微波輻射后煤樣的彈性能量指數WETTable 5 Elastic energy index of coal samples after microwave irradiation

由表5可知，原始煤樣的彈性能量指數在2.96～3.73，屬于弱沖擊傾向性，表明原始煤樣內部裂隙發育程度較低，在載荷加載過程中內部損傷和塑性變形消耗能量較少。而在微波輻射作用下，煤樣的彈性能量指數整體上隨著微波能量的增加而降低;當微波能量提高至216 kJ 時，煤樣的彈性能量指數在1.28～1.95，均屬于無沖擊傾向性。由此可見，微波輻射能夠對煤體結構產生損傷、促進裂隙擴展發育，從而弱化煤體內部結構，增加了載荷作用下煤體內部損傷和塑性變形的能量消耗;在試驗機對煤樣做功一定或者減少的情況下，煤樣內部積蓄的彈性能隨之減少，從而使得微波輻射后煤樣的彈性能量指數降低。

在微波能量恒定為216 kJ的條件下，WET-P組煤樣的彈性能量指數介于1.70～2.48，較原始煤樣整體性有較大降幅(平均22%～46%)，煤樣的彈性能量指數沖擊傾向性等級由“弱”轉為“無”;而且，從表5的試驗結果來看，煤樣的彈性能量指數的變化幅度與微波能量呈正相關性，而高功率、短時間的微波能量組合更有利。

2.5 微波輻射對煤的單軸抗壓強度的影響

煤的單軸抗壓強度是指在單軸壓縮作用下煤體達到破壞前所能承受的最大壓應力，它反映了煤體抵抗變形的能力;煤的單軸抗壓強度越大，其抵抗變形的能力越強，破壞過程越劇烈。

圖10 微波輻射后煤樣的單軸抗壓強度沖擊等級分布Fig.10 Distribution of impact grade of uniaxial compressive strength of coal samples after microwave irradiation

由圖10可知，由于各個煤樣內部結構的差異性，在不同微波工況條件下煤樣的單軸抗壓強度表現出一定的離散性。然而，隨著微波能量增加，各組煤樣的單軸抗壓強度平均值較原始煤樣均有不同程度降低。當E=108 kJ時，單軸抗壓強度沖擊等級為無沖擊傾向性的煤樣數量占該組試樣總數的16.7%;而當微波能量增加到216 kJ時，單軸抗壓強度沖擊等級為無沖擊傾向性的煤樣數量占比則達83.3%。這表明微波輻射對煤樣具有顯著的強度弱化效應，微波能量越大，煤樣的強度弱化效果越好。

在微波能量恒定為216 kJ條件下，煤樣單軸抗壓強度總體上隨微波功率的增加而降低，但2者并未有顯著的線性關系。當微波能量組合為P=450 W,t=480 s時，仍然有占比50%煤樣的單軸抗壓強度處于強、弱沖擊傾向性的取值范圍;當微波功率大于450 W時，煤樣的單軸抗壓強度大部分降至7 MPa以下，屬于無沖擊傾向性。由此可知，在微波能量恒定條件下，微波對煤體的強度弱化效果存在微波輻射強度閾值現象。因此，在煤層微波致裂弱化防沖的工程應用中，為實現理想的防沖效果，在不增加總能耗的情況下需確保足夠大的微波輻射強度。

2.6 微波輻射后煤體沖擊傾向性

由表6可知，微波輻射能顯著降低煤體的沖擊傾向性。隨著微波能量增加，煤樣的各項沖擊傾向指標均出現一定程度的弱化，且煤樣的沖擊傾向性等級由“強沖擊”逐漸轉為“弱沖擊”(E=162 kJ)、直至“無沖擊”(E=216 kJ)，總體上呈現微波能量越大、煤體弱化減沖效果越好的變化趨勢。

其次，當微波能量恒定條件下，不同能量組合的微波輻射對煤體沖擊傾向性的降低程度存在較大差異。當微波功率為450，900，1 350 W時，煤體沖擊傾向性均由“III類強沖擊”轉為“II類弱沖擊”;而微波功率為1 800 W時，煤體沖擊傾向性則轉為“I類無沖擊”。因此，在煤層微波致裂弱化防沖工程實踐中，需在保證一定的微波輻射強度下加載足夠的微波能量，且在不增加微波設備總能耗的情況下，高功率、短時間的能量組合更有利于煤層減沖。

