靜電場(chǎng)下煤體放散瓦斯時(shí)間記憶效應(yīng)研究

王亞娟，馬 濤，吳鵬飛

（1.河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室－省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000；2.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719300；3.鄭州煤炭工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 大平煤礦，河南 登封 452470）

我國(guó)煤礦多為高瓦斯礦井，開采過程中煤與瓦斯突出災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，且易造成嚴(yán)重的瓦斯事故。傳統(tǒng)意義上往往通過力學(xué)方法促進(jìn)煤層增透，采用注水注氮驅(qū)動(dòng)、高壓水力沖孔、壓裂、割縫和交叉鉆孔等措施，但受地質(zhì)構(gòu)造和技術(shù)條件的局限性較大，雖能暫時(shí)提高抽放效率，但費(fèi)用較大且耗費(fèi)大量人力和物力[1-2]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始探索通過一種非力學(xué)方法來激勵(lì)促進(jìn)煤層瓦斯的放散[3-5]。其中，何學(xué)秋、張力等[6-7]研究了外加交變電場(chǎng)對(duì)瓦斯氣體吸附特性的影響，認(rèn)為交變電磁場(chǎng)下通過提高煤瓦斯系統(tǒng)的溫度，降低了煤表面的吸附勢(shì)阱深度，使得吸附量降低，放散速度加強(qiáng)，滲透率升高；同時(shí)，在研究的過程中發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)對(duì)瓦斯吸附放散的影響具有時(shí)間效應(yīng)，一方面它不隨電磁場(chǎng)的消失而消失，另一方面又隨著重復(fù)吸附次數(shù)的增加而衰減；劉明舉[8]研究發(fā)現(xiàn)了交變電磁場(chǎng)作用后煤樣罐中瓦斯壓力在一段時(shí)間內(nèi)依然不變，出現(xiàn)了類似的時(shí)間效應(yīng)現(xiàn)象，但影響該現(xiàn)象不是永久性的，僅僅在一段時(shí)間內(nèi)有效。在靜電場(chǎng)方面，李成武，雷東記[9-10]研究了靜電場(chǎng)對(duì)煤放散瓦斯特性影響，發(fā)現(xiàn)隨著電壓的升高煤瓦斯放散初速度而變大（變小），在某一特征電壓下達(dá)到最大值，其后逐漸趨近平緩，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)煤在靜電場(chǎng)后保持一定的時(shí)間記憶效應(yīng)。前人主要探究了不同電場(chǎng)作用對(duì)不同煤體瓦斯吸附解吸的影響與作用，僅僅指出了在電場(chǎng)作用后煤體仍保持著記憶效應(yīng)，并沒有對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的機(jī)理分析。因此，在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行外加靜電場(chǎng)作用下煤體瓦斯放散特征電壓判識(shí)，并重點(diǎn)研究在特征電壓作用下探究瓦斯放散初速度在煤體記憶過程的變化特征，進(jìn)而揭示記憶效應(yīng)以及改性機(jī)理等核心問題。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

自行構(gòu)建并設(shè)計(jì)靜電場(chǎng)下含瓦斯煤體放散實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，瓦斯放散電場(chǎng)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。采用型號(hào)為EST802 靜電放電發(fā)生器為實(shí)驗(yàn)提供0、4、8、12、16 kV 恒定電壓，以導(dǎo)電性能較好的紫銅為電極板；通過WT-1 型瓦斯擴(kuò)散速度測(cè)定儀對(duì)靜電場(chǎng)處理前后的煤樣瓦斯放散特性進(jìn)行采集，并記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 瓦斯放散電場(chǎng)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental equipment of electric field effect of gas emission

實(shí)驗(yàn)煤樣取自四侯礦的無煙煤和麒麟礦的貧煤。各礦選取1 號(hào)、2 號(hào)2 份煤樣，其中1 號(hào)煤樣為各礦原生結(jié)構(gòu)煤進(jìn)行取樣，2 號(hào)煤樣為各礦區(qū)域構(gòu)造煤進(jìn)行取樣，每個(gè)煤樣分A、B 2 組平行樣。將煤樣進(jìn)行粉碎，篩取粒度為0.2～0.25 mm 的煤樣，每個(gè)試樣重3.5 g，其中A 組進(jìn)行靜電場(chǎng)下煤體瓦斯放散特征電壓的判定，B 組進(jìn)行在特征電壓下瓦斯放散初速度（單位mmHg，1 mmHg=133.3 Pa）在煤體記憶過程的變化特征實(shí)驗(yàn)。將制備好的煤樣進(jìn)行干燥，稱重后將其密封保存。煤樣密度及工業(yè)分析見表1。

