電磁注熱增產(chǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油領(lǐng)域，其原理是利用天線將電磁能導(dǎo)入儲(chǔ)層，溫度的提高降低了原油粘度并提高了其流動(dòng)性，從而提高了石油產(chǎn)量。微波能量可以通過波導(dǎo)和天線導(dǎo)入煤層，首先，由底板巷向煤層施工瓦斯抽采鉆孔；然后，將波導(dǎo)與天線連接并和抽采管一起放入鉆孔內(nèi)；天線與鉆孔壁之間安裝特氟龍護(hù)管；最后密封鉆孔，打開微波發(fā)生器后實(shí)施瓦斯抽采。微波發(fā)生器產(chǎn)生的微波通過矩形波導(dǎo)、波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器及同軸波導(dǎo)傳遞到鉆孔內(nèi)的天線處，并由天線向煤層輻射注熱，一方面，微波輻射熱效應(yīng)提高了煤體溫度，瓦斯氣體大量解吸；另一方面，微波輻射改變了煤體物性結(jié)構(gòu)，煤層含水飽和度大大降低，煤體孔隙率、滲透率迅速提高，從而極大地促進(jìn)了瓦斯抽采。由于煤基質(zhì)是微波透明體，而煤中水分是微波吸收體，利用微波的穿透性對(duì)水進(jìn)行選擇性加熱決定了其比注熱水或熱蒸汽更加節(jié)能，更加經(jīng)濟(jì)。

煤儲(chǔ)層的微波注熱增產(chǎn)示意圖

煤層內(nèi)的瓦斯運(yùn)移涉及煤體變形、氣體滑移、吸附導(dǎo)致的基質(zhì)收縮/膨脹、及熱傳遞，研究瓦斯運(yùn)移必須兼顧各物理場的交互耦合。溫度是影響煤體變形及瓦斯運(yùn)移的關(guān)鍵。瓦斯賦存具有極強(qiáng)的溫度敏感性；煤的異質(zhì)性可能會(huì)引發(fā)不均勻受熱從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，這些熱應(yīng)力會(huì)引起煤體形變并改造滲透率；煤體升溫會(huì)驅(qū)使氣體從煤基質(zhì)中解吸出來并處于一種自由、活躍狀態(tài)。溫度的升高會(huì)促使瓦斯由吸附態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)，微波熱改造會(huì)導(dǎo)致煤層溫度及含水率的改變，從而觸發(fā)復(fù)雜的氣-固耦合作用。近年來，眾多學(xué)者為定量表征煤層氣開采中復(fù)雜的氣-固耦合過程已建立了一系列數(shù)值模型，然而涉及微波電磁-熱耦合效應(yīng)的煤儲(chǔ)層滲透率模型罕有報(bào)道。本模型的首先通過介質(zhì)損耗將電磁場與傳熱場聯(lián)立起來以實(shí)現(xiàn)微波注熱，這是一個(gè)雙場雙耦合過程；然后，通過熱膨脹耦合模塊、熱流動(dòng)耦合模塊、熱解吸效應(yīng)、吸附膨脹效應(yīng)建立起滲透率模型并將傳熱場、固體力學(xué)場及滲流場耦合起來，這是一個(gè)多場耦合過程；最終建立起一個(gè)電磁-熱-流-固全耦合模型。

煤儲(chǔ)層微波注熱的電磁-熱-流-固全耦合模型

利用 COMSOL 建立一個(gè)煤儲(chǔ)層模型，見圖 7-4，模型尺寸為 20 m×6 m，模型中間布置一個(gè)瓦斯抽采鉆孔（直徑為 0.075 m）；模型兩側(cè)布置兩個(gè)微波源，將微波源簡化為兩個(gè)矩形波導(dǎo)。

煤儲(chǔ)層微波注熱幾何模型

使用COMSOL5.6版本得到的幾個(gè)云圖如下：

煤儲(chǔ)層溫度云圖

煤儲(chǔ)層瓦斯含量云圖

煤儲(chǔ)層滲透率比值(k/k0)云圖

注：以上文字及部分圖片來自于論文《微波輻射下煤體熱力響應(yīng) 及其流-固耦合機(jī)制研究》。