表6 微波輻射后煤的沖擊傾向性綜合判定結果Table 6 Comprehensive judgment results of coal impact tendency after microwave irradiation

3 微波輻射下沖擊傾向煤體的損傷致裂效應與弱化防沖機理

3.1 微波對煤體的電磁熱效應

煤體是一種典型的電阻型損耗介質，在微波輻射作用下，煤樣中的極性分子將隨著電場方向的高頻轉換而轉變并產生摩擦，引起功率損耗，從而將微波能轉換為煤體的熱能，提高煤體的溫度。假設微波輻射下煤體內各礦物產生的功率損耗均全部轉換為熱能，且不考慮煤體對周圍環境的熱損耗，可得微波輻射下煤體內各礦物的升溫速率[17-18]為

(4)

式中，ε″eff為各礦物的介電損耗因子;R為礦物對微波的反射率;ρm為礦物密度;Cp為礦物的比熱容。

由式(4)可知，在微波輻射作用下，由于煤樣含有的高嶺土、水云母、黃鐵礦、方解石、石英等多種礦物質的介電損耗因子各異，使得煤樣各部位的升溫速率各不相同，進而在煤樣各部位之間形成明顯的溫度差，體現了微波對煤體內各礦物的選擇性熱效應。由圖11可知，微波輻射下煤樣表面溫度的最大溫度差在23～147 ℃;當微波能量小于162 kJ時，煤樣表面最大溫度差緩慢增加，而微波能量達到216 kJ時，煤樣表面最大溫度差急劇增大，且煤樣表面最大溫度差ΔTmax與微波能量E呈指數函數關系，即

ΔTmax=0.052 11e-E/29.004 3+30.018 9

(5)

圖11 微波輻射下煤樣表面最大溫度差的變化規律Fig.11 Change on max surface temperature gradient of coal samples under microwave irradiation

根據熱力學理論，上述煤樣內溫度差的存在勢必會引起煤體局部形成熱應力，而這將會對煤體結構產生拉伸或剪切變形，造成煤體結構損傷，形成熱破裂。因此，圖11所示的煤樣溫度差隨微波能量增加而呈現的“先緩慢增加、后急劇增加”這一變化趨勢，從熱力學的角度解釋了微波致裂弱化煤體沖擊傾向性的微波能量閾值現象。

3.2 微波輻射下沖擊傾向煤體的破裂特征

在煤體微波致裂弱化試驗過程中，通過采集微波輻射前后煤樣表面圖像，得到微波輻射下沖擊傾向煤體的破裂特征，如圖12所示。

圖12 微波輻射下典型煤樣的宏觀破裂特征Fig.12 Macroscopic fracture development of representative coal samples under microwave irradiation

經對比發現，原始煤樣表面較為平整，無明顯裂縫;在微波輻射下，煤體內溫度差所產生的熱應力致裂、孔內水分蒸發引起的蒸氣壓劈孔、硫性氣體釋放造成的疏孔和固態小顆粒的煙化擴孔的共同作用[12,19-20]，使得各個煤樣表面均產生了一定數量的新裂縫。其中，微波能量為54 kJ時，煤樣表面產生了少量宏觀裂縫(上表面和AB面各2條、EF面1條)，且煤樣側面均為縱向斜裂縫，此時宏觀裂縫的數目、長度、寬度以及相互連通性都處在較低水平。當微波能量為108 kJ時，煤樣表面宏觀裂縫發育水平有所提高，例如煤樣上表面新增2條裂縫(其中F1裂縫貫穿煤樣上表面)、CD面產生2條較短的縱向斜裂縫和1條橫向裂縫，而煤樣EF面上部產生1條貫穿煤樣縱向的主裂縫以及主裂縫左右兩側的若干條分支裂隙，且分支裂隙多與主裂縫垂直。當微波能量為162 kJ時，除CD面外煤樣各表面均產生了宏觀裂縫，裂縫發育水平較108 kJ時有小幅提升，其中煤樣AB，GH面均產生了以縱向斜裂縫為主、橫向裂縫和礦物熱解損傷區域為輔的裂縫網絡，且AB面縱向主裂隙與GH面主裂縫呈“X”狀。當微波能量增加到216 kJ時，煤樣表面宏觀裂縫發育水平顯著增強，主要表現在煤樣上下表面、各側面的裂縫數目增多且多條裂縫較寬，其中煤樣AB，GH面均形成了復雜的裂縫網絡，AB面以貫穿煤樣縱向的1條斜裂縫和1條豎直裂縫為主裂縫，而GH面則產生了多條貫穿煤樣縱向的豎直長裂縫，其余兩側面主裂縫與煤樣縱向呈銳角狀。