表1 煤樣密度及工業(yè)分析Table 1 Coal samples density and industrial analysis

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 煤樣放散瓦斯電場(chǎng)響應(yīng)特征

為了研究不同變質(zhì)程度煤體在靜電場(chǎng)下放散瓦斯的電場(chǎng)響應(yīng)特征，選用四侯煤礦和麒麟煤礦中1號(hào)、2 號(hào)煤樣的A 組平行樣。在常溫常壓的情況下，分別設(shè)定0、4、8、12、16 kV 的不同特征電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析靜電場(chǎng)下放散初速度與施加電壓存在的關(guān)聯(lián)，對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出如下結(jié)果：研究發(fā)現(xiàn)，電壓為0～8 kV，均為上升過程且增幅明顯，8～16 kV 區(qū)間均為波動(dòng)狀，且變化幅度有所降低，最終趨于較穩(wěn)定狀態(tài)。這表明施加不同電壓均對(duì)煤樣瓦斯放散初速度具有促進(jìn)的效果，但隨著施加電壓的增大，在達(dá)到一定特征電壓后，瓦斯放散初速度有所回落，且趨于平緩，仍保持高于未加電時(shí)的狀態(tài)。

不同煤樣電場(chǎng)響應(yīng)特征圖如圖2。由圖2 可知，靜電場(chǎng)可以明顯作用于瓦斯放散初速度的放散，無煙煤和貧煤加電后的瓦斯放散初速度△p 相對(duì)于加電前均有增大，且趨勢(shì)變化不同，說明不同變質(zhì)程度煤樣靜電場(chǎng)下的響應(yīng)特征也不相同，但在電壓8 kV 時(shí)，不同煤種均表現(xiàn)出較高的瓦斯放散初速度，因此將其作為優(yōu)勢(shì)特征電壓進(jìn)行記憶效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

圖2 不同煤樣電場(chǎng)響應(yīng)特征圖Fig.2 Electric field response characteristics of different coal samples

2.2 含瓦斯煤體的放散初速度時(shí)間記憶響應(yīng)

通過實(shí)驗(yàn)研究了解煤體不同電壓下瓦斯放散響應(yīng)特性后，選用1 號(hào)、2 號(hào)煤樣中的B 平行樣，選擇各煤樣電場(chǎng)響應(yīng)變化幅度最大的8 kV 優(yōu)勢(shì)特征電壓進(jìn)行不同加電時(shí)間下瓦斯放散特性效果試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了常溫常壓下不同變質(zhì)程度煤樣在加電時(shí)間為0、2、4、6、8、10、12 h 瓦斯放散初速度△p 并對(duì)未加電壓后的6 h 進(jìn)行了放散初速度的測(cè)定，得到了施加靜電場(chǎng)后煤體仍作用于瓦斯放散的時(shí)間記憶效應(yīng)特征。8 kV 電壓下不同煤樣時(shí)間記憶效應(yīng)特征圖如圖3。

圖3 8 kV 電壓下不同煤樣時(shí)間記憶效應(yīng)特征圖Fig.3 Time memory effect of different coal samples under 8 kV voltage

對(duì)無煙煤和貧煤的瓦斯放散初速度在特征電壓作用下研究發(fā)現(xiàn)，不同加電時(shí)間對(duì)瓦斯放散也具有一定的影響，呈波動(dòng)狀且隨著加電時(shí)間增加煤樣瓦斯放散能力構(gòu)造煤均高于原生結(jié)構(gòu)煤；在撤掉外加電壓后，瓦斯放散初速度仍能夠保持增大（減?。┶厔?shì)，且放散初速度值均保持高于未加電場(chǎng)時(shí)的狀態(tài)。

可以得出，不同變質(zhì)程度和破壞類型煤樣均受加電時(shí)間影響放散初速度有所變化，隨加電時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)波動(dòng)狀變化且規(guī)律性不強(qiáng)，但可以明確的是會(huì)對(duì)煤樣放散瓦斯能力產(chǎn)生一定的增強(qiáng)（減弱）。同時(shí)，加電時(shí)間結(jié)束后，煤樣的瓦斯放散初速度仍能夠保持繼續(xù)增加（減?。┶厔?shì)，且其值均大于未加電時(shí)的瓦斯放散初速度，使得煤體能夠保持施加電壓時(shí)的狀態(tài)，產(chǎn)生記憶效應(yīng)，繼續(xù)作用于對(duì)瓦斯的放散，增大煤樣放散瓦斯的能力。

同時(shí)，根據(jù)圖3 時(shí)間記憶效應(yīng)階段對(duì)比不同變質(zhì)程度煤樣的原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤發(fā)現(xiàn)，無煙煤經(jīng)過電場(chǎng)作用后相較于未加電場(chǎng)在時(shí)間記憶效應(yīng)內(nèi)，瓦斯放散初速度增長(zhǎng)均在5%～9%之間，原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤變化量沒有明顯的區(qū)別；而貧煤則變化非常明顯，其中原生結(jié)構(gòu)煤在記憶效應(yīng)內(nèi)變化在5%～8%，而構(gòu)造煤則變化13%～18%，這也反映出電場(chǎng)對(duì)不同變質(zhì)程度和破化程度煤影響具有差異。

3 記憶效應(yīng)及改性機(jī)理

3.1 煤體電場(chǎng)記憶效應(yīng)

煤樣吸附瓦斯的本質(zhì)是煤表面分子與瓦斯氣體分子之間存在作用力（德拜誘導(dǎo)力和倫敦色散力）相互吸引的結(jié)果，煤體吸附能力的強(qiáng)弱以表面吸附勢(shì)阱深度表現(xiàn)出來[11]；而從微觀角度來看，煤吸附瓦斯是源于瓦斯氣體分子與煤體表面分布的電位基團(tuán)間存在電引力作用，牽引瓦斯分子吸附于煤體表面。前人在研究中發(fā)現(xiàn)煤體表面化學(xué)結(jié)構(gòu)是由相同或相似的煤分子片段（相同或相似的苯環(huán)骨架及側(cè)鏈）組成的集合體[12]，煤表面的化學(xué)特性及離子、分子間的相互作用主要受表面極性官能團(tuán)控制，隨變質(zhì)程度的增加，煤中大分子結(jié)構(gòu)縮合度也會(huì)增加。同時(shí)，正是由于這些極性官能團(tuán)使得煤分子原子核內(nèi)部正負(fù)電荷發(fā)生錯(cuò)位，導(dǎo)致煤體表面電位分布不均勻，而煤體吸附瓦斯特性、電場(chǎng)磁化效應(yīng)、瓦斯放散記憶效應(yīng)等均是煤體本身微觀性質(zhì)引起的。

利用電場(chǎng)作用對(duì)煤體改性已初見端倪，一方面電場(chǎng)作為能量流改變價(jià)電子的勢(shì)能、動(dòng)能、分布等，另一方面通過電場(chǎng)開放出現(xiàn)物質(zhì)流[13]。煤樣本身屬于能量開放和物質(zhì)孤立系統(tǒng)，系統(tǒng)價(jià)電子總量恒定，與物質(zhì)之間只有能量流，不存在物質(zhì)流。煤體施加電場(chǎng)，煤樣與電源接通，電子結(jié)構(gòu)的改變使晶界和空位等結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生相應(yīng)變化，價(jià)電子濃度下降，出現(xiàn)瞬間物質(zhì)流，系統(tǒng)與環(huán)境之間出現(xiàn)物質(zhì)流和能量流，屬于物質(zhì)開放和能量開放系統(tǒng)。唯象理論表明，電場(chǎng)具有阻礙溶質(zhì)、空位簇聚于晶界，增強(qiáng)晶內(nèi)溶質(zhì)固溶能力，強(qiáng)化晶界效應(yīng)[13]。通過外加電場(chǎng)強(qiáng)化煤體表面間電位信號(hào)，宏觀引起煤體孔隙尺寸引起變化，發(fā)生塑性損傷，同時(shí)使孔隙數(shù)量有所增加，提高瓦斯吸附量，而煤表面產(chǎn)生的電位信號(hào)較初次條件下的電位信號(hào)相比產(chǎn)生記憶效應(yīng)。煤體放散瓦斯時(shí)間記憶效應(yīng)表現(xiàn)為撤掉電場(chǎng)后煤體放散瓦斯能力仍強(qiáng)于初始狀態(tài)，電場(chǎng)對(duì)煤體造成的塑性損傷是引起記憶效應(yīng)的根本原因。