綜上所述，隨著微波能量增加，煤樣原生裂隙不斷擴展連通，同時產生新裂縫，且煤樣宏觀破裂多以縱向豎裂縫和斜裂縫為主，并在主裂縫兩側形成多條與之垂直的分支裂隙。而且，煤樣宏觀破裂特征與微波能量具有明顯的正相關性，這與微波輻射后煤樣沖擊傾向指標的變化趨勢具有一致性。

3.3 微波輻射下沖擊傾向煤體的損傷弱化機制

已有研究表明[21]，煤巖內的裂隙、孔洞等結構對超聲波的傳播有顯著的阻隔作用，當彈性波通過不連續或者損傷界面時會產生反射和透射，彈性波的波速會發生衰減。在相同環境條件下，同一煤樣的縱波速度變化主要受其孔裂隙結構變化的影響，煤樣內部越致密則其縱波速度越高，反之煤樣孔裂隙越發育則其縱波速度越低。因此，煤樣的縱波速度變化能夠反映其內部孔裂隙結構的發育程度。

為了反映微波輻射對沖擊傾向煤體結構的損傷弱化程度，在煤樣微波致裂弱化試驗中，采用C61型非金屬超聲波檢測儀測定了微波輻射前后煤樣的縱波速度，并按式(6)的計算方法定義了微波輻射下煤體的損傷因子D，即

(6)

其中，vp0，vp1分別為微波輻射前后煤樣的縱波波速，km/s。以tD-T1～T12組和tD-P1～P9組煤樣為例，通過計算得到微波輻射下煤體結構的損傷因子如圖13所示。經對比發現，煤體損傷因子D與微波能量E、微波能量恒定條件下的微波功率P均呈線性正相關的變化關系，即

(7)

圖13 煤樣損傷因子與微波參量的關系Fig.13 Relationship between damage factor of coal samples and microwave parameters

因此，在54～216 kJ微波能量范圍內，能量越大、微波能量恒定條件下的微波功率越大，煤樣的損傷因子越大。這表明，隨著微波能量增加或微波功率增加(微波能量恒定條件)，煤樣的縱波波速逐漸降低，則微波輻射對煤樣內部孔裂隙發育程度的提高幅度越大。一般而言，煤體的力學特性主要受其內部結構的影響，煤體內部越致密、其脆性特征越明顯，在外部載荷作用下煤樣會積聚更多的能量，且當外部載荷達到強度極限時煤樣會迅速破壞并釋放大量能量[22]，從而造成沖擊。因此，在微波輻射下，微波能量與微波輻射強度越大，煤體的縱波速度越低，煤體內部孔裂隙結構越發育，在外部載荷作用下其塑性越顯著、孔隙壓密階段的軸向位移增大、峰值強度越低，此時沖擊傾向煤體的峰前積聚能量與峰后釋放能量均會大幅下降，從而極大降低了煤體沖擊傾向性(圖14)和沖擊劇烈程度。

圖14 煤樣的縱波波速與沖擊傾向性的關系Fig.14 Relationship between the P-wave velocity and the impact tendency indexes of coal samples

而且，通過對比煤樣的縱波波速與煤樣沖擊傾向指數的兩者關系發現，煤樣的動態破壞時間隨著縱波波速的降低而快速增加，呈現出顯著的負相關性;與此同時，煤樣的沖擊能量指數隨縱波波速的降低而減小，呈現明顯的正相關性，這與文獻[23]得到的煤體沖擊傾向性與波速具有強烈的相關性的結論是一致的。當煤樣的縱波波速由1.68 km/s降低為1.28 km/s時，損傷因子為0.39，煤體由強沖擊傾向性降低為弱沖擊傾向性;而煤樣縱波波速降低至1.23 km/s時，損傷因子增大至0.47，煤樣則由弱沖擊傾向性轉為無沖擊傾向性。

3.4 煤巷微波致裂弱化減沖機理

目前，沖擊地壓的防治手段主要有改變煤巖性質、臨時卸壓、循環卸壓及綜合防治等[9]。微波致裂弱化減沖法是通過井下鉆孔或地面鉆井的方式將微波導入煤層，對鉆孔周圍煤體產生熱損傷致裂，提高煤體的孔裂隙發育程度，從而改變煤體的物理力學性質，降低煤層沖擊傾向性;在此基礎上，通過合理布置鉆孔(或鉆井)的間距，使微波致裂弱化形成的塑性破壞相互連通，從而可以消除或者降低整個煤層的沖擊危險性。該方法可用于掘進巷道的局部解?；蛎簩哟蠓秶鷧^域解危。

圖15 圓形巷道微波致裂弱化減沖的基本原理示意Fig.15 Principal of microwave fracturing for weakening outburst of circular roadway

以本文取樣礦井某煤層巷道為例，將巷道簡化為半徑為ra的圓形洞室，巷道開掘后會引起巷道圍巖應力重新分布，并形成破裂區、塑性區、彈性區和原巖應力區，如圖15所示。當考慮遠場應力擾動時，巷道沖擊地壓發生時的臨界塑性軟化區半徑Rcr、臨界載荷Pcr分別可表示[24]為

(8)

式中，σc為煤的單軸抗壓強度，據測試結果為15.81 MPa;M為煤的彈性模量;λ為煤的峰后軟化模量;m=(1+sinφ)/(1-sinφ);φ為煤的內摩擦角，φ=30°;Pi為巷道支護阻力，取1.0 MPa。

將圖7應力-應變曲線中的彈性模量M與峰后軟化模量λ的測試結果代入式(8)，可計算得到微波致裂弱化前后該巷道沖擊地壓發生的臨界塑性軟化區和臨界載荷，如圖16所示。經對比可知，該巷道沖擊地壓發生的臨界塑性軟化區半徑、臨界載荷隨微波能量的提高而增大，兩者與微波能量均呈正相關關系。如微波能量E=216 kJ時，巷道沖擊地壓發生的臨界塑性軟化區半徑Rcr由16.037 m增加至17.731～20.747 m，而對應的臨界載荷Pcr由10.16 MPa升高至12.27～16.35 MPa。

圖16 微波致裂弱化前后臨界塑性區半徑與臨界載荷Fig.16 Critical load and the critical plastic zone radius before and after microwave fracturing-weakening

由沖擊地壓擾動響應理論及強度弱化減沖機理[10,24]可知，巷道圍巖的變形失穩是沖擊地壓發生的主要原因，沖擊地壓發生時巷道圍巖彈性區內積聚的彈性能量決定了沖擊地壓發生的劇烈程度;而在沖擊地壓發生過程中巷道圍巖塑性區能夠消耗彈性區釋放的能量，阻止沖擊破壞進一步拓展。因此，在微波輻射作用下，巷道周圍煤體的裂隙擴展與新裂縫急劇產生，巷道圍巖塑性增強、脆性減弱，使得煤體在達到峰值強度前積聚彈性能量的能力被大幅弱化，從而能夠降低沖擊地壓發生的劇烈程度。其次，對巷道圍巖進行微波致裂弱化后，巷道沖擊地壓發生的臨界塑性軟化區半徑大幅提高，使得巷道圍巖的塑性區范圍進一步向巷道煤壁更深處拓展[25]，引起巷道圍巖的高應力區域向遠離巷道壁的深部轉移、減小巷道圍巖的應力梯度，進而提高巷道圍巖塑性軟化區對彈性區釋放能量的耗散能力，阻止沖擊破壞進一步擴展。同時，微波致裂后煤體峰后軟化模量的降低，導致巷道沖擊地壓發生的臨界載荷增大，從而減小了巷道圍巖發生沖擊地壓的可能性，實現對巷道圍巖的整體弱化減沖。