3.2 改性機(jī)理

煤與瓦斯均為電介質(zhì)，煤體在靜電場(chǎng)作用后仍會(huì)整體呈現(xiàn)出帶靜電狀態(tài)，煤分子與瓦斯氣體分子之間的作用勢(shì)依然被提高，使煤和瓦斯分子的引力增加，導(dǎo)致煤表面的吸附勢(shì)阱增加，從而可引起吸附量增加，使煤體內(nèi)部瓦斯壓力梯度增大進(jìn)而對(duì)放散瓦斯具有促進(jìn)作用。靜電吸附瓦斯原理是基于電場(chǎng)下煤電介質(zhì)發(fā)生極化現(xiàn)象，煤為極性大分子，煤基質(zhì)表面的偶極子或含氧官能團(tuán)等極性基團(tuán)在電場(chǎng)下會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向極化，造成吸附瓦斯位間電負(fù)性增強(qiáng)，煤分子極性得到增強(qiáng)，利于對(duì)瓦斯的吸附。在電介質(zhì)物理學(xué)中，經(jīng)典模型對(duì)于電介質(zhì)在電場(chǎng)中具有以下線性關(guān)系：

式中：P 為介質(zhì)中某一點(diǎn)的極化強(qiáng)度；χe為電介質(zhì)的電極化率；ε0為真空介電常數(shù)是1 個(gè)定值；E 為該點(diǎn)處的總場(chǎng)強(qiáng)。

當(dāng)煤電介質(zhì)在靜電場(chǎng)作用下，施加電場(chǎng)強(qiáng)度為E0，則會(huì)在煤體內(nèi)部產(chǎn)生E0的場(chǎng)強(qiáng)，根據(jù)式（1）可知：

式中：P0為施加場(chǎng)強(qiáng)為E0時(shí)介質(zhì)中的極化強(qiáng)度；E0為煤體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)。

但此時(shí)的P0并非為煤體內(nèi)部最終的極化強(qiáng)度，因?yàn)槭紼0中并不包含煤在被極化后極化電荷產(chǎn)生的激發(fā)電場(chǎng)，極化電荷產(chǎn)生的激發(fā)電荷場(chǎng)強(qiáng)E1為[14]：

式中：E1為極化電荷產(chǎn)生的激發(fā)電荷場(chǎng)強(qiáng)。

而產(chǎn)生的激發(fā)電場(chǎng)E1同時(shí)也會(huì)作用于煤體，再次引起煤電介質(zhì)的進(jìn)一步極化：

式中：P1為內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為E1時(shí)介質(zhì)的極化強(qiáng)度。

同理，每次極化后產(chǎn)生的激發(fā)電場(chǎng)P2、P3、…、Pn均會(huì)引起下一次的極化，這樣循環(huán)下去，則第n 次極化電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為：

式中：E2、…、En為疊加極化電荷產(chǎn)生的激發(fā)電荷場(chǎng)強(qiáng)。

根據(jù)上式可知煤電介質(zhì)在極化后產(chǎn)生的極化電荷也會(huì)產(chǎn)生激發(fā)電場(chǎng)并改變內(nèi)部電場(chǎng)的分布，而重排后的極化電荷的電場(chǎng)反過來又作用于電介質(zhì)，如此循環(huán)往復(fù)，直到達(dá)到最終的極化狀態(tài)[15]。因此認(rèn)為，在撤掉靜電場(chǎng)后，由極化電荷構(gòu)成的激發(fā)電場(chǎng)在一定的時(shí)間內(nèi)仍有電導(dǎo)電流和極化電流的存在，會(huì)繼續(xù)影響煤體瓦斯的放散初速度，并保持著高于未加電場(chǎng)時(shí)的狀態(tài)。

4 結(jié) 論

1）不同變質(zhì)程度和破壞類型煤樣在靜電場(chǎng)下的電場(chǎng)響應(yīng)特征不盡相同，隨電壓增大瓦斯放散初速度具有先增大后減小的趨勢(shì)，存在特征優(yōu)勢(shì)電壓。

2）在撤掉靜電場(chǎng)后，瓦斯放散初速度并未回落至未加電時(shí)的狀態(tài)且均高于初始狀態(tài)，具有一定時(shí)間記憶效應(yīng)，且不同類型煤樣電場(chǎng)記憶特征響應(yīng)不相同。

3）靜電場(chǎng)下煤體記憶效應(yīng)其實(shí)質(zhì)是宏觀上引起煤體孔隙尺寸發(fā)生變化，造成塑性損傷，同時(shí)使孔數(shù)量發(fā)生變化，改變煤體吸附量，進(jìn)而引起瓦斯放散初速度的變化。

4）靜電場(chǎng)能夠引起煤體與瓦斯發(fā)生極化，極化電荷在煤體內(nèi)構(gòu)成的激發(fā)電場(chǎng)在撤掉電場(chǎng)后仍會(huì)繼續(xù)作用于瓦斯的放散。