4 結 論

(1)由沖擊傾向性測試結果可知，試驗煤樣在壓縮過程中表現出峰值強度高、峰值后應力急速跌落、動態破壞時間極短等現象，具有典型的強沖擊傾向性破壞特征。在微波致裂弱化后，煤體峰值強度大幅下降，應力-應變曲線峰后段的應力降現象增多，且每次應力下降曲線斜率較前一次要小，使峰前積聚的總能量降低且得到分級釋放，煤樣由脆性向塑性轉變，從而導致煤樣單軸抗壓強度和沖擊能量指數下降;而煤樣的載荷-時間曲線峰后階段表現出多臺階、分級跌落的特征，導致煤樣動態破壞時間大幅增加;同時，微波輻射對煤體孔裂隙結構的損傷，增加了載荷作用下煤體塑性變形的能量消耗，導致煤樣內部積蓄的彈性能減少，從而使得煤樣的彈性能量指數降低。因此，微波致裂弱化法能夠有效地降低或消除煤體沖擊傾向性。

(2)試驗結果表明，隨著微波能量增加，煤樣沖擊傾向性等級由“強沖擊”逐漸轉為“弱沖擊”或“無沖擊”。而且，微波致裂弱化法對煤體的減沖效果表現為先緩慢增加后急劇升高的趨勢，呈現顯著的能量閾值現象。同時，在微波能量恒定條件下，低功率、長時間的能量組合對煤體的弱化減沖效果彼此相差不大，而高功率、短時間的微波能量組合更有利于降低煤體的沖擊傾向性。

(3)微波對煤體內各礦物的選擇性熱效應導致煤體表面溫度分布不均，且煤樣表面溫度差隨微波能量增加呈現“先緩慢增加、后急劇增加”的趨勢，兩者互為指數函數關系。煤體內溫度差的存在勢必引起煤體局部形成熱應力，從而對煤體結構產生拉伸或剪切變形，形成熱破裂，表現為煤樣表面出現以縱向豎直裂縫、斜裂縫為代表的主裂縫以及與主裂縫垂直的多條分支裂隙。

(4)煤樣沖擊傾向性與煤樣縱波速度存在顯著相關性，即煤樣動態破壞時間隨縱波波速的降低而快速增加，而煤樣的沖擊能量指數隨縱波波速的降低而減小。微波能量越大，煤體縱波波速降幅越大，則煤體內部孔裂隙結構越發育，在外部載荷作用下其塑性越顯著、孔隙壓密階段的軸向位移增大、峰值強度越低，此時煤體的峰前積聚能量與峰后釋放能量均會大幅下降，從而極大地降低了煤體沖擊傾向性和沖擊劇烈程度。

(5)揭示了煤巷微波致裂弱化防沖機理，即微波致裂弱化法能使巷道周圍煤體裂隙擴展與產生新裂縫，增強巷道圍巖塑性，使煤體在達到峰值強度前積聚彈性能量的能力被弱化，從而降低沖擊地壓發生的劇烈程度;其次，對巷道圍巖的微波致裂，能夠提高巷道沖擊地壓發生的臨界塑性軟化區半徑，使巷道圍巖的塑性區范圍進一步向巷道煤壁更深處拓展，引起巷道圍巖的高應力區域向深部轉移、減小巷道圍巖的應力梯度，進而提高巷道圍巖塑性軟化區對彈性區釋放能量的耗散能力，阻止沖擊破壞的進一步擴展;同時，微波致裂后煤體峰后軟化模量的降低，導致巷道沖擊地壓發生的臨界載荷增大，從而減小巷道圍巖發生沖擊地壓的可能性。